電渦流傳感器

傳感器經常作為自動化產品的一部分，在我們日常生產生活中扮演着重要角色。它是現代科技的前沿技術，其水平高低也是衡量一個國家科技發展水平的重要標誌之一。市面上的傳感器多種多樣，玲琅滿目，可供我們選擇的有很多。電感渦流傳感器等眾多高性能傳感器，被大量應用在各行各業。特別是機牀行業，以及汽車製造等行業更是應用廣泛，是國內外公認的具有發展前途的高技術產業。

在高速旋轉機械和往復式運動機械的狀態分析，振動研究、分析測量中，對非接觸的高精度振動、位移信號，能連續準確地採集到轉子振動狀態的多種參數。如軸的徑向振動、振幅以及軸向位置。從轉子動力學、軸承學的理論上分析，大型旋轉機械的運動狀態，主要取決於其核心—轉軸，而電渦流傳感器，能直接非接觸測量轉軸的狀態，對諸如轉子的不平衡、不對中、軸承磨損、軸裂紋及發生摩擦等機械問題的早期判定，可提供關鍵的信息。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量範圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質的影響、結構簡單等優點，在大型旋轉機械狀態的在線監測與故障診斷中得到廣泛應用 ^[1]  。

根據法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置於變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時（與金屬是否塊狀無關，且切割不變化的磁場時無渦流），導體內將產生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流，以上現象稱為電渦流效應。而根據電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。

前置器中高頻振盪電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產生交變的磁場。當被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產生感應電流，與此同時該電渦流場也產生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由於其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導率、電導率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導體表面的距離等參數有關。通常假定金屬導體材質均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導體系統的物理性質可由金屬導體的電導率б、磁導率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導體表面的距離D、電流強度I和頻率ω參數來描述。則線圈特徵阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函數來表示。通常我們能做到控制τ, ξ, б, I, ω這幾個參數在一定範圍內不變，則線圈的特徵阻抗Z就成為距離D的單值函數，雖然它整個函數是一非線性的，其函數特徵為“S”型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。於此，通過前置器電子線路的處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導體的距離D的變化轉化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據這一原理實現對金屬物體的位移、振動等參數的測量。

當被測金屬與探頭之間的距離發生變化時，探頭中線圈的Q值也發生變化，Q值的變化引起振盪電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振盪電壓經過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉化成電壓（電流）變化，最終完成機械位移(間隙)轉換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工作系統中被測體可看作傳感器系統的一半，即一個電渦流位移傳感器的性能與被測體有關。

按照電渦流在導體內的貫穿情況，此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來説仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面温度、速度、 應力、材料損傷等進行非接觸式連續測量，另外還具有體積小，靈敏度高，頻率響應寬等特點，應用極其廣泛 ^[2]  。

電渦流傳感器系統以其獨特的優點，廣泛應用於電力、石油、化工、冶金等行業，對汽輪機、水輪機、發電機、鼓風機、壓縮機、齒輪箱等大型旋轉機械的軸的徑向振動、軸向位移、鑑相器、軸轉速、脹差、偏心、油膜厚度等進行在線測量和安全保護，以及轉子動力學研究和零件尺寸檢驗等方面。圖1-1列舉了電渦流傳感器的一些典型應用示意。前置器根據探頭線圈阻抗的變化輸出一個與距離成正比的直流電壓。

