一文看懂電渦流傳感器

傳感器多種多樣，玲瑯滿(mǎn)目，可供我們選擇的有很多。電感渦流傳感器等眾多高性能傳感器，被大量應用在各行各業(yè)。特別是機床行業(yè)，以及汽車(chē)制造等行業(yè)更是應用廣泛，是國內外公認的具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

電渦流傳感器工作原理

電渦流效應

電渦流傳感器是根據電渦流效應進(jìn)行工作的，即利用金屬導體置于變化的磁場(chǎng)中，產(chǎn)生感應電流，從而在金屬體內形成自行閉合的電渦流線(xiàn)，這種現象稱(chēng)為電渦流效應。

電渦流傳感器結構及特性

傳感元件：電渦流探頭

電渦流探頭是一個(gè)固定在框架上的扁平線(xiàn)圈，激勵源頻率較高（數十千赫至數兆赫）。

傳感器探頭里有小型線(xiàn)圈，由控制器控制產(chǎn)生震蕩電磁場(chǎng)，當接近被測體時(shí)，被測體表面會(huì )產(chǎn)生感應電流，而產(chǎn)生反向的電磁場(chǎng)。這時(shí)電渦流傳感器根據反向電磁場(chǎng)的強度來(lái)判斷與被測體之間的距離。注意：電渦流傳感器要求被測體必須是導體。

1—電渦流線(xiàn)圈  2—探頭殼體  3—殼體上的位置調節螺紋 

  4—印制線(xiàn)路板  5—夾持螺母   6—電源指示燈

  7—閾值指示燈  8—輸出屏蔽電纜線(xiàn)  9—電纜插頭  

電渦流位移傳感器測量技術(shù)的歷史

最先發(fā)現電渦流現象的是Fran?ois Arago (1786–1853)，第25任法國總統，數學(xué)家，物理學(xué)家和天文學(xué)家。1824年，他率先發(fā)現并命名旋轉磁場(chǎng)，以及絕大多數導體均可以被磁化。他的發(fā)現后來(lái)被Michael Faraday (1791–1867) 整理和最終完善。

1834年，Heinrich Lenz發(fā)布了楞次定律，感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。

法國物理學(xué)家Léon Foucault (1819–1868)于1855年發(fā)現，在磁場(chǎng)兩級中間，旋轉銅制圓盤(pán)所需要的力更大，于此同時(shí)，銅制圓盤(pán)受內部感生電渦流的作用而發(fā)熱。

1879年David E. Hughes率先采用渦流技術(shù)進(jìn)行了非接觸測量，用于分揀金屬被測物。

1980年，德國米銥公司率先將電渦流位移傳感器用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節檢測

1988年，德國米銥公司發(fā)布了全球最小尺寸電渦流位移傳感器，使得在安裝空間受限的情況下，也可以采用電渦流原理獲得精準的測量數據。

電渦流傳感器的優(yōu)點(diǎn)

1、渦流傳感器是一種非接觸的線(xiàn)性化計量工具，能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地非接觸、高線(xiàn)性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面的距離。電渦流傳感器在測量過(guò)程中測量準確性會(huì )受到一定的影響。

2、傳感器特性與被測體的電導率時(shí)，由于渦流效應和磁效應同時(shí)存在，磁效應反作用于渦流效應，使得渦流效應減弱，即傳感器的靈敏度降低。而當被測體為弱導磁材料（如銅，鋁，合金鋼等）時(shí)，由于磁效應弱，相對來(lái)說(shuō)渦流效應要強，因此傳感器感應靈敏度要高。

3、不規則的被測體表面，會(huì )給實(shí)際的測量帶來(lái)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，對于振動(dòng)測量的被測表面粗糙度要求在0.4um～0.8um之間;對于位移測量被測表面粗糙度要求在0.4um～1.6um之間。

4、電渦流效應主要集中在被測體表面，如果由于加工過(guò)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(huì )影響傳感器特性。在進(jìn)行振動(dòng)測量時(shí)，如果被測體表面殘磁效應過(guò)大，會(huì )出現測量波形發(fā)生畸變。

