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电涡流传感器原理
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&&电​涡​流​传​感​器​在​机​械​振​动​及​轴​的​位​移​测​量​方​面​应​用​广​泛​,​本​文​介​绍​电​涡​流​传​感​器​的​原​理​。
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　　电涡流传感器系统基本原理
　　电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高精度、高分辨力地测量被测金属导体表面距探头表面的相对位移变化。它是一种非接触的线性化计量工具。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。在所有与机械状态有关的故障征兆中，机械振动测量是最具权威性的，这是因为它同时含有幅值、相位和频率的信息。机械振动测量占有优势的另一个原因是：它能反应出机械所有的损坏，并易于测量。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生磨擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测故障诊断中得到广泛应用。
　　电涡流传感器基本原理：
　　探头、延伸电缆、前置器以及被测体构成基本工作系统。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各向同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和角频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z＝F（τ，ξ、б、D、I、ω）函数来表示。通常我们能做到控制τ，ξ、б、I、ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
　　电涡流传感器工作过程：
　　当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性温漂补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移（间隙）的变化，转换成电压（电流）的变化。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。　
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中国航空动力机械研究所科技开发中心传感及测控技术项目部位于湖南株洲董家塅高科园内，其是由有着悠久历史先后曾在珠海、长沙驻址经营的原“天瑞公司”搬迁回所的高科技单位。　　　　中国航空动力机械研究所科技开发中心传感及测控技术项目部（原湖南航空天瑞仪表电器有限责任公司），即中航天瑞，是国内最早专业生产电涡流位移传感器等旋转机械在线监测保护装置的厂家，曾作为起草人参与中国首份电涡流行业标准（JJG644-90）的制定。主要产品电涡流位移传感器及配套二次显示仪表在国内旋转机械状态监控领域广泛应用，作为国内知名品牌，替代美国本特利、德国申克、日本新川等公司的同类产品，在交通、电力、石化、冶金等行业广泛应用。　　　　我单位作为国产电涡流位移间隙传感器的代表生产厂家，目前隶属于中国航空动力机械研究所。中国航空动力机械研究所是我国唯一从事中小型航空发动机研究的军工单位，几十年历史中，开辟了我国中小型航空发动机从无到有，从仿制到自主研发的道路，为我国的直升机、教练机、无人机、导弹提供了多种型号的高可靠性的动力装置。研究所所属的拥有100多位电子专业技术人员及大批世界先进水平测试设备的测控技术研究室，从事发动机用传感器研制生产、发动机试车台测试仪器、测试技术研究，既是我单位的发源地，也是目前我单位坚强的技术后盾。　　　　