1、線性量程、線性範圍、線性中點、非線性誤差、最小被測面

※ 非線性誤差指實際輸出值與理論值(按標準特性方程計算)最大誤值。

2、平均靈敏度（線性範圍內輸出變化除線性範圍）

平均靈敏度誤差：≤±5%

3、動態特性

頻響：0～10kHz

幅頻特性:0～1kHz衰減小於1%，10kHz衰減小於5%

相頻特性:0～1kHz相位差小於－10°，10kHz相位差小於－100°

4、互換性誤差≤5%

5、工作温度

探頭：工作温度-50～ +175°C 温漂≤0.05%/°C

前置器：工作温度-50～ +120°C 温漂≤0.05%/°C

6、工作介質：空氣、油、水。

7、探頭最大工作壓力：12Mpa

A、探頭直徑選擇

B、螺紋規格選擇

D 無螺紋長選擇

以10mm為單位

最小無螺紋長0mm 0 0，

最大無螺紋長250mm 2 5，

遞增量10mm 0 1

探頭的無螺紋部分是為了方便安裝：採用螺孔安裝時,適當長度的無螺紋部分可以減少需要旋入螺孔的長度。

E 殼體長度選擇

以10mm為單位

最小殼體長度20mm 0 2 ，

最大殼體長度250mm 2 5 ，

遞增量10mm 0 1

探頭殼體長度取決於安裝位置與被測面的距離。

F 電纜長度選擇

0 5 0.5m 5 0 5.0m

1 0 1.0m 9 0 9.0m

電纜長度選擇應考慮被測面與前置器安裝位置之間的距離。採用螺孔安裝時，建議選擇05(0.5m)、10(1.0m)，易於保證旋動探頭時，探頭電纜與探頭能一起轉動，不易扭斷電纜，而且需選用延伸電纜，延伸電纜長度與探頭總長之和為5m或9m。在機器內部安裝探頭，選擇探頭總長應保證電纜接頭能處於機器外部，以防機器內部的機油污染接頭 ^[3]  。

“K”表示電纜帶鎧裝，無“K”表示電纜不帶鎧裝

如果探頭電纜無管道保護，建議選擇鎧裝探頭，以使探頭電纜不易被損壞。

例1：HZ-891XLT08-M10×1-B-01-05-50（分體式：含前置器，電纜，探頭）

表示：HZ-891XL系列電渦流傳感器，探頭直徑φ8、殼體螺紋M10×1、標準安裝方式、無螺紋長10mm、殼體長度50mm、電纜長度5m、不帶鎧裝。

例2：HZ-891YT08HP-M10×1-B-01-05-50（一體化式內置前置器功能）

表示：HZ-891XL系列一體化電渦流傳感器，探頭直徑φ8、殼體螺紋M10×1、標準安裝方式、無螺紋長10mm、殼體長度50mm、電纜長度5m、不帶鎧。

電渦流傳感器系統廣泛應用於電力、石油、化工、冶金等行業和一些科研單位。對汽輪機、水輪機、鼓風機、壓縮機、空分機、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉機械軸的徑向振動、軸向位移、鍵相器、軸轉速、脹差、偏心、以及轉子動力學研究和零件尺寸檢驗等進行在線測量和保護。

