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上海航振儀器儀表有限公司


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技術(shù)文章

電渦流傳感器的應(yīng)用

閱讀：2291發(fā)布時間：2013-11-1

　　電渦流傳感器的應(yīng)用
　　
　　目錄
　　
　　前言2
　　
　　*章綜述2
　　
　　*節(jié)系統(tǒng)簡介2
　　
　　為何采用電渦流位移傳感器2
　　
　　系統(tǒng)組成2
　　
　　與美國本特利（BN）公司產(chǎn)品兼容2
　　
　　第二節(jié)系統(tǒng)的工作原理2
　　
　　第三節(jié)產(chǎn)品說明2
　　
　　探頭2
　　
　　延伸電纜2
　　
　　前置器2
　　
　　產(chǎn)品出廠標(biāo)記2
　　
　　標(biāo)準(zhǔn)配套附件2
　　
　　相關(guān)資料2
　　
　　第四節(jié)被測體尺寸與材料的影響2
　　
　　被測體尺寸的影響2
　　
　　被測體表面加工狀況的影響2
　　
　　被測體材料的影響2
　　
　　被測體表面殘磁效應(yīng)的影響2
　　
　　被測體表面鍍層的影響2
　　
　　第二章使用說明2
　　
　　*節(jié)驗收與保存2
　　
　　出廠包裝2
　　
　　到貨驗收2
　　
　　貯存2
　　
　　第二節(jié)傳感器的典型應(yīng)用2
　　
　　軸的徑向振動測量2
　　
　　軸向位移測量2
　　
　　鑒相器測量2
　　
　　轉(zhuǎn)速測量2
　　
　　第三節(jié)探頭的安裝2
　　
　　安裝探頭時，您應(yīng)注意以下幾個問題：2
　　
　　各探頭間的距離2
　　
　　探頭頭部與安裝面的距離2
　　
　　探頭安裝支架選擇2
　　
　　探頭安裝間隙2
　　
　　探頭所帶電纜的安裝2
　　
　　電纜接頭的密封與絕緣2
　　
　　探頭的抗腐蝕性2
　　
　　探頭的高壓環(huán)境2
　　
　　探頭安裝的一般步驟2
　　
　　第四節(jié)延伸電纜的安裝2
　　
　　延伸電纜轉(zhuǎn)接頭的密封與絕緣2
　　
　　鋪設(shè)延伸電纜管道2
　　
　　延伸電纜安裝的一般步驟2
　　
　　第五節(jié)前置器的安裝2
　　
　　第六節(jié)系統(tǒng)連接2
　　
　　第三章校準(zhǔn)與維修2
　　
　　*節(jié)校準(zhǔn)2
　　
　　什么情況下應(yīng)該對傳感器進(jìn)行重新校準(zhǔn)？2
　　
　　校準(zhǔn)裝置與設(shè)備2
　　
　　校準(zhǔn)步驟2
　　
　　第二節(jié)故障維修2
　　
　　初步檢查步驟2
　　
　　附錄A型號命名與選型說明2
　　
　　*節(jié)探頭型號、規(guī)格2
　　
　　第二節(jié)前置器型號、規(guī)格2
　　
　　第三節(jié)延伸電纜型號、規(guī)格2
　　
　　附錄B技術(shù)規(guī)范2
　　
　　*節(jié)技術(shù)要求2
　　
　　傳感器安全可靠性能2
　　
　　技術(shù)指標(biāo)2
　　
　　系統(tǒng)指標(biāo)2
　　
　　探頭指標(biāo)2
　　
　　前置器指標(biāo)2
　　
　　延伸電纜指標(biāo)2
　　
　　外觀2
　　
　　第二節(jié)技術(shù)指標(biāo)測試方法2
　　
　　測試設(shè)備2
　　
　　除有特殊要求外均按下列環(huán)境要求作試驗2
　　
　　傳感器測試2
　　
　　前言
　　
　　本手冊適用于對電子儀表以及對設(shè)備監(jiān)測有實踐經(jīng)驗的工程技術(shù)人員。您可以通過本手冊，了解由美國普林斯頓科技有限公司提供技術(shù)，上海航振儀器調(diào)試總裝的HZ891XL系列電渦流位移傳感器系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成、產(chǎn)品性能，并獲得傳感器安裝、維修方面的有關(guān)建議。
