一文讀懂電渦流傳感器

電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，且呈閉合回路，類(lèi)似于水渦流形狀，故稱(chēng)之為電渦流也叫做電渦流效應(yīng)，其實(shí)是電磁感應(yīng)原理的延伸。

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

電渦流傳感器的工作原理

當(dāng)接通傳感器系統(tǒng)電源時(shí)，在前置器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)電纜送到探頭的頭部，在頭部周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1。

如果在磁場(chǎng)H1的范圍沒(méi)有金屬導(dǎo)體接近，則發(fā)射到這一范圍內(nèi)的能量都會(huì)被釋放；反之，如果有金屬導(dǎo)體接近探頭頭部，則交變磁場(chǎng)H1將在導(dǎo)體的表面產(chǎn)生電渦流場(chǎng)，該電渦流場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向與H1相反的交變磁場(chǎng)H2。

由于H2的反作用，就會(huì)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。這種變化與電渦流效應(yīng)有關(guān)，也與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)（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(lì)電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離參數(shù)有關(guān)）。

假定金屬導(dǎo)體是均質(zhì)的，其性能是線形和各向同性的，則線圈——金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的磁導(dǎo)率u、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(lì)電流I和頻率ω等參數(shù)來(lái)描述。因此線圈的阻抗可用函數(shù)Z=F（u，σ，r，δ，I，ω）來(lái)表示。

如果控制u，σ，r，I，ω恒定不變，那么阻抗Z就成為距離的單值函數(shù)，由麥克斯韋爾公式，可以求得此函數(shù)為一非線形函數(shù)，其曲線為“S”型曲線，在一定范圍內(nèi)可以近似為一線形函數(shù)。

通過(guò)前置器電子線路的處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離δ的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。

一般來(lái)說(shuō)，傳感器線圈的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)的變化與導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)電率和磁導(dǎo)率有關(guān)。也與線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間距有關(guān)。

如果控制上述參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)改變，其余的不變，那么就可以構(gòu)成測(cè)位移、測(cè)溫度、測(cè)硬度等的各種傳感器。

電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)

電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要由一個(gè)安置在探頭殼體的扁平圓形線圈構(gòu)成。

電渦流傳感器的特點(diǎn)

電渦流傳感器通過(guò)電渦流效應(yīng)原理，準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體與探頭端面的相對(duì)位置，其特點(diǎn)是長(zhǎng)期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響，常被用于對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以分析出設(shè)備的工作狀況和故障原因，有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)及預(yù)維修。

1、電渦流位移傳感器能測(cè)量被測(cè)體(必須是金屬導(dǎo)體)與探頭端面的相對(duì)位置。

2、電渦流位移傳感器長(zhǎng)期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響，常被用于對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以分析出設(shè)備的工作狀況和故障原因，有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)及進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修。

3、從轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、軸承學(xué)的理論上分析，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)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(cè)量轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)，測(cè)量結(jié)果可靠、可信。

電渦流傳感器的分類(lèi)

按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)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(lì)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(yīng)，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)又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離、金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵(lì)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(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測(cè)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(cè)定材料厚度。發(fā)射線圈W1和接收線圈W2分別放在被測(cè)材料G的上下，低頻電壓e1加到線圈W1的兩端后，在周?chē)臻g產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，并在被測(cè)材料G中產(chǎn)生渦流i，此渦流損耗了部分能量，使貫穿W2的磁力線減少，從而使W2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e2減小。e2的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)證明，e2隨材料厚度h增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小。因而按e2的變化便可測(cè)得材料的厚度。

電渦流式傳感器的測(cè)量電路

利用電渦流式變換元件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了得到較強(qiáng)的電渦流效應(yīng)，通常激磁線圈工作在較高頻率下，所以信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要有調(diào)幅電路和調(diào)頻電路兩種。

調(diào)幅式(AM)電路

調(diào)頻式(FM)電路

當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x改變時(shí)，電渦流線圈的電感量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(jì)算機(jī)測(cè)量。