脹差測量

斜坡式脹差測量

補償式脹差測量

振動測量

軸位移測量

軸心軌跡測量

差動測量

動力膨脹

轉子動平徑向運動分析

轉速和相位差測試

轉速測量

表面不平整度測量

裂痕測量

非導電材料厚度測量

金屬元件合格檢測

軸承測量

換向片測量

測量徑向振動，可以由它分析軸承的工作狀態，還可以看到分析轉子的不平衡，不對中等機械故障。電渦流傳感器系統可以提供對於下列關鍵或是基礎機械狀態監測所需要的信息：

●工業透平，蒸汽/燃氣 ●壓縮機，徑向/軸向

●膨脹機 ●動力發電透平，蒸汽/燃氣/水利

●發動馬達 ●發動機

●勵磁機 ●齒輪箱

●泵 ●風箱

●鼓風機 ●往復式機械

（1）相對振動測量（小型機械）

振動測量同樣可以用於對一般性的小型機械進行連續監測。電渦流傳感器系統可為如下各種機械故障的早期判別提供重要信息：

●軸的同步振動 ●油膜失穩

●轉子摩擦 ●部件鬆動

●軸承套筒鬆動 ●壓縮機踹振

●滾動部件軸承失效 ●徑向預載，內部/外部包括不對中

●軸承巴氏合金磨損 ●軸承間隙過大，徑向/軸向

●平衡（阻氣）活塞 ●聯軸器“鎖死”磨損/失效

●軸裂紋 ●軸彎曲

●齒輪咬合問題 ●電動馬達空氣間隙不勻

●葉輪通過現象 ●透平葉片通道共振

（2）偏心測量

偏心是在低轉速的情況下，電渦流傳感器系統可對軸彎曲的程度進行測量，這些彎曲可由下列情況引起：

●原有的機械彎曲 ●臨時温升導致的彎曲

●重力彎曲 ●外力造成的彎曲

偏心的測量，對於評價旋轉機械全面的機械狀態，是非常重要的。特別是對於裝有透平監測儀表系統（TSI）的汽輪機，在啓動或停機過程中，偏心測量已成為不可少的測量項目。它使你能看到由於受熱或重力所引起的軸彎曲的幅度。轉子的偏心位置，也叫軸的徑向位置，它經常用來指示軸承的磨損，以及加載荷的大小。如由不對中導致的那種情況，它同時也用來決定軸的方位角，方位角可以説明轉子是否穩定。

（3）脹差測量

對於汽輪發電機組來説，在其啓動和停機時，由於金屬材料的不同，熱膨脹係數的不同，以及散熱的不同，軸的熱膨脹可能超過殼體膨脹；有可能導致透平機的旋轉部件和靜止部件（如機殼、噴嘴、台座等）的相互接觸，導致機器的破壞。因此脹差的測量是非常重要的。

對於所有旋轉機械而言，都需要監測旋轉機械軸的轉速，轉速是衡量機器正常運轉的一個重要指標。旋轉測量通常有以下幾種傳感器可選：電渦流轉速傳感器、無源磁電轉速傳感器、有源磁電轉速傳感器等。具有需要選擇那類傳感器，則要根據轉速測量的要求轉速等，轉速發生裝置有以下幾種：用標準的漸開的線齒數（M1～M5）作轉速發生信號，在轉軸上開一鍵槽、在轉軸在轉軸上開孔眼、在軸轉上凸鍵等轉速發生信號裝置。

無源磁電式傳感器是針對測齒輪而設計的發電型傳感器（無源），不適合測零轉速和較低轉速，因低頻時，幅值信號小，抗干擾能力差，它不需要供電。

有源磁電式傳感器採用了電源供電，輸出波形為矩形波，具有負載驅動能力，適合測量 0.03HZ以上轉速信號。

而電渦流傳感器測量轉速的優越性是其它任何傳感器測量沒法比的，它既能響應零轉速，也能響應高轉速。對於被測體轉軸的轉速發生裝置要求也很低，被測體齒輪數可以很小，被測體也可以是一個很小的孔眼，一個凸鍵，一個小的凹鍵。電渦流傳感器測轉速，通常選用φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm的探頭。轉速測量頻響為0～10KHZ。電渦流傳感器測轉速，傳感器輸出的信號幅值較高（在低速和高速整個範圍內）抗干擾能力強。作轉速測量的電渦流傳感器有一體化和分體兩種。一體化電渦流轉速傳感器取消前置器放大器、安裝方便、適用於工作温度在–20℃～100℃的環境下,帶前置器放大器的電渦流傳感器適合在–50℃～250℃的工作環境中。

對使用滾動軸承的機器預測性維修很重要。探頭安裝在軸承外殼中，以便觀察軸承外環。由於滾動元件在軸承旋轉時，滾動元件與軸承有缺陷的地方相碰撞時，外環會產生微小變形。監測系統可以監測到這種變形信號，當信號變形時意味着發生了故障，如滾動元件的裂紋缺陷或者軸承環的缺陷等，還可以測量軸承內環運行狀態，經過運算可以測量軸承打滑度 ^[3]  。

分為高頻反射式電渦流傳感器和低頻透射式電渦流傳感器。

激勵頻率的選擇原則為：待測導體的厚度大，應選擇較低的激勵頻率以保證線性度，反之則使用較高激勵頻率以提高靈敏度。

當需要測量軸的徑向振動時，要求軸的直徑大於探頭直徑的三倍以上。每個測點應同時安裝兩個傳感器探頭，兩個探頭應分別安裝在軸承兩邊的同一平面上相隔90o±5o。由於軸承蓋一般是水平分割的，因此通常將兩個探頭分別安裝在垂直中心線每一側45o，從原動機端看，分別定義為X探頭（水平方向）和Y探頭（垂直方向），X方向在垂直中心線的右側，Y方向在垂直中心線的左側。