　　
　　本手冊*章綜合介紹了傳感器的*性能、各部分組成結(jié)構(gòu)以及傳感器系統(tǒng)的基本工作原理和影響傳感器系統(tǒng)工作的一些因素。第二章介紹了對傳感器系統(tǒng)進(jìn)行驗收的一般程序，以及對傳感器系統(tǒng)zui常見的三種使用方式和系統(tǒng)進(jìn)行安裝時應(yīng)注意的問題提出了一些建議。第三章介紹了傳感器系統(tǒng)的重新校準(zhǔn)以及故障檢查和維修的方法。另外附錄A提供了傳感器系統(tǒng)的型號命名和選型說明，附錄B提供了傳感器系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范。
　　
　　本手冊中有關(guān)傳感器的型號規(guī)格的規(guī)定以及傳感器的詳細(xì)技術(shù)規(guī)范是依據(jù)美國石油部標(biāo)準(zhǔn)API670提出的。本手冊提出的一些安裝傳感器系統(tǒng)方面的建議，主要參照API670標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)驗所得，可作您參考之用。
　　
　　若有不詳之處，敬請來電來函。
　　
　　*章綜述
　　
　　*節(jié)系統(tǒng)簡介
　　
　　為何采用電渦流位移傳感器
　　
　　●電渦流位移傳感器可以準(zhǔn)確測量被測體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面的相對位置。
　　
　　●電渦流位移傳感器長期工作可靠性好、靈敏度高、抗*力強(qiáng)、非接觸測量、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響，常被用于對大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長期實時監(jiān)測，可以分析出設(shè)備的工作狀況和故障原因，有效地對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)及進(jìn)行預(yù)測性維修。
　　
　　●從轉(zhuǎn)子動力學(xué)、軸承學(xué)的理論上分析，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運行狀態(tài)主要取決于其核心——轉(zhuǎn)軸，而電渦流位移傳感器能直接測量轉(zhuǎn)軸的各種運行狀態(tài)，測量結(jié)果可靠、可信。過去，對于機(jī)械的振動測量采用加速度傳感器或速度傳感器，通過測量機(jī)殼振動，間接地測量轉(zhuǎn)軸振動，測量結(jié)果的可信度不高。
　　
　　系統(tǒng)組成
　　
　　系統(tǒng)主要包括前置器、延伸電纜（用戶可以根據(jù)需要選擇）、探頭和附件。
　　
　　與美國本特利（BN）公司產(chǎn)品兼容
　　
　　HZ891XL系列電渦流位移傳感器的各項性能指標(biāo)相當(dāng)或接近美國本特利（BN）公司3300、3300XL系列產(chǎn)品水平，可直接替換BN公司3300、3300XL、7200系列產(chǎn)品。
　　
　　第二節(jié)系統(tǒng)的工作原理
　　
　　圖1-2電渦流作用原理圖
　　
　　圖1-3傳感器原理框圖
　　
　　圖1-4傳感器輸出特性曲線
　　
