电涡流传感器原理讲解

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1、第六章 机械量测量仪表 主要内容 n6.1 概述 n6.2 电涡流式传感器 n6.3 电容式位移检测方法 n6.4 转速检测 n6.5 振动检测 n6.6 电感式传感器的典型应用 6.1 概述 机械量通常包括各种几何量和力学量，如 长度、位移、厚度、转矩、转速、 振动和力 等。本章主要讨论机组控制中常用的位移、振 动和转速三种机械量的测量方法及测量仪表。 机械量测量仪表一般由传感器、测量电路 、显示(或记录)器和电源组成, 如图6-1所示 。 图6-1 机械量测量仪表框图 测量电路包括变换、放大等，把传感器的 输出信号转换成电信号；显示单元以模拟形式 、数字形式，或以图像形式给出被测量的数值

2、。 机械量测量仪表可按测量对象和测量原理 分类。按测量对象可分为位移测量仪表、厚度 测量仪表、转矩测量仪表等。按测量原理位移 测量仪表可分为电容式、电感式、光电式、超 声波式、射线式等。 表表6-1 6-1 各种机械量检测参数可采用的测量原理各种机械量检测参数可采用的测量原理 这里讨论的是过程控制中大型转动设备( 如汽轮机、压缩机等)轴的位移。汽轮机在启 停和运行中，如果转子轴推力轴瓦已烧坏，则 转子就要发生前后窜动，因而引起转子轴的轴 向位移增大，使汽轮机内部动、静部件间发生 摩擦和碰撞，导致大批叶片折断，隔板和叶轮 碎裂，造成严重事故。因此，一般汽轮机都设 置了轴向位移的监测和保护装置，电

3、涡流传感 器的检测探头与转子轴端面保持一定的初始距 离。当汽轮机转子轴产生 轴向位移时，传感器的输出电压与轴向位移成 比例。当位移值超过规定的允许值时，传感器 的输出电压可控制报警电路发出报警信号。 本章重点介绍广泛应用于大型转动设备( 如汽轮机、压缩机等)轴位移、轴振动测量仪 表“电涡流式传感器” 返回返回 6.2 电涡流式传感器 电涡流式传感器属于电感式传感器的一种 ，是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系 数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理 现象来实现测量的。 6.2.1 原理与特性 如下图6-2所示，一个扁平线圈置于金属 导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈 周围就产生一个

4、交变磁场H1。置于这一磁场中 的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生 一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部 分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。 图6-2 电涡流传感器原理图 一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率 、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励 电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。 如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余 参恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单 值函数。如其他参数不变，阻抗的变化就可以 反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化。 在电感式位移检测方法中最常见的是涡流式 电感位移检测器，如图6-3所示是电涡流式传感 器检测探头，探头端部装有高度密

5、封的、发射 高频信号的线圈。由于被测物体的端部（一般 为转动机器的轴）距离线圈很近，仅有几mm， 线圈通电后产生一个高频磁场，轴的表面在磁 场的作用下产生涡流电流。同样，涡流电流也 会产生磁场，其场强大小与距离有关，该场强 抵消由线圈产生的 磁场强度，影响检测线圈的等效阻抗，而等效阻抗磁场强度，影响检测线圈的等效阻抗，而等效阻抗 与线圈电感量有关，因此就测得位移量。与线圈电感量有关，因此就测得位移量。 图6-3 涡流检测探头 6.2.2 高频反射式电涡流传感器 这种传感器的结构很简单，主要由一个固 定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在 框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。图 6-4为某种

6、型号的高频反射式电涡流传感器。 图6-4 高频反射式电涡流传感器 电涡流传感器的线圈与被测金属导体间 是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合 程度的变化来进行测量的。因此，被测物体 的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的 测量装置特性有关。一般来说，被测物的电 导率越高，传感器的灵敏度也越高。 为了充分有效地利用电涡流效应，当被 测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线 圈直径的3.5倍以上，否则灵敏度要降低。 6.2.3 电涡流式传感器测量电路 6.2.3.1 电桥电路 图图6-5 6-5 电桥法测量电路原理图电桥法测量电路原理图 电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为 电压或电流的变化。图6-