電渦流傳感器的分類(lèi)

按照電渦流在導體內的貫穿情況,此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類(lèi),但從基本工作原理上來(lái)說(shuō)仍是相似的。

高頻反射式電渦流傳感器

高頻(>lMHz)激勵電流，產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于金屬板的表面，由于集膚效應，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)又反作用于線(xiàn)圈，引起線(xiàn)圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離、金屬板的電阻率ρ、磁導率μ、激勵電流i，及角頻率ω等有關(guān)，若只改變距離δ而保持其他系數不變，則可將位移的變化轉換為線(xiàn)圈自感的變化，通過(guò)測量電路轉換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。

低頻透射式電渦流傳感器

低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度。****線(xiàn)圈W1和接收線(xiàn)圈W2分別放在被測材料G的上下，低頻電壓e1加到線(xiàn)圈W1的兩端后，在周?chē)臻g產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，并在被測材料G中產(chǎn)生渦流i，此渦流損耗了部分能量，使貫穿W2的磁力線(xiàn)減少，從而使W2產(chǎn)生的感應電勢e2減小。e2的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗證明，e2隨材料厚度h增加按負指數規律減小。因而按e2的變化便可測得材料的厚度。

電渦流式傳感器的測量電路

利用電渦流式變換元件進(jìn)行測量時(shí)，為了得到較強的電渦流效應，通常激磁線(xiàn)圈工作在較高頻率下，所以信號轉換電路主要有調幅電路和調頻電路兩種。

調幅式(AM)電路

調頻式(FM)電路

當電渦流線(xiàn)圈與被測體的距離x改變時(shí)，電渦流線(xiàn)圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。

電渦流傳感器的應用

電渦流傳感器系統廣泛應用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)和一些科研單位。對汽輪機、水輪機、鼓風(fēng)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(dòng)、軸向位移、鍵相器、軸轉速、脹差、偏心、以及轉子動(dòng)力學(xué)研究和零件尺寸檢驗等進(jìn)行在線(xiàn)測量和保護。

1、在工業(yè)設備上的應用

軸向位移測量

對于許多旋轉機械，包括蒸汽輪機、燃汽輪機、水輪機、離心式和軸流式壓縮機、離心泵等，軸向位移是一個(gè)十分重要的信號，過(guò)大的軸向位移將會(huì )引起過(guò)大的機構損壞。軸向位移的測量，可以指示旋轉部件與固定部件之間的軸向間隙或相對瞬時(shí)的位移變化，用以防止機器的破壞。

軸向位移是指機器內部轉子沿軸心方向，相對于止推軸承二者之間的間隙而言。有些機械故障，也可通過(guò)軸向位移的探測，進(jìn)行判別：1、止推軸承的磨損與失效；2、平衡活塞的磨損與失效；3、止推法蘭的松動(dòng)；4、 聯(lián)軸節的鎖住等。

軸向位移（軸向間隙）的測量，經(jīng)常與軸向振動(dòng)弄混。軸向振動(dòng)是指傳感器探頭表面與被測體，沿軸向之間距離的快速變動(dòng)，這是一種軸的振動(dòng)，用峰峰值表示。它與平均間隙無(wú)關(guān)。有些故障可以導致軸向振動(dòng)。例如壓縮機的踹振和不對中即是。

振動(dòng)測量

測量徑向振動(dòng)，可以由它看到軸承的工作狀態(tài)，還可以看到轉子的不平衡，不對中等機械故障。可以提供對于下列關(guān)鍵或基礎機械進(jìn)行機械狀態(tài)監測所需要的信息：1、工業(yè)透平，蒸汽/燃汽；2、壓縮機，空氣/特殊用途氣體，徑向/軸向；3、膨脹機；4、動(dòng)力發(fā)電透平，蒸汽/燃汽/水利；5、電動(dòng)馬達、發(fā)電機 ；6、勵磁機；7、齒輪箱；8、泵；9、風(fēng)扇、風(fēng)機；10、往復式機械。