軸的徑向振動測量時探頭的安裝位置應該儘量靠近軸承，如圖所示，否則由於軸的撓度，得到的值會有偏差。

軸的徑向振動探頭安裝位置與軸承的最大距離。軸的徑向振動測量時探頭的安裝：

測量軸承直徑 最大距離

0~76mm 25mm

76~510mm 76mm

大於520mm 160mm

探頭中心線應與軸心線正交，探頭監測的表面（正對探頭中心線的兩邊1.5倍探頭直徑寬度的軸的整個圓周面，如圖）應無裂痕或其它任何不連續的表面現象（如鍵槽、凸凹不平、油孔等），且在這個範圍內不能有噴鍍金屬或電鍍，其表面的粗糟度應在0.4 um至0.8um之間。

測量軸的軸向位移時，測量面應該與軸是一個整體，這個測量面是以探頭的中心線為中心，寬度為1.5倍的探頭圓環。探頭安裝距離距止推法蘭盤不應超過305mm，否則測量結果不僅包含軸向位移的變化，而且包含脹差在內的變化，這樣測量的不是軸的真實位移值。

鍵相測量就是通過在被測軸上設置一個凹槽或凸鍵，稱鍵相標記。當這個凹槽或凸鍵轉到探頭位置時，相當於探頭與被測面間距突變，傳感器會產生一個脈衝信號，軸每轉一圈，就會產生一個脈衝信號，產生的時刻表明瞭軸在每轉週期中的位置。因此通過對脈衝計數，可以測量軸的轉速；通過將脈衝與軸的振動信號比較，可以確定振動的相位角，用於軸的動平衡分析以及設備的故障分析與診斷等方面。

凹槽或凸鍵要足夠大，以使產生的脈衝信號峯峯值不小於5V。一般若採用φ5、φ8探頭，則這一凹槽或凸鍵寬度應大於7.6mm、深度或高度應大於1.5mm（推薦採用2.5mm以上）、長度應大於0.2mm。凹槽或凸鍵應平行於軸中心線，其長度儘量長，以防當軸產生軸向竄動時，探頭還能對着凹槽或凸鍵。為了避免由於軸相位移引起的探頭與被測面之間的間隙變化過大，應將鍵相探頭安裝在軸的徑向，而不是軸向的位置。應儘可能地將鍵相探頭安裝在機組的驅動部分上，這樣即使機組的驅動部分與載荷脱離，傳感器仍會有鍵相信號輸出。當機組具有不同的轉速時通常需要有多套鍵相傳感器探頭對其進行監測，從而可以為機組的各部分提供有效的鍵相信號。

鍵相標記可以是凹槽，也可以是凸鍵，如圖所示，標準要求用凹槽的形式。當標記是凹槽時，安裝探頭要對着軸的完整部分調整初始安裝間隙（安裝在傳感器的線性中點為宜），而不是對着凹槽來調整初始安裝間隙。而當標記是凸鍵時探頭一定要對着凸起的頂部表面調整初始安裝間隙（安裝在傳感器的線性中點為宜），不是對着軸的其它完整表面進行調整。否則當軸轉動時，可能會造成凸鍵與探頭碰撞，剪斷探頭 ^[3]  。

傳感器特性與被測體的電導率б、磁導率ξ有關，當被測體為導磁材料（如普通鋼、結構鋼等）時，由於渦流效應和磁效應同時存在，磁效應反作用於渦流效應，使得渦流效應減弱，即傳感器的靈敏度降低。而當被測體為弱導磁材料（如銅，鋁，合金鋼等）時，由於磁效應弱，相對來説渦流效應要強，因此傳感器感應靈敏度要高。