　　傳感器系統(tǒng)的工作機(jī)理是電渦流效應(yīng)。當(dāng)接通傳感器系統(tǒng)電源時，在前置器內(nèi)會產(chǎn)生一個高頻電流信號，該信號通過電纜送到探頭的頭部，在頭部周圍產(chǎn)生交變磁場H1。如果在磁場H1的范圍內(nèi)沒有金屬導(dǎo)體材料接近，則發(fā)射到這一范圍內(nèi)的能量都會全部釋放；反之，如果有金屬導(dǎo)體材料接近探頭頭部，則交變磁場H1將在導(dǎo)體的表面產(chǎn)生電渦流場，該電渦流場也會產(chǎn)生一個方向與H1相反的交變磁場H2。由于H2的反作用，就會改變探頭頭部線圈高頻電流的幅度和相位，即改變了線圈的有效阻抗。這種變化既與電渦流效應(yīng)有關(guān)，又與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)，即與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈幾何參數(shù)、激勵電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離等參數(shù)有關(guān)。假定金屬導(dǎo)體是均質(zhì)的，其性能是線性和各向同性的，則線圈——金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)通?？捎山饘賹?dǎo)體的磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ、尺寸因子r，線圈與金屬導(dǎo)體距離δ，線圈激勵電流強(qiáng)度I和頻率ω等參數(shù)來描述。因此線圈的阻抗可用函數(shù)Z=F（μ,σ,r,I,ω）來表示。
　　
　　如果控制μ、σ、r、δ、I、ω恒定不變，那么阻抗Z就成為距離δ的單值函數(shù)，由麥克斯韋爾公式，可以求得此函數(shù)為一非線性函數(shù)，其曲線為“S”形曲線，在一定范圍內(nèi)可以近似為一線性函數(shù)。
　　
　　在實際應(yīng)用中，通常是將線圈密封在探頭中，線圈阻抗的變化通過封裝在前置器中的電子線路的處理轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。這個電子線路并不是直接測量線圈的阻抗，而是采用并聯(lián)諧振法，見圖1-3，即在前置器中將一個固定電容和探頭線圈Lx并聯(lián)與晶體管T一起構(gòu)成一個振蕩器，振蕩器的振蕩幅度Ux與線圈阻抗成比例，因此振蕩器的振蕩幅度Ux會隨探頭與被測間距δ改變。Ux經(jīng)檢波濾波，放大，非線性修正后輸出電壓Uo，Uo與δ的關(guān)系曲線如圖1-4所示，可以看出該曲線呈“S”形，即在線性區(qū)中點δ0處（對應(yīng)輸出電壓U0）線性，其斜率（即靈敏度）較大，在線性區(qū)兩端，斜率（靈敏度）逐漸下降，線性變差。（δ1，U1）——線性起點，（δ2，U2）——線性末點。
　　
　　第三節(jié)產(chǎn)品說明
　　
　　探頭
　　
　　探頭對正被測體表面，它能地探測出被測體表面相對于探頭端面間隙的變化。通常探頭由線圈、頭部、殼體、高頻電纜、高頻接頭組成，其典型結(jié)構(gòu)見圖1-5所示。
　　
　　圖1-5探頭典型結(jié)構(gòu)
　　
　　線圈是探頭的核心，它是整個傳感器系統(tǒng)的敏感元件，線圈的物理尺寸和電氣參數(shù)決定傳感器系統(tǒng)的線性量程以及探頭的電氣參數(shù)穩(wěn)定性。
　　
　　探頭頭部采用耐高低溫的PPS工程塑料，通過“二次注塑”工藝將線圈密封其中。這項技術(shù)增強(qiáng)了探頭頭部的強(qiáng)度和密封性，在惡劣環(huán)境中可以保護(hù)頭部線圈能可靠工作。頭部直徑取決于其內(nèi)部線圈直徑，由于線圈直徑?jīng)Q定傳感器系統(tǒng)的基本性能——線性量程，因此我們通常用頭部直徑來分類和表征各型號探頭，一般情況傳感器系統(tǒng)的線性量程大致是探頭頭部直徑的1/2～1/4。我們?yōu)镠Z891XL系列設(shè)計了φ5、φ8、φ11、φ25、φ50五種直徑的頭部（見附錄A），也可生產(chǎn)其它規(guī)格的頭部體。
　　