为加强管理，加快发展，更好利用航空工业高科技的技术优势、人才优势和设备优势，以实现“航空报国、强军富民”，把项目部真正建成为“争国内领先、创国际品牌”的旋转机械运行状态监测及故障诊断技术的研究中心和生产厂家，2010年5月，原“天瑞公司”再次整体搬迁回株洲608所，同时更名为“中国航空动力机械研究所科技开发中心传感及测控技术项目部”。项目部拥有大批先进的科研生产设备和国内一流的检验测试标准，拥有一批杰出的技术管理人才，拥有一支素质精良的科研、生产、销售队伍，同时建立和完善了ISO9000系列质量管理体系，是国内最具影响的旋转机械状态监测用传感器、仪表及故障诊断系统的研究、生产厂家。主导产品电涡流系列传感器及配套的二次仪表，主要用于航空发动机、鼓风机、发电机组等大型旋转机械的监测。曾做为第一家“填补国内空白”获得“全国科学大会奖”，1988年被国家机电部列为“替代进口产品”。1993年荣获全国博览会金奖。1994年归口为“电力部定点企业”。其中“TR81系列电涡流位移传感器”、“WB9310复合温度位移传感器”两大产品同时被评为“国家级重点新产品”，并被列入国家“火炬计划项目”。经过近四十年的发展，已形成种类齐全，性能优良的系列产品。产品行销全国二十几个省市，深受用户喜爱。
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电涡流传感器的测量原理及过程
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电涡流传感器的原理以及实际应用
一、 概述本文引用地址：我公司#1、#2小汽轮机TSI（汽轮机监视系统）使用美国本特立.内华达公司生产的3500 电系统，本系统为我公司#1、#2小机TSI系统提供准确可靠的监测数据。在#1、#2小机TSI系统中主要使用了本特立.内华达公司的3500 XL 8 mm 电，这种电提供最大80 mils (2 mm)线性范围和200 mV/mil的输出。它在大多数机械监测中用于径向振动、轴向位移、转速和相位的测量。二、 工作电涡流可分为高频反射式和低频透射式两类，我公司主要使用高频反射式电涡流，下面将对其工作作以阐述：电涡流是基于电磁感应而工作的，但又完全不同于电磁感应，并且在测量中要避免电磁感应对其的干扰。电涡流的形成：现假设有一线圈中的铁心是由整块铁磁材料制成的，此铁心可以看成是由许多与磁通相垂直的闭合细丝所组成，因而形成了许多闭合的回路。当给线圈通入交变的电流时，由于通过铁心的磁通是随着电流做周期性变化的，所以在这些闭合回路中必有感应电动势产生。在此电动势的作用下，形成了许多旋涡形的电流，这种电流就称为电涡流。电涡流的工作原理如下图所示：当线圈中通过高频电流i时，线圈周围产生高频磁场，该磁场作用于金属体，但由于趋肤效应，不能透过具有一定厚度的金属体，而仅作用于金属表面的薄层内。在交变磁场的作用下金属表面产生了感应电流Ie，即为涡流。感应电流也产生一个交变磁场并反作用于线圈上，其方向与线圈原磁场方向相反。这两个磁场相互叠加，就改变了原来线圈的阻抗Z，Z的变化仅与金属导体的电阻率&、导磁率u、激励电磁强度i、频率f、线圈的几何形状r线圈与金属导体之间的距离有关。线圈的阻抗可以用如下的函数式表示：Z=F(& 、u、i、f、d）。当被测对象的材料一定时，&、u为常数，仪表中的i、f、d也为定值，于是Z就成为距离d的单值函数。三、 电涡流以其测量线性范围大，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强，不受油污等介质的影响，特别是非接触测量等优点，而得到了广泛的。在火电厂中主要应用在以下几个监测项目：1、转子转速：在机组运行期间，连续监视转子的转速，当转速高于给定值时发出报警信号或停机信号。其工作原理：根据电涡流的工作原理可知，趋近式电涡流探头和运行的转子齿轮之间会产生一个周期性变化的脉冲量，测出这个周期性变化的脉冲量，即可实现对转子转速的监测。