7、5是电桥法的电原理 图，图中线圈A和B为传感器线圈。传感器线 圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电 桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的 阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不 平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可 得到与被测量成正比的输出。电桥法主要用 于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。 6.2.3.2 谐振法 n这种方法是将传感器线圈的等效电感的变化转 换为电压或电流的变化。传感器线圈与电容并 联组成LC并联谐振回路。 n并联谐振回路的谐振频率为: （6-1） 且谐振时回路的等效阻抗最大，等于 式中，R为回路的等效损耗电阻。 当电感L发生变化时，回路的等效阻抗和 谐振频率都将随L的

8、变化而变化，因此可以利 用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的 方法间接测出传感器的被测值。 （6-2） 调频式测量电路的原理是被测量变化引起 传感器线圈电感的变化，而电感的变化导致振 荡频率发生变化，频率变化间接反映了被测量 的变化。见图6-7电涡流式传感器外形图。 图6-7 ST-1电涡流式传感器外形图 6.2.4 电涡流式传感器使用注意事项 被测物体的表面要光滑、平坦。非钢材被 测体和小于三倍传感器直径的被测表面影响传 感器输出特性。传感器出厂时使用45#钢标定 ，被测对象不符合规定时应重新标定（型号不 同的钢材灵敏度误差小于10%）。应当保持传 感器探头周围有足够的空间，在3倍探头直

9、径 范围内，不应由金属体，传感器安装应远离转 动体台阶面，这样可避免周围金属结构的干扰 ，准确测量振动值。传感器可在有酸碱腐蚀的 环境中使用。 见图6-8安装两个邻近传感器时应保证传 感头之间有足够的距离以防止交叉失真（如图 a），一般应保留40mm的间隙。在径向轴承附 近安装传感器时（如图b），传感器中心线与 轴承座表面的距离应大于三倍传感头直径，同 时避免把传感器安装在不显示任何振动的结点 上（如图c）。 （a） （b） （c） 图6-8 电涡流式传感器安装图 在安装传感器之前，保证螺纹孔中不能 有异物，且螺纹良好。当把传感头拧入机架固 定时，传感器引线应随传感头自由旋转，不应 有扭力；传

10、感器的托架应选择钢材等坚固件， 且其共振频率应大于10倍的被测体转速。 安 装中的接地问题（如图6-9所示） 图6-9 电涡流式传感器接地安装图 返回返回 6.3 电容式位移检测方法 平行极板电容器的电容为 式中，C为电容量；为极板介质的介电常 数；S为极板面积；d为极板J间距离。在介电常 数和S一定的情况下，极板距离与电容量成反 比。因此可将一块极板固定，另一块极板与被 测物体相连，那么被测物体的位移使得极板距 离变化， （6-4） 从而使电容量变化。为了提高检测元件的灵敏度从而使电容量变化。为了提高检测元件的灵敏度 ，常采用差动电容式位移检测结构，在两个固定，常采用差动电容式位移检测结构，

11、在两个固定 极板之间设置可动极板，使固定极板对中间可动极板之间设置可动极板，使固定极板对中间可动 极板成对称结构极板成对称结构, ,构成两个大小相同的电容。可构成两个大小相同的电容。可 动极板装在被测物体上。当被测物体位移动极板装在被测物体上。当被测物体位移x x后，后， 一个电容量增加，另一个电容量减小，将差动电一个电容量增加，另一个电容量减小，将差动电 容接入一个变压器电桥电路，所示，就可以得到容接入一个变压器电桥电路，所示，就可以得到 与被测位移成比例的电压输出信号。与被测位移成比例的电压输出信号。 返回返回 6.4 转速检测 在发动机、压缩机、透平机和泵等转动 设备中，转速是表征设备运