　　探頭殼體用于支撐探頭頭部，并作為探頭安裝時的裝夾結(jié)構(gòu)。殼體采用不銹鋼制成，一般上面刻有標(biāo)準(zhǔn)螺紋，并備有鎖緊螺母。為了能適合不同的應(yīng)用和安裝場合，探頭殼體具有不同的型式和不同的螺紋及尺寸規(guī)格（見附錄A）。
　　
　　高頻電纜是用于聯(lián)接探頭頭部到前置器（有時中間帶有延伸電纜轉(zhuǎn)接），這種電纜是用氟塑料絕緣的射頻同軸電纜，通常電纜長度有0.5m、1m、5m、9m四種選擇（見附錄A），當(dāng)選擇0.5m和1m時必須用延伸電纜以保證系統(tǒng)的總的電纜長度為5m或9m，至于選擇5m還是9m應(yīng)該是考慮能滿足將前置器安裝在設(shè)備機(jī)組的同一側(cè)來決定。根據(jù)探頭的應(yīng)用場合和安裝環(huán)境，探頭所帶電纜可以配有不銹鋼軟管鎧裝（可選擇），以保護(hù)電纜不易被損壞，對于現(xiàn)場安裝探頭電纜無管道布置的情況，應(yīng)該選擇鎧裝。
　　
　　HZ891XL探頭、延伸電纜和前置器都帶有防腐蝕的符合美國軍用規(guī)范MIL-C-39012的鍍金銅接頭。這些接頭只需用手指緊固（接頭會自動“鎖住”），特殊的機(jī)械鎖緊裝置能防止連接松動。接頭在安裝或拆卸時不需要特殊的工具。。
　　
　　探頭整體各部件通過機(jī)械變形聯(lián)接，在惡劣環(huán)境中可以保證探頭的穩(wěn)定性和可靠性。
　　
　　延伸電纜
　　
　　作為系統(tǒng)的一個組成部分，延伸電纜（如圖1-6所示）用來聯(lián)接和延長探頭與前置器之間的距離，您可以對延伸電纜長度和是否需要帶鎧裝進(jìn)行選擇（詳見附錄A），選擇延伸電纜的長度應(yīng)該使延伸電纜長度加探頭電纜長度與配套前置器所要求的長度一致（5m或9m），鎧裝選擇的情況同探頭電纜。
　　
　　圖1-6延伸電纜
　　
　　采用延伸電纜的目的是為了減短探頭所帶電纜長度，對于用螺紋安裝探頭時，需轉(zhuǎn)動探頭，過長的電纜不便使電纜隨探頭轉(zhuǎn)動，容易扭斷電纜，這種情形在探頭安裝部分有進(jìn)一步說明。
　　
　　延伸電纜的兩端接頭不同，帶陽螺紋的接頭（轉(zhuǎn)接頭）與探頭聯(lián)接，帶陰螺紋的接頭與前置器聯(lián)接。
　　
　　前置器
　　
　　前置器是一個電子信號處理器。一方面前置器為探頭線圈提供高頻交流電流；另一方面，前置器感受探頭前面由于金屬導(dǎo)體靠近引起探頭參數(shù)的變化，經(jīng)過前置器的處理，產(chǎn)生隨探頭端面與被測金屬導(dǎo)體間隙線性變化的輸出電壓或電流信號。
　　
　　HZ891XL系列前置器提供兩種安裝方式及兩種輸出方式：
　　
　　前置器及安裝方式如圖1-7所示。
　　
　　●外形尺寸：78mm×61mm×65mm（底板式安裝,與我公司HZ891,BN公司3300系列兼容）;
　　
　　90mm×35mm×70mm（導(dǎo)軌式安裝,與BN公司3300XL系列兼容）。
　　
　　●安裝尺寸：底板安裝，51mm×51mm，采用四個M4×12GB29-76螺栓安裝（產(chǎn)品附件）；
　　
　　導(dǎo)軌安裝，可以方便地安裝在標(biāo)準(zhǔn)35mm導(dǎo)軌上。
　　
　　●電壓輸出：供電電源Ut：-20Vdc～-26Vdc，輸出電壓極限：-0.7V～（Ut+1）V，線性范圍輸出起始電壓：-2V～-18V；
　　
　　供電電源Ut：±12V～±15V，輸出0V～+5V、+1V～+5V、-5V～+5V、0V～+10V、+2V～+10V、-10V～+10V。
　　
　　●電流輸出：供電電源Ut：+18Vdc～+30Vdc，輸出電流：4～20mA。
　　
　　●接線方式：采用SpringLoc端子，有自動緊固的功能，不需要安裝工具即可接線，由于不需要螺栓固定，不會發(fā)生松動，。
　　
　　●前置器外殼是用鋁鑄造而成，為了屏蔽外界干擾，在前置器內(nèi)部已將殼體與信號公共端（信號地）聯(lián)接；安裝底板和導(dǎo)軌卡座均為工程絕緣塑料，這樣可以保證在安裝前置器時，使前置器殼體與大地隔離（即所謂“浮地”）。
