任务二 振动和偏心检测

1、任务提出 任务二任务二 振动和偏心检测振动和偏心检测 在机械设备的运行 过程中，转轴的振动和 偏心会影响零件的加工 精度，要对振动和偏心 进行检测。 数控车床加工 采用非接触式小位移 检测，选用电涡流传感器电涡流传感器。 具有结构简单、体积小巧、 灵敏度高等优点，在位移 测量、速度检测、厚度检 测等方面广泛应用。 相关知识 电涡流传感器是电涡流传感器是 利用利用电涡流效应电涡流效应，将，将 非电量转换成阻抗的非电量转换成阻抗的 变化而进行测量的。变化而进行测量的。 电涡流是块状金 属导体处于变化的磁 场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生的呈涡旋 状的感应电流。电涡流效应是由于电涡流的产

2、生必然要消耗 一部分能量，使产生磁场的线圈阻抗发生变化的物理现象。 一、电涡流传感器的工作原理 在 金 属 导体上方放 置一个线圈L， 线圈中通以 电流I1时，线 圈的周围产 生交变磁场 H 1，在金属 内部产生电 涡流I2， I2产 生反向磁场 H2。 H2和H1 方向相反， H2抵消了部 分原磁场H1， 使线圈的阻 抗发生了变 化。线圈的 等效阻抗z一 般可表示为 函数：Z = F （，f， x，r）。 其中：，-被测金属导体的电导率和磁导率；f-激励信号的频率； x-线圈与金属导体的距离；r-线圈的尺寸因子，与线圈的结构、形 状以及尺寸相关。 电 涡 流 在 金属导体中 的贯穿深度t 与

3、线圈的激 励源频率f、 导体材料的 相对磁导率 r、电阻率 有关，即： 改变激励源频率f，可控制贯穿深度，频率越高，电涡流的 贯穿深度越浅。 f t r 二、高频反射式电涡流传感器 用高频激励源 施加在线圈上，通 过反射来检测与被 测金属导体的间距。 f t r 保持、f、r参数不 变，阻抗Z的变化反映 了线圈与金属导体之 间的距离。 Z=F（，f，x，r） 三、低频透射式电涡流传感器 用低频激励源施加在 线圈上，电涡流的贯穿深 度越深，通过透射来检测 被测金属导体的厚度。 f t r 发射线圈1 和接收线圈2分别放在被测材料G的两侧； 若存在被测材料G，在G中产生涡流,此涡流损耗了部 分能量

4、,使贯穿2的磁力线减少,从而使2产生的感应电 势e2减小。 低频电压e1 加到线圈1 的两端后,在周围空间产生 一交变磁场,若没有被测材 料G, 1产生的磁力线较多 地穿过2,在2产生的感应 电势e2最大。 e2 的大小与G的厚度及材料性质有关,实验与理论证明,e2 随材料厚度h增加按负指数规律减小。可根据接收线圈2 产生输出电压e2的大小，确定G的厚度。 四、电涡流传感器外形结构和性能指标 （一）电涡流传感器外形一）电涡流传感器外形 420mA电涡流 位移传感器外形 （参考德国图尔克公 司资料） 齐平式电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料） 齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被

5、损害。齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。 V系列电涡流位移传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料） 齐平式齐平式 电涡流探头电涡流探头外形及外形及 调理电路前置器调理电路前置器 交变磁场交变磁场 （二（二）电涡流传感器的结构）电涡流传感器的结构 （三）（三）V系列电涡流传感器的性能指标系列电涡流传感器的性能指标 （摘自洞头开关厂资料）（摘自洞头开关厂资料） 电涡流线圈的直径越大，探测范围就越大电涡流线圈的直径越大，探测范围就越大电涡流探雷器电涡流探雷器 五、电涡流传感器的测量电路 电涡流传感器的探头是一电涡流传感器的探头是一 个电感线圈，改变它与被测金个电感线圈，改变它与被测金 属板

6、的间距，就改变了电感线属板的间距，就改变了电感线 圈的阻抗大小，阻抗的变化还圈的阻抗大小，阻抗的变化还 要通过后续的测量电路转换为要通过后续的测量电路转换为 容易测量的电压的变化。容易测量的电压的变化。 （一（一）电桥测量电路）电桥测量电路 线圈线圈A A、B B为相同的电涡流传感器线圈，组成差分形为相同的电涡流传感器线圈，组成差分形 式，线圈的阻抗作为电桥的桥臂。初始状态电桥平衡，式，线圈的阻抗作为电桥的桥臂。初始状态电桥平衡， 无输出电压。当测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变无输出电压。当测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变 化，电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行化，电桥失去平衡，