振動(dòng)測量同樣可以用于對一般性的小型機械進(jìn)行連續監測。可為如下各種機械故障的早期判別提供了重要信息：

1、軸的同步振動(dòng)，油膜失穩；

2、轉子摩擦，部件松動(dòng)；

3、軸承套筒松動(dòng)，壓縮機踹振；

4、滾動(dòng)部件軸承失效，徑向預載，內部/外部包括不對中；

5、軸承巴氏合金磨損，軸承間隙過(guò)大，徑向/軸向；

6、平衡（阻氣）活塞磨損/失效 ，聯(lián)軸器“鎖死”；

7、軸彎曲，軸裂紋；

8、電動(dòng)馬達空氣間隙不勻，齒輪咬合問(wèn)題；

9、透平葉片通道共振，葉輪通過(guò)現象。

偏心測量

偏心是在低轉速的情況下，電渦流傳感器系統可以對軸彎曲程度的測量，這種彎曲可由下列情況引起：

1、原有的機械彎曲 ·臨時(shí)溫升導致的彎曲 ·在靜止狀態(tài)下，必然有些向下彎曲，有時(shí)也叫重力彎曲，外力造成的彎曲。

2、偏心的測量，對于評價(jià)旋轉機械全面的機械狀態(tài)，是非常重要的。特別是對于裝有透平監測儀表系統（TSI）的汽輪機，在啟動(dòng)或停機過(guò)程中，偏心測量已成為不可少的測量項目。它使你能看到由于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(jīng)常用來(lái)指示軸承的磨損，以及加載荷的大小。如由不對中導致的那種情況，它同時(shí)也用來(lái)決定軸的方位角，方位角可以說(shuō)明轉子是否穩定。

脹差測量

對于汽輪發(fā)電機組來(lái)說(shuō)，在其啟動(dòng)和停機時(shí)，由于金屬材料的不同，熱膨脹系數的不同，以及散熱的不同，軸的熱膨脹可能超過(guò)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、臺座等）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

對于所有旋轉機械而言，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(gè)重要指標。而電渦流傳感器測量轉速的優(yōu)越性是其它任何傳感器測量沒(méi)法比的，它既能響應零轉速，也能響應高轉速，抗干擾性能也非常強。

旋轉測量通常有以下幾種傳感器可選：電渦流轉速傳感器、無(wú)源磁電轉速傳感器、有源磁電轉速傳感器等。具有需要選擇那類(lèi)傳感器，則要根據轉速測量的要求轉速等，（轉速發(fā)生裝置有以下幾種：用標準的漸開(kāi)的線(xiàn)齒數（M1～M5）作轉速發(fā)生信號，在轉軸上開(kāi)一鍵槽、在轉軸在轉軸上開(kāi)孔眼、在軸轉上凸鍵等轉速發(fā)生信號裝置。

滾動(dòng)軸承、電機換向器整流片動(dòng)態(tài)監控

對使用滾動(dòng)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(guān)察軸承外環(huán)。由于滾動(dòng)元件在軸承旋轉時(shí)，滾動(dòng)元件與軸承有缺陷的地方相碰撞時(shí)，外環(huán)會(huì )產(chǎn)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(shí)意味著(zhù)發(fā)生了故障，如滾動(dòng)元件的裂紋缺陷或者軸承環(huán)的缺陷等，還可以測量軸承內環(huán)運行狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運算可以測量軸承打滑度。

2、電渦流傳感器在硬幣識別系統中的應用

隨著(zhù)自動(dòng)投幣機的廣泛使用，社會(huì )上一些不法分子該意地研究現有硬幣的形態(tài)、材質(zhì)，并依此制造出能以假亂真的偽幣，這些偽幣流入市場(chǎng)后導致了自動(dòng)投幣機不能正常工作，給相關(guān)部門(mén)造成經(jīng)濟損失。

