電渦流位移感測器

電渦流感測器能靜態和動態地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面距離。它是一種非接觸的線性化計量工具。電渦流感測器能準確測量被測體（必須是金屬導體）與探頭端面之間靜態和動態的相對位移變化。在高速旋轉機械和往復式運動機械狀態分析，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。電渦流感測器以其長期工作可靠性好、測量範圍寬、靈敏度高、解析度高等優點，在大型旋轉機械狀態的線上監測與故障診斷中得到廣泛套用。

基本介紹

• 中文名：電渦流感測器
• 核心：轉軸
• 理論：轉子動力學、軸承學
• 特點：能直接非接觸測量轉軸的狀態

簡介

感測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 著重要角色。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。市面上的感測器多種多樣，琳琅滿目，可供我們選擇的有很多。電渦流感測器等眾多高性能感測器，被大量套用在各行各業。特別是工具機行業，以及汽車製造等行業更是套用廣泛，是國內外公認的具有發展前途的高技術產業。

基本原理

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，而電渦流感測器，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。

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，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。而根據電渦流效應製成的感測器稱為電渦流式感測器。

電渦流位移感測器系統中的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)函式來表示。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的單值函式，雖然它整個函式是一非線性的，其函式特徵為“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，電渦流位移感測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。

按照電渦流在導體內的貫穿情況，感測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說仍是相似的。

其工作過程是：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，電渦流感測器工作系統中被測體可看作感測器系統的一半，即一個電渦流位移感測器的性能與被測體有關。

系列介紹

原理介紹

電渦流感測器的原理是，通過電渦流效應的原理，準確測量被測體(必須是金屬導體)與探頭端面的相對位置，其特點是長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量、回響速度快、不受油水等介質的影響，常被用於對大型旋轉機械的軸位移、軸振動、軸轉速等參數進行長期實時監測，可以分析出設備的工作狀況和故障原因，有效地對設備進行保護及預維修。

典型套用

電渦流感測器系統以其獨特的優點，廣泛套用於電力、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、鑒相器、軸轉速、脹差、偏心、油膜厚度等進行線上測量和安全保護，以及轉子動力學研究和零件尺寸檢驗等方面。圖1-1列舉了上海航振儀器儀表有限公司的電渦流感測器的一些典型套用示意。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。

圖1-1

產品系列

HZ891XL電渦流位移感測器

HZ891電渦流位移感測器

HZ891YT系列一體化電渦流位移感測器

特殊定製系列

系列號	形式	量程	工作溫度	前置器安裝方式
HZ891XL	分體 (探頭+前置器)	0-25mm(可擴量程)	-50℃～ +175°C	底板安裝和導軌安裝
HZ898	分體 (探頭+前置器)	0-25mm(可擴量程)	-50℃～ +175°C	底板安裝
HZ891YT	一體化 (前置器電路集成在探頭殼體內)	0-25mm(可擴量程)	-25℃～+85℃	無前置器
特殊定製系列	分體、一體化均可	可定製	根據產品結構適用工作溫度不同	/	/

技術指標

1、線性量程、線性範圍、線性中點、非線性誤差、最小被測面

探頭直徑	線性量程; (mm)	線性範圍; (mm)	線性中點; (mm)	非線性誤差	最小被測面(mm)
φ5	1	0.25～1.25	0.75	±1%	φ15
φ8	2	0.50～2.50	1.5	±1%	φ20
φ11	4	1.0～5.0	3.0	±1%	φ30
φ25	12	1.5～13.5	7.5	±1.5%	φ50
φ50	25	2.5～27.5	15	±2%	φ100

※ 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）

探頭直徑 輸出	φ5	φ8	φ11	φ25	φ50
負電壓	8V/mm	8V/mm	4V/mm	0.8V/mm	0.4V/mm
4～20mA	16mA/mm	8mA/mm	4mA/mm	1.33mA/mm	0.64mA/mm

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、工作溫度

探頭：工作溫度-50～ +175°C 溫漂≤0.05%/°C
前置器：工作溫度-50～ +120°C 溫漂≤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

探頭直徑	量程	頭部長度
φ5 0 5	1mm	5mm
φ8 0 8	2mm	5mm
φ11 1 1	4mm	11mm
φ25 2 5	12mm	23mm
φ50 5 0	25mm	37mm

B、螺紋規格選擇

探頭直徑	公制螺紋	英制螺紋
φ5	M8×1	1/4-28
φ8	M10×1	3/8-24
φ11	M14×1.5	1/2-20
φ25	M30×2	1.25-12
φ50	M14×1.5	1/2-20

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。

鎧裝選擇

“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。

選型示例

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系列電渦流感測器，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系列一體化電渦流感測器，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。

安裝要求

軸徑向振動

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感測器探頭，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，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。

軸的軸向位移

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，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

鍵相測量就是通過在被測軸上設定一個凹槽或凸鍵，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，感測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，產生的時刻表明了軸在每轉周期中的位置。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峰峰值不小於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，以防當軸產生軸向竄動時，探頭還能對著凹槽或凸鍵。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脫離，感測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感測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，安裝探頭要對著軸的完整部分調整初始安裝間隙（安裝在感測器的線性中點為宜），而不是對著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著凸起的頂部表面調整初始安裝間隙（安裝在感測器的線性中點為宜），不是對著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。

