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电涡流传感器
电气工程及其自动化0901班 高磊 2009614250121

电涡流传感器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。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。

一.涡流传感器的基本原理
根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时（与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流），导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

二．涡流传感器的测量的物理量及范围
　　前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

三．涡流传感器对测量某一物理量的具体应用
　　当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。
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。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。
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
相对振动测量
　　测量径向振动，可以由它分析轴承的工作状态，还可以看到分析转子的不平衡，不对中等机械故障。电涡流传感器系统可以提供对于下列关键或是基础机械状态监测所需要的信息：
　　•工业透平，蒸汽/燃气 •压缩机，径向/轴向
　　•膨胀机 •动力发电透平，蒸汽/燃气/水利
　　•发动马达 •发动机
　　•励磁机 •齿轮箱
　　•泵 •风箱
　　•鼓风机 •往复式机械
　　（1）相对振动测量（小型机械）
　　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。电涡流传感器系统可为如下各种机械故障的早期判别提供重要信息：
　　•轴的同步振动　　• 油膜失稳
　　•转子摩擦 　　 •部件松动
　　•轴承套筒松动　　•压缩机踹振
　　•滚动部件轴承失效　　•径向预载，内部/外部包括不对中
　　•轴承巴氏合金磨损　　•轴承间隙过大，径向/轴向
　　•平衡（阻气）活塞 　　•联轴器“锁死”磨损/失效
　　•轴裂纹　　•轴弯曲
　　•齿轮咬合问题　　•电动马达空气间隙不匀
　　•叶轮通过现象　　•透平叶片通道共振
　　（2）偏心测量
　　偏心是在低转速的情况下，电涡流传感器系统可对轴弯曲的程度进行测量，这些弯曲可由下列情况引起：
　　　•原有的机械弯曲　　•临时温升导致的弯曲
　　　•重力弯曲　　•外力造成的弯曲
　　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。
　　（3）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。

涡流传感器的技术指标及参考价格、可能的生产厂家
北京波普世纪科技发展有限公司 自主研制的电涡流传感器是基于涡流效应的原理制成的非接触式位移传感器，是目前国内技术指标最高的电涡流传感器之一。该传感器由探头、加长电缆、前置器组成，可用来测量旋转机械轴的各种运行状态参数：如轴的径向振动、轴向位移转速、偏心、差胀等。 参考价格：1000-2000元/台

电涡流传感器的基本类型
分为高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器。
激励频率的选择原则为：待测导体的厚度大，应选择较低的激励频率以保证线性度，反之则使用较高激励频率以提高灵敏度。
电涡流传感器与其它传感器比较有什么优缺点？
这种传感器具有非接触测量的特点，而且还具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、结构简单及安装方便等优点。缺点是电涡流位移传感器只能在一定范围内呈线性关系。
改进措施：电容三点式振荡电路,讨论电路各主要参数对振荡器电路起振特性、频率稳定性等性能的影响,结合Spice程序对振荡电路进行时域仿真
参考文献：
1《传感器与信号处理电路 》中国水利水电出版社 第38-42页
2 马东丽,赵辉;用于调频式电涡流传感器的高稳定性LC振荡电路[J];计算机测量与控制;2004年03期
3 何文辉;颜国正;郭旭东;;一种新型电涡流传感器的理论分析[J];上海交通大学学报;2006年03期
4 贾智伟,刘红飞,李应红;传感器信号的非线性补偿[J];传感器技术;2002年05期
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