我國硬幣的種類(lèi)繁多，這給硬幣的防偽、識別帶來(lái)相當大的難度，硬幣識別的主要技術(shù)問(wèn)題是硬幣的檢測方法，核心是檢測傳感器性能的優(yōu)劣。

硬幣識別系統的原理框圖如圖所示，其基本工作過(guò)程為：當硬幣通過(guò)電渦流傳感器時(shí)會(huì )在其中產(chǎn)生相應的電渦流，信號調理與檢測電路通過(guò)適當變換，將電渦流信息轉換成相應的數字量供單片機進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。單片機的處理結果用于控制硬幣計數控制電路及聲光報警電路的工作，完成對硬幣的識別任務(wù)。

由電渦流傳感器為檢測元件構成的硬幣識別系統，是針對我國目前發(fā)行的1元硬幣的金屬原材料專(zhuān)門(mén)設計的。

當硬幣通過(guò)投幣入口進(jìn)入投幣機的路徑時(shí)，電渦流傳感器是利用磁路中磁阻變化，并在置于其中的導體內產(chǎn)生電流，這種電流的流線(xiàn)在金屬導體內是閉合的(所以叫做渦流，或稱(chēng)電渦流)。

此電流還會(huì )產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)來(lái)阻礙外磁場(chǎng)的變化。從其能量角度來(lái)看，因為在被測導體內存在電渦流損耗也會(huì )產(chǎn)生電磁效應，因此它既會(huì )產(chǎn)生焦耳熱，又要產(chǎn)生磁滯損耗，造成交變磁場(chǎng)能量的損失。這些能量的損耗會(huì )使傳感器的等效電抗、等效電感和品質(zhì)因數值發(fā)生變化。

假如使得傳感器與被測導體間的距離保持不變，則傳感器的輸出參數將與被測導體材料的電導率、磁導率成函數關(guān)系。當線(xiàn)圈與金屬導體之間的距離固定，傳感器輸出信號的頻率只與磁場(chǎng)中的金屬導體材料的固有性質(zhì)有關(guān)，即信號頻率受線(xiàn)圈電感的影響。

當硬幣靠近線(xiàn)圈時(shí)，電感將發(fā)生變化，則正弦波頻率也必將發(fā)生相應的變化。因此信號頻率的變化反映了硬幣的材質(zhì)特征，所以可以通過(guò)測量傳感器信號的頻率來(lái)獲得分辨真假、幣值的依據。利用這個(gè)關(guān)系可以用來(lái)測量金屬材料的電導率、磁導率等參數。

這些參數與導體的材質(zhì)、幾何形狀等因數有著(zhù)一定的關(guān)系。找出不同金屬材質(zhì)和體積對系統磁場(chǎng)信息的影響大小而產(chǎn)生的微弱差異，經(jīng)信號調理電路將這些信號進(jìn)行處理，之后通過(guò)單片微型計算機對所采集數據的智能分析，就能完成對金屬硬幣的識別。

3、電渦流傳感器在其它領(lǐng)域中的應用

電磁爐

電磁爐是我們日常生活中必備的家用電器之一，渦流傳感器是其核心器件之一，高頻電流通過(guò)勵磁線(xiàn)圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng);在鐵質(zhì)鍋底會(huì )產(chǎn)生無(wú)數的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開(kāi)鍋內的食物。

電渦流探雷器

電渦流式接近開(kāi)關(guān)

接近開(kāi)關(guān)又稱(chēng)無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)。它能在一定的距離(幾毫米至幾十毫米)內檢測有無(wú)物體靠近。

當物體接近到設定距離時(shí)，就可發(fā)出“動(dòng)作”信號。接近開(kāi)關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。這種接近開(kāi)關(guān)只能檢測金屬。

隨著(zhù)機電一體化智能技術(shù)的發(fā)展，電渦流傳感器的性能將會(huì )得到進(jìn)一步的完善，其檢測結果將會(huì )更精確，檢測距離將會(huì )更長(cháng)，動(dòng)態(tài)檢測性能更好，因此，電渦流傳感器的應用前景將會(huì )更加廣闊。