　　
　　●將前置器反面的標(biāo)簽撕下，打開蓋板,可以對前置器進(jìn)行校準(zhǔn)（校準(zhǔn)的詳細(xì)介紹見第三章），除非需要進(jìn)行傳感器系統(tǒng)重新校準(zhǔn)或前置器出現(xiàn)故障，一般不要打開蓋板。
　　
　　●
　　
　　圖1-7前置器
　　
　　前置器的實用設(shè)計：
　　
　　●前置器的結(jié)構(gòu)使高頻插座內(nèi)凹，不易損壞高頻插座。
　　
　　●三端SpringLoc端子鑲嵌固定，直接與內(nèi)部電路連接，確保連接可靠性。
　　
　　●前置器的容錯性：電源端、公共端（信號地）、輸出端任意接線錯誤不會損壞前置器，電源極性錯誤保護(hù)，輸出短路保護(hù)。
　　
　　●前置器的核心是電子線路板，除個別校準(zhǔn)用的元件外，其它元件均用環(huán)氧樹脂膠灌封，這樣可以提高前置器的抗振、防潮性能。前置器在出廠校準(zhǔn)后，各校準(zhǔn)元件也用硅膠密封，用戶自行校準(zhǔn)后，也應(yīng)這樣做。關(guān)于校準(zhǔn)的詳細(xì)介紹見第三章。
　　
　　產(chǎn)品出廠標(biāo)記
　　
　　●前置器的型號和編號貼在前置器殼體表面。
　　
　　●探頭及延伸電纜的型號和編號也分別并封在電纜上靠近高頻接頭處的一段透明熱縮套管里。
　　
　　您可以根據(jù)出廠校驗單上所標(biāo)明的各型號和編號，對照產(chǎn)品上的標(biāo)簽，按出廠校準(zhǔn)的情況進(jìn)行系統(tǒng)配套，這樣在出廠后一年內(nèi)使用此傳感器系統(tǒng)時可以不再校準(zhǔn)。但是，一般要求在傳感器使用前都應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)檢查，尤其是當(dāng)使用條件與出廠校準(zhǔn)條件不同時，如被測體材料與出廠校準(zhǔn)單注明校準(zhǔn)材料牌號不同。
　　
　　標(biāo)準(zhǔn)配套附件
　　
　　●每個標(biāo)準(zhǔn)安裝探頭配2個螺母（六角薄螺母GB6173-86，材料1Cr18Ni9Ti，螺紋規(guī)格與探頭螺紋規(guī)格一致）、2個墊片（GB97-76，規(guī)格與探頭螺紋配套）、2個彈簧墊圈（GB93-76，規(guī)格與探頭螺紋配套），每個反裝探頭配1個螺母、1個墊圈、1個彈簧墊圈，無螺紋探頭一般無配套零件。
　　
　　●每個探頭配熱縮套管：規(guī)格φ8，透明，長200mm（用于編號及保護(hù)轉(zhuǎn)接頭）。
　　
　　●每個前置器配安裝面板及導(dǎo)軌底座。
　　
　　●以上附件均可單獨供貨。
　　
　　相關(guān)資料
　　
　　●產(chǎn)品合格證及出廠校驗單
　　
　　●使用手冊（本手冊）
　　
　　●裝箱單
　　
　　第四節(jié)被測體尺寸與材料的影響
　　
　　在系統(tǒng)的工作原理部分，介紹了被測金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ、尺寸因子r對測量也有影響，因此除了探頭、延伸電纜、前置器決定傳感器系統(tǒng)的性能外，嚴(yán)格地講被測體也是傳感器系統(tǒng)的一部分，即被測體的性能參數(shù)也會影響整個傳感器系統(tǒng)的性能。
　　
　　被測體尺寸的影響
　　
　　圖1-8被測體中電渦流效應(yīng)范圍
　　
　　探頭線圈產(chǎn)生的磁場范圍是一定的，在被測體表面形成的渦流場也是一定的，如圖1-8所示的渦流區(qū)效應(yīng)范圍，幾何尺寸可按下列公式計算：
　　
　　C=0.86ras
　　
　　ri=0.52ras
　　
　　ra=1.39ras

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