2、转子零转速：零转速是机组在一种低于最小旋转速度下运转的指示，这是为了防止机组在停车期间转轴的重力弯曲。工作原理和转子转速工作原理相同。3、偏心：转子的偏心是其受热应力弯曲的一种指示，它是在齿轮机构盘车时观测到的，它为转子不对中提供可靠、准确的监测数据。涡流探头可以连续监测偏心度的峰-峰值，此值和键相脉冲同步。其工作原理：偏心探头安装在汽轮机前轴承箱内轴颈处，其核心部分是一个电感线圈。当大轴旋转时，如果有偏心度，则轴与电感线圈的距离出现周期性的变化，使电感线圈的电感量产生周期性的变化，测出这个电感量的变化值，就可以测出轴的偏心度。4、键相：键相是描述转子在某一瞬间所在位置的一个物理量，键相探头和偏心探头一起监测大轴的偏心度，能够准确反应出大轴发生偏心的具体相位角。其工作原理：键相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸槽，称为键相标记。当这个凹槽或凸槽转到探头位置时，相当于探头与被测面之间距离发生改变，会产生一个脉冲信号，轴每转一圈就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。因此通过将脉冲信号与轴的振动信号进行比较，就可以确定振动的相位角。5、振动：电涡流探头主要监视主轴相对于轴承座的相对振动。其工作原理：电涡流探头的线圈和被测金属体之间距离的变化，可以变换为线圈的等效电感、等效阻抗和品质因素三个电参数的变化，再配以相应的前置放大器，可进一步把这三个电参数变换成电压信号，即可实现对振动的测量。振动产生主要有以下几个原因：（1） 由于机组运行中中心不正而引起振动。机组运行中若真空下降，将使排汽温度升高，后轴承上抬，因而破坏机组中心引起的振动。（2） 由于转子质量不平衡而引起振动。（3） 由于转子发生弹性弯曲而引起振动。（4） 由于轴承油膜不稳定而引起振动。（5） 由于汽轮机内部发生摩擦而引起振动。（6） 由于水冲击而引起振动。（7） 汽轮机在达到临界转速时发生振动。6、轴向位移：轴向位移是指机组内部转子沿轴心方向，相对于推力轴承二者之间的间隙而言。通过对轴向位移的测量，可以指示旋转部件与固定部件之间的轴向间隙或相对瞬时的轴向变化。它的工作原理与振动测量原理相同，但是需要说明一点，轴向位移的测量经常与轴向振动搞混。轴向振动是指探头表面与被测体沿轴向之间距离的快速变动，用峰峰值表示，它与平均间隙无关。7、胀差：机组在运行时转子受热要发生膨胀，因为转子受推力轴承的限制，所以只能沿轴向往低压侧伸长。由于转子体积小，而且直接受蒸汽的冲击，因此升温和热膨胀比较快，而汽缸的体积较大，升温和热膨胀相对要慢一些。当转子和汽缸的热膨胀还没有达到稳定之前，它们之间存在的热膨胀值简称胀差。关于胀差方向的规定：在机组启动或增负荷时，是一个蒸汽对金属的加热过程，转子升温快于汽缸，大于汽缸的膨胀值称为正胀差。在停机或减负荷时，是一个降温过程，转子降温快于汽缸，所以转子收缩的快，也就是转子的轴向膨胀值小于汽缸的膨胀，称为负胀差。四、 电涡流的安装1、 安装注意事项（1） 探头的安装间隙。（2） 探头头部与安装面的安全间距。（3） 电缆转接头的密封与绝缘。（4） 探头抗腐蚀性。（5） 各探头间的最小间距。（6） 探头安装支架的牢固性。（7） 探头所带电缆、延伸电缆的安装。（8） 探头的高温高压环境。2、影响特性的因素：（1） 被测体表面平整度对的影响不规则的被测体表面，会给测量带来附加误差，因此被测体表面应该平整光滑，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。（2） 被测体表面磁效应对的影响电涡流效应主要集中在被测体表面，如果由于加工过程中形成残磁效应，淬火不均匀、硬度不均匀、结晶结构不均匀等都会影响特性。（3） 被测体表面镀层对的影响被测体表面的镀层对的影响相当于改变了被测体材料，视其镀层的材料、厚薄，的灵敏度会略有变化。（4） 被测体表面尺寸对的影响由于探头线圈产生的磁场范围是一定的，而被测体表面形成的涡流也是一定的。