電渦流傳感器在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用

電渦流傳感器系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)和一些科研單位。對(duì)汽輪機(jī)、水輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、空分機(jī)、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的徑向振動(dòng)、軸向位移、鍵相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究和零件尺寸檢驗(yàn)等進(jìn)行在線測(cè)量和保護(hù)。

一、軸向位移測(cè)量

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

軸向位移是指機(jī)器內(nèi)部轉(zhuǎn)子沿軸心方向，相對(duì)于止推軸承二者之間的間隙而言。有些機(jī)械故障，也可通過(guò)軸向位移的探測(cè)，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(jié)的鎖住等。

軸向位移（軸向間隙）的測(cè)量，經(jīng)常與軸向振動(dòng)弄混。軸向振動(dòng)是指?jìng)鞲衅魈筋^表面與被測(cè)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(dǎo)致軸向振動(dòng)。例如壓縮機(jī)的踹振和不對(duì)中即是。

二、振動(dòng)測(cè)量

測(cè)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(zhuǎn)子的不平衡，不對(duì)中等機(jī)械故障?？梢蕴峁?duì)于下列關(guān)鍵或基礎(chǔ)機(jī)械進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)所需要的信息：1、工業(yè)透平，蒸汽/燃汽；2、壓縮機(jī)，空氣/特殊用途氣體，徑向/軸向；3、膨脹機(jī)；4、動(dòng)力發(fā)電透平，蒸汽/燃汽/水利；5、電動(dòng)馬達(dá)、發(fā)電機(jī)；6、勵(lì)磁機(jī)；7、齒輪箱；8、泵；9、風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)；10、往復(fù)式機(jī)械。

振動(dòng)測(cè)量同樣可以用于對(duì)一般性的小型機(jī)械進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)?？蔀槿缦赂鞣N機(jī)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(wěn)；

2、轉(zhuǎn)子摩擦，部件松動(dòng)；

3、軸承套筒松動(dòng)，壓縮機(jī)踹振；

4、滾動(dòng)部件軸承失效，徑向預(yù)載，內(nèi)部/外部包括不對(duì)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(dá)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(xiàn)象。

三、偏心測(cè)量

偏心是在低轉(zhuǎn)速的情況下，電渦流傳感器系統(tǒng)可以對(duì)軸彎曲程度的測(cè)量，這種彎曲可由下列情況引起：

1、原有的機(jī)械彎曲 ·臨時(shí)溫升導(dǎo)致的彎曲 ·在靜止?fàn)顟B(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(cè)量，對(duì)于評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)機(jī)械全面的機(jī)械狀態(tài)，是非常重要的。特別是對(duì)于裝有透平監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)（TSI）的汽輪機(jī)，在啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中，偏心測(cè)量已成為不可少的測(cè)量項(xiàng)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(zhuǎn)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(duì)中導(dǎo)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(zhuǎn)子是否穩(wěn)定。

四、脹差測(cè)量

對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，在其啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，由于金屬材料的不同，熱膨脹系數(shù)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(dǎo)致透平機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件（如機(jī)殼、噴嘴、臺(tái)座等）的相互接觸，導(dǎo)致機(jī)器的破壞。因此脹差的測(cè)量是非常重要的。

五、轉(zhuǎn)速測(cè)量

對(duì)于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，都需要監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)。而電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的優(yōu)越性是其它任何傳感器測(cè)量沒(méi)法比的，它既能響應(yīng)零轉(zhuǎn)速，也能響應(yīng)高轉(zhuǎn)速，抗干擾性能也非常強(qiáng)。

