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一文搞定电涡流传感器

传感器多种多样,玲琅满目,可供我们选择的有很多。电感涡流传感器等众多高性能传感器,被大量应用在各行各业。特别是机床行业,以及汽车制造等行业更是应用广泛,是国内外公认的具有发展前途的高技术产业。


电涡流传感器工作原理

 

电涡流效应

   

电涡流传感器是根据电涡流效应进行工作的,即利用金属导体置于变化的磁场中,产生感应电流,从而在金属体内形成自行闭合的电涡流线,这种现象称为电涡流效应。


电涡流传感器结构及特性


传感元件:电涡流探头


电涡流探头是一个固定在框架上的扁平线圈,激励源频率较高(数十千赫至数兆赫)。


传感器探头里有小型线圈,由控制器控制产生震荡电磁场,当接近被测体时,被测体表面会产生感应电流,而产生反向的电磁场。这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测体之间的距离。注意:电涡流传感器要求被测体必须是导体。



电涡流位移传感器测量技术的历史

 

*先发现电涡流现象的是François Arago (1786–1853),第25任法国总统,数学家,物理学家和天文学家。1824年,他率先发现并命名旋转磁场,以及绝大多数导体均可以被磁化。他的发现后来被Michael Faraday (1791–1867) 整理和*终完善。


1834年,Heinrich Lenz发布了楞次定律,感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。


法国物理学家Léon Foucault (1819–1868)于1855年发现,在磁场两级中间,旋转铜制圆盘所需要的力更大,于此同时,铜制圆盘受内部感生电涡流的作用而发热。


1879年David E. Hughes率先采用涡流技术进行了非接触测量,用于分拣金属被测物。


1980年,德国米铱公司率先将电涡流位移传感器用于工业生产环节检测


1988年,德国米铱公司发布了全球*小尺寸电涡流位移传感器,使得在安装空间受限的情况下,也可以采用电涡流原理获得精准的测量数据。


电涡流传感器的优点

 

1、涡流传感器是一种非接触的线性化计量工具,能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。电涡流传感器在测量过程中测量准确性会受到一定的影响。


2、传感器特性与被测体的电导率时,由于涡流效应和磁效应同时存在,磁效应反作用于涡流效应,使得涡流效应减弱,即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料(如铜,铝,合金钢等)时,由于磁效应弱,相对来说涡流效应要强,因此传感器感应灵敏度要高。


3、不规则的被测体表面,会给实际的测量带来附加误差,因此对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。一般要求,对于振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4um~0.8um之间;对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4um~1.6um之间。


4、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,以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。在进行振动测量时,如果被测体表面残磁效应过大,会出现测量波形发生畸变。


电涡流传感器的分类

 

按照电涡流在导体内的贯穿情况,此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类,但从基本工作原理上来说仍是相似的。

高频反射式电涡流传感器



高频(>lMHz)激励电流,产生的高频磁场作用于金属板的表面,由于集肤效应,在金属板表面将形成涡电流。与此同时,该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈,引起线圈自感L或阻抗ZL的变化,其变化与距离、金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i,及角频率ω等有关,若只改变距离δ而保持其他系数不变,则可将位移的变化转换为线圈自感的变化,通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

低频透射式电涡流传感器



低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。发射线圈W1和接收线圈W2分别放在被测材料G的上下,低频电压e1加到线圈W1的两端后,在周围空间产生一交变磁场,并在被测材料G中产生涡流i,此涡流损耗了部分能量,使贯穿W2的磁力线减少,从而使W2产生的感应电势e2减小。e2的大小与G的厚度及材料性质有关,实验证明,e2随材料厚度h增加按负指数规律减小。因而按e2的变化便可测得材料的厚度。

 

电涡流式传感器的测量电路

 

利用电涡流式变换元件进行测量时,为了得到较强的电涡流效应,通常激磁线圈工作在较高频率下,所以信号转换电路主要有调幅电路和调频电路两种。


调幅式(AM)电路



当电涡流线圈与被测体的距离x改变时,电涡流线圈的电感量L也随之改变,引起LC振荡器的输出频率变化,此频率可直接用计算机测量。


电涡流传感器的应用

 

电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。


1、在工业设备上的应用


我国硬币的种类繁多,这给硬币的防伪、识别带来相当大的难度,硬币识别的主要技术问题是硬币的检测方法,核心是检测传感器性能的优劣。



轴向位移测量


对于许多旋转机械,包括蒸汽轮机、燃汽轮机、水轮机、离心式和轴流式压缩机、离心泵等,轴向位移是一个十分重要的信号,过大的轴向位移将会引起过大的机构损坏。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位移变化,用以防止机器的破坏。


轴向位移是指机器内部转子沿轴心方向,相对于止推轴承二者之间的间隙而言。有些机械故障,也可通过轴向位移的探测,进行判别:1、止推轴承的磨损与失效;2、平衡活塞的磨损与失效;3、止推法兰的松动;4、 联轴节的锁住等。


轴向位移(轴向间隙)的测量,经常与轴向振动弄混。轴向振动是指传感器探头表面与被测体,沿轴向之间距离的快速变动,这是一种轴的振动,用峰峰值表示。它与平均间隙无关。有些故障可以导致轴向振动。例如压缩机的踹振和不对中即是。


振动测量


测量径向振动,可以由它看到轴承的工作状态,还可以看到转子的不平衡,不对中等机械故障。可以提供对于下列关键或基础机械进行机械状态监测所需要的信息:1、工业透平,蒸汽/燃汽;2、压缩机,空气/特殊用途气体,径向/轴向;3、膨胀机;4、动力发电透平,蒸汽/燃汽/水利;5、电动马达、发电机 ;6、励磁机;7、齿轮箱;8、泵;9、风扇、风机;10、往复式机械。