影響

被測體材料對感測器的影響

感測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，即感測器的靈敏度降低。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，相對來說渦流效應要強，因此感測器感應靈敏度要高。

被測體表面平整度對感測器的影響

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。

被測體表面磁效應對感測器的影響

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感測器特性。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。

被測體表面鍍層對感測器的影響

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

被測體表面尺寸對感測器的影響

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，否則感測器的靈敏度會下降，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，使感測器靈敏度下降，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。

套用

電渦流感測器系統廣泛套用於電力、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線上測量和保護。

脹差測量

斜坡式脹差測量

補償式脹差測量

雙斜面脹差測量

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

相對振動測量

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。電渦流感測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。電渦流感測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，電渦流感測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

●臨時溫升導致的彎曲

●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，在啟動或停機過程中，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，以及載入荷的大小。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，方位角可以說明轉子是否穩定。

（3）脹差測量

對於汽輪發電機組來說，在其啟動和停機時，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。

轉速測量

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感測器可選：電渦流轉速感測器、無源磁電轉速感測器、有源磁電轉速感測器等。具有需要選擇那類感測器，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。

無源磁電式感測器是針對測齒輪而設計的發電型感測器（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。

有源磁電式感測器採用了電源供電，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。

而電渦流感測器測量轉速的優越性是其它任何感測器測量沒法比的，它既能回響零轉速，也能回響高轉速。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。電渦流感測器測轉速，通常選用φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm的探頭。轉速測量頻響為0～10KHZ。電渦流感測器測轉速，感測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感測器有一體化和分體兩種。一體化電渦流轉速感測器取消前置器放大器、安裝方便、適用於工作溫度在–20℃～100℃的環境下,帶前置器放大器的電渦流感測器適合在–50℃～250℃的工作環境中。

動態監控

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，當信號變形時意味著發生了故障，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。

故障處理

振動與位移的準確測量對於穩定運行至關重要，一般振動和位移探頭都是成對安裝的，如果其中一個不正常，若該點處的溫度以及其他相關工藝指標都無異常時，就可以判斷這個報警是假的，經過多年的經驗電渦流感測器設計工程師提出能夠引起誤報警的主要的幾個方面的原因。

探頭安裝質量因素

探頭安裝質量因素引起的故障誤報警，引起誤報警的原因有探頭鎖緊螺帽鬆動，延伸，電纜中間接頭鬆動或接觸不良前置器連線接頭滑扣或鬆動等。

處理方法：在安裝探頭時，用合適的工具用力上緊螺帽，螺帽鬆動情況在運行中基本不會出現，但由於系統的多次拆裝和長期運行，中間轉接接頭鬆動，或接觸不良在運行中可能會出現，這就需要在每次，檢修中將接頭處的油污雜質清除乾淨，並做好接頭處的絕緣密封工作，為了確保中間接頭擰緊，可以在用手擰緊後，再用尖嘴鉗緊固圈即可。

測量線路引起的故障誤報警

測量線路引起的故障誤報警常見的原因有前置放大器接線端子鬆動或接觸不良，處接線端子鬆動或接觸不良，探頭延伸，電纜破皮，線路禁止線接地等。

處理方法：這類故障不容易判斷，生產運行期間也不便於徹底檢查，如果查出問題之後，處理方法就對於接線端子鬆動或接觸不良引起的誤報警可以在解除該點聯鎖後進行處理，對於電纜破皮，可以在破皮處纏繞耐油密封膠帶或用熱縮管進行收縮包裹，若線路禁止線接地則需要重新接線，採取防接地措施前置器處的個壓接端子在多次壓接之後，很容易出現損壞，無法壓緊線纜，由於前置器整體構造的特點，端子損壞後很難修復，必須更換新的前置器，這樣造成了很大的浪費，建議在前置器與之間再增加一接線端子排，這樣前置器處的壓接端子只需一次將線接好，以後檢查線路就在新增加的端子排處進行。

探頭故障引起的誤報警

此類故障在機組運行期間無法處理，必須進行停機處理，探頭在設備搬運和拆卸過程中，可能會因碰撞，和磨損而損壞端部的測量線圈，所以在每次安裝之前，要進行檢查校驗，首先進行外觀的檢查，外觀無用萬用表測量其直流阻抗，若在明顯缺陷的情況下，規定範圍內則說明探頭完好，若外觀有明顯缺陷，如端部有磨損現象，電纜皮破損較大等，在處理破損後，除測量阻抗外，還需要用專用的感測器標準校驗，進行校驗，校驗結果合格後，方可使用儀此探頭，不論何種故障，在機組運行期間，現場檢查只能進行以下內容，在解除聯鎖的前提下，檢查接線是否正常，前置器的接線端子有無鬆動，前置器供電電壓是否正常，若探頭中間轉接頭在機組殼，體外保護管內，可以檢查中間轉接頭有無鬆動，絕緣是否良好，若想做更進一步檢查，就必須進行停機處理。