7、将电桥不平衡造成的输出信号进行 放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。 （二）定频调幅测量电路（二）定频调幅测量电路 传感器线圈传感器线圈L和电容和电容C并联组成谐振电路，由石英晶体并联组成谐振电路，由石英晶体 振荡电路提供一个稳定的高频激励电流振荡电路提供一个稳定的高频激励电流i。 谐振频率为：谐振频率为： LC f 等效阻抗等效阻抗为：为： CR L Z ，其中，其中R为回路的等效损耗内阻为回路的等效损耗内阻 当金属导体靠近传感器时，线圈的等效电感当金属导体靠近传感器时，线圈的等效电感L发生变发生变 化，回路失谐，化，回路失谐，LC并联电路的阻

8、抗下降，电压并联电路的阻抗下降，电压u下降。下降。 L随检测距离而变化，阻抗跟随变化，导致随检测距离而变化，阻抗跟随变化，导致u也变化，经也变化，经 放大、检波后，指示表可直接显示距离的大小。放大、检波后，指示表可直接显示距离的大小。 当没有被测金属导体时，当没有被测金属导体时，LC并联谐振电路处于谐振状并联谐振电路处于谐振状 态，此时输出阻抗最大，态，此时输出阻抗最大，u也最大。也最大。 （三）调频式测量电路（三）调频式测量电路 传感器传感器线圈接入线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体振荡回路，当传感器与被测导体 距离距离x改变时，由于电涡流的影响，改变时，由于电涡流的影响，L改变，导致

9、振荡器改变，导致振荡器 频率频率 跟随改变跟随改变。该频率可由数字频率计直接。该频率可由数字频率计直接 测量或通过频率电压变换后，再由电压表测得。测量或通过频率电压变换后，再由电压表测得。 CxL f )( 任务实施 一、合理选择电涡流传感器 轴的振动和偏心的检 测，实际是检测电涡流传感 器线圈与被测轴间的间距的 变化，根据电涡流传感器的 相关知识，选用高频反射式高频反射式 电涡流传感器电涡流传感器。 二、正确使用电涡流传感器 （一（一）被测导体厚度的选择）被测导体厚度的选择 高频反射式电涡流传感器测距时，应使导体厚度远大 于电涡流的轴向贯穿深度；低频透射式电涡流传感器测厚 时，应使导体厚度小

10、于电涡流的轴向贯穿深度。 （二）励磁电源频率的选择（二）励磁电源频率的选择 低频透射式电涡流传感器测厚时，由于电涡流的贯穿深 度 。所以对于检测电阻率大的材料的厚度时，可选用 较高的励磁频率；电阻率小的材料应选用较低的励磁频率。 f t （三）被测导体大小的确定三）被测导体大小的确定 线圈在导体内产生的电涡流密度有一个范围。在线 圈轴线附近，电涡流密度很小，越靠近线圈外径，电涡流 密度越大，而在直径为线圈外直径的1.8倍和0.4倍处，电 涡流密度已衰减到最大值的5。 线圈的大小确定了被测区域的大小。为了充分利用 电涡流效应，被测平板型导体的横向尺寸应大于线圈外径 的1.8倍，被测圆柱导体的直径

11、因大于线圈外径的3.5倍， 保证灵敏度不受影响。 （四（四）检测距离范围的确定）检测距离范围的确定 电涡流强度与线圈到导体的距离成非线性关系，距离越近， 电涡流越强；随着距离增加，电涡流迅速减小。当线圈与 导体距离大于线圈半径时，电涡流强度已很弱。因此一般 取距离与线圈外径的比值为0.050.15之间。 （五）使用注意事项（五）使用注意事项 l 安装探头时，应调节夹住位置，使位移变化不超出测 量范围。 l 被测轴表面应光滑、清洁，没有缺陷。 l 探头线圈要通入合适的高频电流。 l 系统接线牢固，接触良好。 l 若传感器线圈本身未加屏蔽，那么不属于被测对象的 金属物与线圈之间至少要相距一个线圈直