不規則的被測體表面，會給實際的測量帶來附加誤差，因此對被測體表面應該平整光滑，不應存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，對於振動測量的被測表面粗糙度要求在0.4um～0.8um之間；對於位移測量被測表面粗糙度要求在0.4um～1.6um之間。

電渦流效應主要集中在被測體表面，如果由於加工過程中形成殘磁效應，以及淬火不均勻、硬度不均勻、金相組織不均勻、結晶結構不均勻等都會影響傳感器特性。在進行振動測量時，如果被測體表面殘磁效應過大，會出現測量波形發生畸變。

被測體表面的鍍層對傳感器的影響相當於改變了被測體材料，視其鍍層的材質、厚薄，傳感器的靈敏度會略有變化。

由於探頭線圈產生的磁場範圍是一定的，而被測體表面形成的渦流場也是一定的。這樣就對被測體表面大小有一定要求。通常，當被測體表面為平面時，以正對探頭中心線的點為中心，被測面直徑應大於探頭頭部直徑的1.5倍以上；當被測體為圓軸且探頭中心線與軸心線正交時，一般要求被測軸直徑為探頭頭部直徑的3倍以上，否則傳感器的靈敏度會下降，被測體表面越小，靈敏度下降越多。實驗測試，當被測體表面大小與探頭頭部直徑相同，其靈敏度會下降到72%左右。被測體的厚度也會影響測量結果。被測體中電渦流場作用的深度由頻率、材料導電率、導磁率決定。因此如果被測體太薄，將會造成電渦流作用不夠，使傳感器靈敏度下降，一般要求厚度大於0.1mm以上的鋼等導磁材料及厚度大於0.05mm以上的銅、鋁等弱導磁材料，則靈敏度不會受其厚度的影響 ^[2]  。

為了防止電渦流產生的磁場影響儀器的正常輸出安裝時傳感器頭部四周必須留有一定範圍的非導電介質空間，如果在某一部位要同時安裝兩個以上的傳感器，就必須考慮是否會產生交叉干擾，兩個探頭之間一定要保持規定的距離，被測體表面積應為探頭直徑3倍以上，當無法滿足3倍的要求時，可以適當減小，但這是以犧牲靈敏度為代價的，一般是探頭直徑等於被測體表面積時，靈敏度降低至70%，所以當靈敏度要求不高時可適當縮小測量表面積。

一般進口渦流傳感器最高温度不大於180℃，而國產的只能達到120℃，並且這些數據來源於生產廠家，其中有很大的不可靠性，據相關的各種資料分析，實際上，工作温度超過70℃時，電渦流傳感器的靈敏度會顯著降低，甚至會造成傳感器的損壞，在核電站工業、渦輪發動機制造、火箭發射、汽車發動機檢驗、冶金鋼鐵熔爐等領域必要耐高温的電渦流傳感器耐受性必須很高，據悉英國真尚有集團電渦流傳感器設計工程師成功研發出了能夠耐受上千攝氏度的此類傳感器。電渦流傳感器的靈敏度受温度的影響，在軸振測量中安裝使用電渦流傳感器應儘量遠離汽封，只有特製的耐高温傳感器如高低温電渦流傳感器才能用於安裝汽封附近。

電渦流傳感器安裝在固定支架上，因此支架的好壞直接決定測量的效果，這就要求支架應有足夠的剛度以提高自振頻率，避免或減小被測體振動時支架也同時受激自振，資料表明，支架的自振頻率至少應為機械旋轉速度的10倍，支架應與被測表面切線方向平行，傳感器垂直安裝在支架上，雖然探頭的中心線在垂直方向偏15°角時對系統特性沒有影響，但最好還是保證傳感器與被測面垂直。

各種型號電渦流傳感器，都在一定的間隙電壓值下，它的讀數才有較好的線性度，所以在安裝傳感器時必須調整好合適的初始間隙，對每一套產品都會進行特性試驗，繪出相應的特性曲線，工程技術人員在使用傳感器的時候必須仔細研究配套的校驗證書，認真分析特性曲線，以確定傳感器是否滿足所要測量的間隙，一般傳感器直徑越大所測量間隙也越大 ^[1]  。