电涡流式传感器：基于电涡流效应的监控设备

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：电涡流式传感器是基于电涡流效应而工作的传感器。其中高频反射型电涡流式传感器应用较为广泛。这种现象称为电涡流效应。目前已研制和生产出多种用于测量位移、振幅、厚度、电导率和探伤的电涡流式检测仪表。在化工、动力等行业，电涡流式传感器被广泛用于汽轮机、压缩机、发电机等大型机械的监控设备。原则上，凡是可以转换为位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量。

电涡流式传感器是基于电涡流效应而工作的传感器。电涡流传感器根据其激磁频率高低，可以分为高频反射型或低频透射型两大类。其中高频反射型电涡流式传感器应用较为广泛。

1.电涡流效应

当金属导体置于交变的磁场中时，导体内产生感应电动势而形成电流，该电流的流线在导体内呈闭合回线，通常称之为电涡流。这种现象称为电涡流效应。

如图2-33所示，若在一只固定的线圈中通入交变电流I1，在线圈周围空间就会产生一交变的电磁场φ1。置于该交变电磁场作用范围内的金属导体中将产生与此磁场相交链的电涡流I2。理论分析和实验都已证明，金属导体表面的电涡流强度I2随线圈与金属导体间的距离x的变化而变化，且与激励电流I1成正比。

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图2-33　电涡流效应示意图

2.高频反射型电涡流式传感器的基本原理

高频反射型电涡流式传感器主要由一只固定在框架上的激磁扁平线圈和置于该线圈附近的金属导体构成，如图2-34所示。若在线圈中通入交变电流I1，在线圈周围空间就会产生一交变的电磁场φ1，置于该交变电磁场作用范围内的金属导体中将产生电涡流I2。电涡流I2又会产生一交变磁场φ2。φ2的方向与φ1相反，减弱线圈的原有磁场。除存在电涡流效应外，线圈与金属导体之间还存在磁效应，在金属导体中产生磁滞损耗，形成了交变磁场的能量损失。鉴于以上原因，线圈的等效电感L、等效阻抗Z和品质因数Q值将发生变化。显然，线圈等效电感L、等效阻抗Z和品质因数Q值的变化与电涡流效应及磁效应的大小有关，即与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t，以及产生交变磁场的线圈与金属导体间的距离x、线圈激励电流的

大小和角频率ω、线圈的半径r等参数有关。因此线圈的等效阻抗Z是一个多元函数，可表示为

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图2-34　高频反射型电涡流式传感器原理图

若固定其余参数，使线圈等效阻抗仅随其中某一参数变化，就能按线圈等效阻抗Z的大小测量出该参数。例如，若线圈的尺寸和激励电流、金属导体的材料和厚度等均已确定，则线圈的等效阻抗Z就成为线圈与金属导体间的距离x的单值函数，即Z=f(x)，由Z的大小即可测得x。高频反射型电涡流式传感器就是基于以上原理工作的。

3.电涡流式传感器的应用

电涡流式传感器由于具有测量线性范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响及可非接触测量等优点，被广泛地应用于工业生产和科学研究的各个领域，可用来测量位移、振幅、尺寸、厚度、热膨胀系数、轴心轨迹、非铁磁材料导电率和金属件探伤等。目前已研制和生产出多种用于测量位移、振幅、厚度、电导率和探伤的电涡流式检测仪表。在化工、动力等行业，电涡流式传感器被广泛用于汽轮机、压缩机、发电机等大型机械的监控设备。

1）位移测量

根据电涡流式传感器的工作原理，其最基本形式就是一只位移传感器，可用来测量各种形状被测件的位移。测量的最大位移可达数百毫米，一般的分辨率为满量程的0.1%。

原则上，凡是可以转换为位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量。图2-35为几个典型应用实例。图2-35（a）所示为测量汽轮机主轴的轴向位移；图2-35（b）所示为测量磨床换向阀、先导阀的位移；图2-35（c）所示为测量金属试件的热膨胀系数。

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图2-35　电涡流式传感器位移测量示意图

1—被测件；2—传感器探头

2）振动测量

电涡流式传感器可无接触地测量旋转轴的径向振动。在汽轮机、空气压缩机中，常用电涡流式传感器监控主轴的径向振动，如图2-36（a）所示；也可用电涡流式传感器测量汽轮机涡轮叶片的振幅，如图2-36（b）所示。测量时除用仪表直接显示读数外，还可用记录仪器记录振动波形。轴振幅的测量范围可从几微米到几毫米，频率范围可从零到几万赫兹。

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图2-36　电涡流式传感器振动测量示意图

1—被测件；2—传感器探头

在研究轴的振动时，常需要了解轴的振动形状，给出轴振形图。为此，可将数个电涡流式传感器探头并排地安置在轴附近，如图2-36（c）所示，再将信号输出至多通道记录仪。在轴振动时，可以获得各个传感器所在位置轴的瞬时振幅，从而绘出轴振形图。

3）厚度测量

电涡流式传感器可无接触地测量金属板的厚度和非金属板的金属镀层厚度。图2-37（a）所示为金属板的厚度测量，当金属板1的厚度变化时，将使传感器探头2与金属板间的距离改变，从而引起输出电压的变化。

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图2-37　电涡流式传感器厚度测量示意图

1—被测件；2—传感器探头

由于在工作过程中金属板会上下波动，这将影响厚度测量的精度，因此常用比较的方法进行测量，如图2-37（b）所示。在被测板1的上、下各装一只电涡流式传感器探头2，其距离为D，它们与板的上、下表面的距离分别为x1和x2，这样板厚t＝D－(x1＋x2)。当两个传感器探头工作时，分别把测得的x1和x2转换成电压值后送加法器，相加后的电压值再与两传感器间距离D相应的设定电压相减，就得到与板厚度相对应的电压值。

4）转速测量

在一个旋转体上开数条槽或者做成齿轮状，如图2-38所示，旁边安装一个电涡流式传感器。当旋转体转动时，电涡流式传感器将周期性地改变输出信号，此电压信号经放大、整形后，可用频率计指示出频率值。频率值与槽（齿）数和转速有关，即