这样就对被测体表面大小有一定要求。通常，当被测体表面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上。当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上，否则的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。实验测试，当被测体表面大小与探头头部直径相同，其灵敏度会下降到72%左右。被测体的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深度由频率、材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄，将会造成电涡流作用不够，使灵敏度下降。3、的安装要求（1） 对工作温度的要求一般涡流的最高允许温度&180&C，实际上如果工作温度过高，不仅的灵敏度会显著降低，还会造成的损坏，因此测量汽轮机高、中、低转轴振动时，必须安装在轴瓦内，只有特制的高温涡流才允许安装在汽封附近。（2） 对被测体的要求为防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出，安装时头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间。若在测试过程中某一部位需要同时安装两个或以上，为避免交叉干扰，两个之间应保持一定的距离。另外，被测体表面积应为探头直径3倍以上，表面不应有伤痕、小孔和缝隙，不允许表面电镀。被测体材料应与探头、前置器标定的材料一致。（3） 对探头支架的要求探头通过支架固定在轴承座上，支架应有足够的刚度以提高其自振频率，避免或减小被测体振动时支架的受激自振。（4） 对初始间隙的要求电涡流应在一定的间隙电压（顶部与被测物体之间间隙，在仪表上指示一般是电压）值下，其读数才有较好的线性度，所以在安装时必须调整好合适的初始间隙。转子旋转和机组带负荷后，转子相对于将发生位移。如果把装在轴承顶部，其间隙将减少；如装在轴承水平方向，其间隙取决于转子旋转方向；当转向一定时，其间隙取决于安装在右侧还是左侧。为了获得合适的工作间隙值，在安装时应估算转子从静态到转动状态机组带负荷后轴颈位移值和位移方向，以便在调整初始间隙时给予考虑。根据现场经验，转子从静态到工作转速，轴颈抬高大约为轴瓦间隙的1/2；水平方向位移与轴瓦形式、轴瓦两侧间隙和机组滑销系统工作状态有关，一般位移值为0.05-0.20mm。在调整初始间隙时，除了要考虑上述这些因素外，还要考虑最大振动值和转子原始晃摆值。初始间隙应大于转轴可能发生的最大振幅和转轴原始晃摆值的1/2。3、安装步骤（1） 探头插入安装孔之前，应保证孔内无杂物，探头能自由转动而不会与导线缠绕。（2） 为避免擦伤探头端部或监视表面，可用非金属测隙规测定探头的间隙。（3） 也可用连接探头导线到延伸电缆及前置器的电汽方法整定探头间隙。当探头间隙调整合适后，旋紧防松螺母。此时应注意，过分旋紧会使螺纹损坏。探头被固定后，探头的导线也应牢固。延伸电缆的长度应于前置器所需的长度一致。任意的加长或缩短均会导致测量误差。前置器应置于铸铝的盒子内，以免机械损坏及污染。不允许盒子上附有多余的电缆，在不改变探头到前置器电缆长度的前提下，允许在同一个盒内装有多个前置器，以降低安装成本，简化从前置器到监视器的电缆布线。采用适当的隔离和屏蔽接地，将信号所受的干扰降至最低限度。4、延伸电缆的安装延伸电缆作为连接探头和前置器的中间部分，是涡流的一个重要组成部分，所以延伸电缆的安装应保证在使用过程中不易受损坏，应避免延伸电缆的高温环境。探头与延伸电缆的连接处应锁紧，接头用热缩管包裹好，这样可以避免接地并防止接头松动。在盘放延伸电缆时应避免盘放半径过小而折坏电缆线。