振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。可为如下各种机械故障的早期判别提供了重要信息:


1、轴的同步振动,油膜失稳;

2、转子摩擦,部件松动;

3、轴承套筒松动,压缩机踹振;

4、滚动部件轴承失效,径向预载,内部/外部包括不对中;

5、轴承巴氏合金磨损,轴承间隙过大,径向/轴向;

6、平衡(阻气)活塞磨损/失效 ,联轴器“锁死”;

7、轴弯曲,轴裂纹;

8、电动马达空气间隙不匀,齿轮咬合问题;

9、透平叶片通道共振,叶轮通过现象。


偏心测量


偏心是在低转速的情况下,电涡流传感器系统可以对轴弯曲程度的测量,这种弯曲可由下列情况引起:


1、原有的机械弯曲 ·临时温升导致的弯曲 ·在静止状态下,必然有些向下弯曲,有时也叫重力弯曲,外力造成的弯曲。


2、偏心的测量,对于评价旋转机械全 面的机械状态,是非常重要的。特别是对于装有透平监测仪表系统(TSI)的汽轮机,在启动或停机过程中,偏心测量已成为不可少的测量项目。它使你能看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。转子的偏心位置,也叫轴的径向位置,它经常用来指示轴承的磨损,以及加载荷的大小。如由不对中导致的那种情况,它同时也用来决定轴的方位角,方位角可以说明转子是否稳定。


胀差测量


对于汽轮发电机组来说,在其启动和停机时,由于金属材料的不同,热膨胀系数的不同,以及散热的不同,轴的热膨胀可能超过壳体膨胀;有可能导致透平机的旋转部件和静止部件(如机壳、喷嘴、台座等)的相互接触,导致机器的破坏。因此胀差的测量是非常重要的。


转速测量


对于所有旋转机械而言,都需要监测旋转机械轴的转速,转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。而电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的,它既能响应零转速,也能响应高转速,抗干扰性能也非常强。


旋转测量通常有以下几种传感器可选:电涡流转速传感器、无源磁电转速传感器、有源磁电转速传感器等。具有需要选择那类传感器,则要根据转速测量的要求转速等,(转速发生装置有以下几种:用标准的渐开的线齿数(M1~M5)作转速发生信号,在转轴上开一键槽、在转轴在转轴上开孔眼、在轴转上凸键等转速发生信号装置。


滚动轴承、电机换向器整流片动态监控


对使用滚动轴承的机器预测性维修很重要。探头安装在轴承外壳中,以便观察轴承外环。由于滚动元件在轴承旋转时,滚动元件与轴承有缺陷的地方相碰撞时,外环会产生微小变形。监测系统可以监测到这种变形信号,当信号变形时意味着发生了故障,如滚动元件的裂纹缺陷或者轴承环的缺陷等,还可以测量轴承内环运行状态,经过运算可以测量轴承打滑度。


2、电涡流传感器在硬币识别系统中的应用


随着自动投币机的广泛使用,社会上一些不法分子该意地研究现有硬币的形态、材质,并依此制造出能以假乱真的伪币,这些伪币流入市场后导致了自动投币机不能正常工作,给相关部门造成经济损失。


硬币识别系统的原理框图如图所示,其基本工作过程为:当硬币通过电涡流传感器时会在其中产生相应的电涡流,信号调理与检测电路通过适当变换,将电涡流信息转换成相应的数字量供单片机进行实时分析处理。单片机的处理结果用于控制硬币计数控制电路及声光报警电路的工作,完成对硬币的识别任务。

由电涡流传感器为检测元件构成的硬币识别系统,是针对我国目前发行的1元硬币的金属原材料专门设计的。


当硬币通过投币入口进入投币机的路径时,电涡流传感器是利用磁路中磁阻变化,并在置于其中的导体内产生电流,这种电流的流线在金属导体内是闭合的(所以叫做涡流,或称电涡流)。


此电流还会产生一个交变磁场来阻碍外磁场的变化。从其能量角度来看,因为在被测导体内存在电涡流损耗也会产生电磁效应,因此它既会产生焦耳热,又要产生磁滞损耗,造成交变磁场能量的损失。这些能量的损耗会使传感器的等效电抗、等效电感和品质因数值发生变化。


假如使得传感器与被测导体间的距离保持不变,则传感器的输出参数将与被测导体材料的电导率、磁导率成函数关系。当线圈与金属导体之间的距离固定,传感器输出信号的频率只与磁场中的金属导体材料的固有性质有关,即信号频率受线圈电感的影响。


当硬币靠近线圈时,电感将发生变化,则正弦波频率也必将发生相应的变化。因此信号频率的变化反映了硬币的材质特征,所以可以通过测量传感器信号的频率来获得分辨真假、币值的依据。利用这个关系可以用来测量金属材料的电导率、磁导率等参数。


这些参数与导体的材质、几何形状等因数有着一定的关系。找出不同金属材质和体积对系统磁场信息的影响大小而产生的微弱差异,经信号调理电路将这些信号进行处理,之后通过单片微型计算机对所采集数据的智能分析,就能完成对金属硬币的识别。


3、电涡流传感器在其它领域中的应用


电磁炉



电磁炉是我们日常生活中必备的家用电器之一,涡流传感器是其核心器件之一,高频电流通过励磁线圈,产生交变磁场;在铁质锅底会产生无数的电涡流,使锅底自行发热,烧开锅内的食物。


电涡流探雷器



电涡流式接近开关


接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离(几毫米至几十毫米)内检测有无物体靠近。




当物体接近到设定距离时,就可发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”,它对正在接近的物体有很高的感辨能力。这种接近开关只能检测金属。