电涡流传感器原理介绍及应用:
第一章 电涡流位移传简介
简介:
★系统的工作原理
传感器系统的工作原理是电涡流效应。当接通传感器系统电源时,在前置器内会产生一个高频电流信号,该信号通过电缆送到探头的头部,在头部周围产生交变磁场H1,如果在磁场H1的范围内没有金属导体材料接近,则发射到这一范围内的能量都会全部释放;反之,如果
有金属导体材料接近探头头部,则交变磁场H 1 将在导体的表面产生电涡流场,该电涡流场也会产生一个方向与H 1 相反的交变磁场H 2。由于H 2 的反作用,就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位,即改变了线圈的有效阻抗。这种变化既与电涡流效应有关,又与静磁学效应有关,即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。假定金属导体是均质的,其性能是线性和各向同性的,则线圈
——金属导体系统的物理性质通常可由金属导体的磁导率μ、电导率σ、尺寸因子r,线圈与
金属导体距离δ,线圈激励电流强度I和频率ω等参数来描述。因此线圈的阻抗可用函数Z=F(μ,σ,r,I,ω)来表示。如果控制μ、σ、r、δ、I、ω恒定不变,那么阻抗Z就成为距离δ的单值函数,由麦克斯韦尔公式,可以求得此函数为一非线性函数,其曲线为“S”形曲线,在一定范围内可以近似为一线性函数。
★电涡流位移传感器的应用范围
通过测量金属被测体与探头端的相对位置、电涡流位移传感器感应并处理成相应的电信号输出。传感器可长期可靠工作、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度度快、不受油水等介质的影响,在大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测中被广泛应用,并且被扩展到时卫星发射、材质鉴定、称重测量、金属板厚测量、材料形变量等应用领域。
★完整的传感器系统组成:
一套完整的传感器系统主要包括探头、前置器和附件。系统组成见下图所示:
第二节 被测体表面加工状况对测量结果的影响
被测体正对探头的表面光洁度也会影响测量结果!不光滑的被测体表面,在实际的测量应用中会带来较大的附加误差,特别是对于振动测量,误差信号与实际的振动信号叠加一起,并且在电气上很难分离,因此被测表面应该光洁,不应存在刻痕、洞眼、凸台、凹槽等缺陷(对于特意为键相器、转速测量设置的凸台或凹槽除外)。根据API670标准推荐值,对于振动测量被测面表面粗糙度Ra要求在0.4um~0.8um之间,如果不能满足,需要对被测面进行衍磨或抛光;对于位移测量,由于指示仪表的滤波效应或平均效应,可稍放宽(一般表面粗糙度Ra不超过0.4um~1.6um)。
第三节 测体材料对测量结果的影响
传感器特性(这里指灵敏度)与被测体的电阻率和导磁率有关。当被测体为导磁材料(如普通钢、结构钢等)时,由于磁效应和涡流效应同时存在,而且磁效应与涡流效应相反,要抵消部分涡流效应,使得传感器灵敏度降低;而当被测体为非导磁或弱导磁材料(如铜、铝、合金钢等)时,由于磁效应弱,相对来说涡流效应要强,因此传感器灵敏度要高。
铜: 14.9V/mm
铝: 14.0V/mm
不锈钢(1Cr18Ni9Ti): 10.4V/mm
45号钢: 8.2V/mm
40CrMo钢: 8.0V/mm(出厂校准材料)
通常,传感器系统使用40CrMo材料试件进行校准,只有和它同系列的被测体材料,产生的特性方程才能和 40CrMo的相近;当被测体的材料与 40CrMo成分相差很大时,则须重新校准,否则可能造成很大的测量误差。
※因为大多数的汽轮机、鼓风机等等设备的转轴是用 40CrMo材料或者与之接近的材料制造,因此传感器系统用 40CrMo材料做出厂校准,能适合大多数的测量对象。
被测体表面残磁效应对测量结果的影响
在材料加工过程中形成的残磁效应,以及淬火不均匀,硬度不均匀,结晶结构不均匀等都会影响传感器特性,API670标准推荐被测全表面残磁不超过0.5微特斯拉。当需要更高的测量精度时,应该用实际被测体进行校准。
被测体表面镀层对测量结果的影响
不同的镀层材质,传感器灵敏度会发生不同的变化。如果镀层均匀,且厚度大于涡流渗透深度。则传感器按镀层材料重新校准,不会影响使用。
第四节 高频同轴电缆的影响
高频同轴电缆也是影响电涡流传感器电气性能的一个主要原因。由于传感器工作在高频状态(振荡频率约1MHZ左右),所以高频同轴电缆的频率衰减、温度特性、阻抗、长度等都成为影响传感器性能的因素!基于此种原因,所以,电涡流位移传感器高频同轴电缆不能互换!
第五节 外界磁场的影响
电涡流传感器属于电感式传感器,由于其主要作用原理就是电涡流效应,所以,对于外界磁场的影响在工程应用中应该充分考虑!强的外界磁场肯定会影响传感器的性能。
1、对于外界静磁场,由于静磁场强度是一定的,方向与涡流磁场可能呈现现各种状况,而一旦外界静磁场方向确定,其对涡流磁场的干扰也是一定的了。所以在实际的工程应用中,静磁场的影响可以通过现场的试验测量出传感器灵敏度的变化,通过后续电路或软件算法排除。
2、对于外界交变磁场,例如大型励磁机、频繁启动的大型电机、启动机等,其磁场方向和强度都可能不是一个确定的值,因而产生的量使涡流传感器远记交变磁场的作用范围,或采取磁场屏蔽措施使产生的影响最小。
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