一般要求延伸电缆盘放直径不得小于55mm.5、前置器的安装前置器是整个系统的信号处理部分，要求将其安装在远离高温环境的地方，其周围环境应无明显的蒸汽和水珠、无腐蚀性的汽体、干燥、振动小、前置器周围的环境温度与室温相差不大的地方。安装时前置器壳体金属部分不要同机壳或大地接触。安装时必须避免有其他干扰信号影响测量电路。6、转速、零转速、偏心、键相安装间隙的锁定这四种均可采用塞尺测量安装间隙的方法进行安装。在探头端面和被测面之间塞入设定安装间隙厚度的塞尺，这四种的安装间隙约为1.3mm左右。当探头端面和被测面压紧塞尺时，紧固探头即可。7、轴振动安装间隙的锁定将探头、延伸电缆、前置器连接起来，并给系统接上电源，用精度较高的万用表监测前置器的输出电压，同时调整探头与被测面的间隙，当前置器的输出电压大约在10-11vDC之间时，拧紧探头的两个紧固螺母固定探头即可。8、轴位移的零位锁定（1） 轴位移监测系统的测量原理： 3500轴位移监测系统是利用涡流的输出电压与其被测金属表面的垂直距离在一定范围内成正比的关系，将位移信号转换成电压信号送至监测器，从而实现监测和保护的目的。（2） 轴位移的零位锁定：轴位移零位锁定必须参考的因素 ：a) 大轴推力瓦的间隙△值b) 大轴所在位置（即大轴推力盘已靠在推力瓦的工作面或非工作面）c) 位移监测器及的校验数据已知：△=0.36mm，轴位移监测器量程为&1.25mm，大轴推力盘靠在工作面。轴位移以的零位电压计算值锁定较为准确可靠。以11mm为例，已知：△=0.36mm，大轴推力盘靠在工作面，轴位移监测器量程为&1.25mm，灵敏度F=4.0V/mm，零位安装电压Vo=10.0V。则零位电压X的计算：X=Vo-F&1/2&△=9.28V最终零位锁定后，监测器应显示为-0.18mm。注：若大轴推力盘靠在推力瓦的非工作面，则X应按下式计算：X=Vo+F&1/2&△=10.72V最后，按照计算出的X 值安装锁定，监测器显示应为0.18mm（3） 现场安装调试中零位锁定应注意的问题：a) 未考虑推力瓦间隙，表计会产生1/2&△mm的测量误差。b) 将1/2&△mm的推轴间隙调反，表计会产生△mm的测量误差。五、电涡流的常见故障及处理方法1、常见故障：（1） 电涡流探头损坏。（2） 探头导线与延伸电缆的连接头松动。（3） 延伸电缆与前置器的连接处松动。（4） 前置器、延伸电缆故障。（5） 延伸电缆接地。（6） 探头导线与延伸电缆的连接头绝缘不好而接地。2、 处理方法：（1） 更换电涡流探头。（2） 紧固探头导线与延伸电缆的连接头。（3） 紧固延伸电缆与前置器的连接螺丝。（4） 更换前置器、延伸电缆。（5） 更换延伸电缆或将其破损接地部分用绝缘带包好。（6） 将探头导线与延伸电缆的连接头用热缩管包裹好。3、对常见故障处理方法的几点建议：（1） 更换电涡流探头时应注意避免碰伤探头，不可将连接导线多次缠绕。（2） 探头导线与延伸电缆的连接处为带有锁紧功能的锁头，在紧固时应避免用力过猛，以免损坏锁头。（3） 紧固延伸电缆与前置器的连接螺丝不可用力过大，以免造成螺丝滑丝。（4） 更换后的前置器应与探头、延伸电缆型号一致，应将前置器放在铸铝的盒子内，避免有其他干扰信号影响测量精度。（5） 更换延伸电缆时应注意电缆的盘管直径不应太小，以免造成对电缆的损伤。一般规定盘管直径不得小于55mm。（6） 在处理探头导线与延伸电缆的连接头时应用热缩管包裹，不要用电工胶带，这样油雾会溶解胶带上的沾性物而污染接头。在需打开探头导线与延伸电缆的连接头时，用刀片在接头金属处划开一小口即可，在此过程中当心将电缆划伤。4、 处理常见故障时可能发生的危险点：（1） 误碰其他运行设备，工作人员应相互监督。（2） 运行中更换振动探头发生高温烫伤，应戴防护手套。（3） 更换延伸电缆时由于盘管直径太小而损伤电缆，盘管直径不能小于55mm。（4） 更换探头时碰伤探头，工作人员应采取相应防护措施。（5） 由于温度过高造成对探头的损伤，探头的工作温度一般应小于180&C，只有特制的高温涡流才允许安装在汽封附近。
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