12、径的距离。 其他案例 （一）测量位移 汽轮机主轴的轴向位移测量 相对轴位移指的是轴向 推力轴承和导向盘之间在 轴向的距离变化。 1旋转设备（汽轮 机） 2主轴 3联轴器 4电涡流探头 5夹紧螺母 6发电机 7基座 轴向推力轴承用来承受 机器中的轴向力，它要求 在导向盘和轴承之间有一 定的间隙以便能够形成承 载油膜。 汽轮机主轴的轴向位移测量 1旋转设备（汽轮 机） 2主轴 3联轴器 4电涡流探头 5夹紧螺母 6发电机 7基座 被测轴位移 传感器 汽轮 机主 轴的 轴向 位移 测量 一般汽轮机在0.2 0.3mm之间，压缩机组 在0.40.6mm之间。如 果小于这些间隙，轴承 就会受到损坏，严重

13、的 导致整个机器损坏；因 此需要监测轴的相对位 移以测量轴向推力轴承 的磨损情况。 33 测量封口机工作间隙 间隙越大，间隙越大， 电涡流越小电涡流越小 测量注塑机开合模的间隙 间距间距 （二）测量振幅 （三）测量变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个 传感器。传感器。 汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的振测量悬臂梁的振 幅及频率幅及频率 （四）测量转速 若转轴上开若转轴上开z个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数为，频率计的读数为f（Hz），）， 则转轴的转速则转轴的转速n（r/min）的计算公式为）的计算公式为 z f n 电动机

14、转速测量 （五）高频反射式电涡流测厚仪 在被测金属板两侧对称放置两个在被测金属板两侧对称放置两个 特性相同的电涡流传感器，间距为特性相同的电涡流传感器，间距为D D 。工作时，分别测得与被测金属。工作时，分别测得与被测金属板板 间距为间距为x x1 1和和x x2 2，板厚，板厚d=D-(xd=D-(x1 1+x+x2 2) ) ，再将间距，再将间距x x1 1和和x x2 2转换为电压值相转换为电压值相 加，与间距加，与间距D D对应的电压值相减，对应的电压值相减， 即可得到与板厚即可得到与板厚d d对应的电压值。对应的电压值。 （六）液位监控系统 （七）安检门 安检门的内部设置有发射线圈和

15、接收线圈。当有金属 物体通过时，10KHz的音频信号产生的交变磁场就会在该金 属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，进 行报警。 带有电涡流探头及X光扫描仪安检门 计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体 的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪， 它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整 的光学图像。 L11、L12为发射线圈，密封在上下门框内；L21、L22为 接收线圈，密封在两侧门框内。当10kHz音频信号进入发 射线圈时，在线圈周围产生交变磁场。接收线圈和发射线 相互垂 直，无 磁路交 链，输 出电压 为零。 当携带金属物品通过发射线圈形成的交变磁场H1时

16、， 交变磁场会在该金属导体表面产生电涡流，电涡流产生一 个新的微弱磁场H2，它与金属的位置、大小等有关，但与 接收线圈不 正交，在接 收线圈中感 应出电压。 计算机根据 感应电压的 大小、相位 判断金属物 体的大小并 报警。 （八）测量气体压力 （九）电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪 油管探伤油管探伤 用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹 （十）电磁炉 高频电流通过励磁 线圈，产生交变磁场，在 铁质锅底产生无数的电涡 流，使锅底自行发热，烧 开锅内的食物。 电磁炉内部的励磁线圈 由于存在由于存在集肤效应集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测。测 量前，

17、可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“ 厚度厚度- -输出输出”电压的标定曲线电压的标定曲线，以便测量时对照。，以便测量时对照。 （十一）镀层厚度测量 镀层厚度测量示意图镀层厚度测量示意图 1电涡流测厚仪电涡流测厚仪 2金属镀层金属镀层 3塑料工件塑料工件 塑料表面的金属 镀层越厚，电涡 流就越大。 测量绝缘层厚度与测量金测量绝缘层厚度与测量金 属镀层的原理是相反的。属镀层的原理是相反的。绝绝 缘层越厚，探头与金属板之缘层越厚，探头与金属板之 间的距离就越大间的距离就越大，电涡流就电涡流就 越小越小。 仿真实验 趋肤效应（集肤效应）趋肤效应（集肤效应） 交变磁场的交变磁场的频率频率f 越高越高，电涡流的，电涡流的渗透深度就越浅渗透深度就越浅， 趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应来控制非电量的检来控制非电量的检 测深度。测深度。 当当100kHz2MHz2MHz信号源产生的交变电压施加到电感线信号源产生的交变电压施加到电感线 圈圈L1上时，就产生一次电流上时，就产生