旋轉(zhuǎn)測(cè)量通常有以下幾種傳感器可選：電渦流轉(zhuǎn)速傳感器、無(wú)源磁電轉(zhuǎn)速傳感器、有源磁電轉(zhuǎn)速傳感器等。具有需要選擇那類(lèi)傳感器，則要根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量的要求轉(zhuǎn)速等，（轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置有以下幾種：用標(biāo)準(zhǔn)的漸開(kāi)的線齒數(shù)（M1～M5）作轉(zhuǎn)速發(fā)生信號(hào)，在轉(zhuǎn)軸上開(kāi)一鍵槽、在轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)軸上開(kāi)孔眼、在軸轉(zhuǎn)上凸鍵等轉(zhuǎn)速發(fā)生信號(hào)裝置。

六、滾動(dòng)軸承、電機(jī)換向器整流片動(dòng)態(tài)監(jiān)控

對(duì)使用滾動(dòng)軸承的機(jī)器預(yù)測(cè)性維修很重要。探頭安裝在軸承外殼中，以便觀察軸承外環(huán)。由于滾動(dòng)元件在軸承旋轉(zhuǎn)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到這種變形信號(hào)，當(dāng)信號(hào)變形時(shí)意味著發(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(cè)量軸承內(nèi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算可以測(cè)量軸承打滑度。

電渦流傳感器在硬幣識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著自動(dòng)投幣機(jī)的廣泛使用，社會(huì)上一些不法分子該意地研究現(xiàn)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(dǎo)致了自動(dòng)投幣機(jī)不能正常工作，給相關(guān)部門(mén)造成經(jīng)濟(jì)損失。

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

硬幣識(shí)別系統(tǒng)的原理框圖如圖所示，其基本工作過(guò)程為：當(dāng)硬幣通過(guò)電渦流傳感器時(shí)會(huì)在其中產(chǎn)生相應(yīng)的電渦流，信號(hào)調(diào)理與檢測(cè)電路通過(guò)適當(dāng)變換，將電渦流信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量供單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。單片機(jī)的處理結(jié)果用于控制硬幣計(jì)數(shù)控制電路及聲光報(bào)警電路的工作，完成對(duì)硬幣的識(shí)別任務(wù)。

由電渦流傳感器為檢測(cè)元件構(gòu)成的硬幣識(shí)別系統(tǒng)，是針對(duì)我國(guó)目前發(fā)行的1元硬幣的金屬原材料專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。

當(dāng)硬幣通過(guò)投幣入口進(jìn)入投幣機(jī)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(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流，這種電流的流線在金屬導(dǎo)體內(nèi)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?yàn)樵诒粶y(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在電渦流損耗也會(huì)產(chǎn)生電磁效應(yīng)，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(shù)值發(fā)生變化。

假如使得傳感器與被測(cè)導(dǎo)體間的距離保持不變，則傳感器的輸出參數(shù)將與被測(cè)導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率成函數(shù)關(guān)系。當(dāng)線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離固定，傳感器輸出信號(hào)的頻率只與磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體材料的固有性質(zhì)有關(guān)，即信號(hào)頻率受線圈電感的影響。

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

這些參數(shù)與導(dǎo)體的材質(zhì)、幾何形狀等因數(shù)有著一定的關(guān)系。找出不同金屬材質(zhì)和體積對(duì)系統(tǒng)磁場(chǎng)信息的影響大小而產(chǎn)生的微弱差異，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路將這些信號(hào)進(jìn)行處理，之后通過(guò)單片微型計(jì)算機(jī)對(duì)所采集數(shù)據(jù)的智能分析，就能完成對(duì)金屬硬幣的識(shí)別。

電渦流傳感器在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用

電磁爐

電磁爐是我們?nèi)粘Ｉ钪斜貍涞募矣秒娖髦?，渦流傳感器是其核心器件之一，高頻電流通過(guò)勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng);在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開(kāi)鍋內(nèi)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(nèi)檢測(cè)有無(wú)物體靠近。

當(dāng)物體接近到設(shè)定距離時(shí)，就可發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)。接近開(kāi)關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對(duì)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(cè)金屬。

審核編輯：湯梓紅