12、行好坏的重要变量 , 特别是转动设备的临界速度，它是系统的振 动频率与转动设备固有频率发生共振的速度。 检测转速的方法通常是将转速转换为位移，或 者将转速转换为脉冲信号。 6.4.1 离心式转速表 其工作原理基于与回转轴偏置的重锤在回 转时产生的离心力Q与回转轴的角速度的平 方成正比，即 式中，m为重锤的质量；r为重锤至被测轴 的垂直距离。图6-11是其测量原理图。 (6-5) 图6-11 离心式转速表原理图 当转动轴以的角速度转动时，重锤产生 离心力Q，转速越大离心力越大，压迫弹簧使它 缩短，因而弹簧被压缩的位移与转速成正比。 测出弹簧位移就得知转速。离心式转速表是机 械式的，惯性较大，测量

13、精度受到一定限制， 但体积小且携带方便，不需要能源，因此应用 比较广泛。（动画） 6.4.2 光电式转速传感器 光电式转速传感器工作在脉冲状态下，它 将轴的转速变换成相应频率的脉冲，然后测出 脉冲频率就测得转速。图6-12所示的是一种直 射式光电转速传感器的结构原理。 图6-12 直射式光电转速传感器的结构原理 从光源发出的光通过开孔盘和缝隙照射到 光敏元件上，使光敏元件感光。开孔盘装在转 动轴上随转轴一起转动，盘上有一定数量的小 孔。当开孔盘转动一周，光敏元件感光的次数 与盘的开孔数相等，因此产生相应数量的电脉 冲信号。但是因受到开孔盘尺寸的限制，开孔 数不能太大，所以对传感器的结构进行改进

14、， 如图6-13所示。 6-13 传感器 指示盘与旋转盘具有相同间距的缝隙，当旋转指示盘与旋转盘具有相同间距的缝隙，当旋转 盘转动时，转过一条缝隙，光线就产生一次明暗变盘转动时，转过一条缝隙，光线就产生一次明暗变 化,使光敏元件感光一次。用这种结构可以大 大增加转盘上的缝隙数，因此每转的脉冲数相 应增加。将脉冲数通过测量电路处理，最终输 出与转速对应的电信号。与离心式转速表相比 ，光电式转速传感器测量精度高，其输出信号 可供计算机使用。 返回返回 6.5 振动检测 旋转机械运行时，必须监视转轴的振幅、 轴的不平衡引起的径向移动，这些都与振动有 关。检测位移、速度的原理都可用于检测振动 。目前振

15、动检测仪表有机械式、电阻应变片式 、压电式、磁电式、电容式、涡流式等。其中 涡流式测振方法应用最普遍。 在测振动时经常在轴的径向按水平和垂直 位置装有多个涡流检测探头组成一个测振系统 ，其 结构如图6-14所示 。检测各自部位、 方向的位移量。将 各个探头测得的信 息综合处理后，就 可得到所需的振动 信息，如振幅、振 动方向、振动频率 等，从而判断出旋 转机械运行是否正 常。 图6-14 测振系统示意图 返回返回 6.6 电感式传感器的典型应用 电感式传感器主要用于测量微位移，凡是 能转换成位移量变化的参数，如压力、力、压 差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位 等都可以用电感式传感器来进行测量。 6.6.1 位移测量 （1） induNCDT系列位移传感器 图6-15是induNCDT系列位移传感器的外形图 ，它主要用于位移，振动，转速测量。传感器 的前置放大器被集成安装在传感器壳体里，其 输出信号与测量位移成正比。在传感器测量量 程内线性精度优于2%。 图6-15 induNCDT系列位移传感器的外形图 （2） AP035系列差动变压器式位移传感器 AP035 差动变压器式位移传感器是由差动 差动变压器和基本电路组成。它可对生产过程 中位移