任务二振动和偏心检测

任务提出任务二振动和偏心检测

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。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

电涡流传感器是利用电涡流效应，将非电量转换成阻抗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H1，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（σ，μ，f，x，r）。其中：σ，μ----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与线圈的激励源频率f、导体材料的相对磁导率μr、电阻率ρ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。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。保持σ、μ、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（σ，μ，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。发射线圈ω1

和接收线圈ω2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,使贯穿ω2的磁力线减少,从而使ω2产生的感应电势e2减小。低频电压e1加到线圈ω1

的两端后,在周围空间产生一交变磁场,若没有被测材料G,

ω1产生的磁力线较多地穿过ω2,在ω2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ω2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4~20mA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

电涡流探头外形及调理电路前置器交变磁场（二）电涡流传感器的结构（三）V系列电涡流传感器的性能指标（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个电感线圈，改变它与被测金属板的间距，就改变了电感线圈的阻抗大小，阻抗的变化还要通过后续的测量电路转换为容易测量的电压的变化。（一）电桥测量电路线圈A、B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，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）定频调幅测量电路传感器线圈L和电容C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i。谐振频率为：等效阻抗为：，其中R’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L发生变化，回路失谐，LC并联电路的阻抗下降，电压u下降。L随检测距离而变化，阻抗跟随变化，导致u也变化，经放大、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，LC并联谐振电路处于谐振状态，此时输出阻抗最大，u也最大。（三）调频式测量电路传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，由于电涡流的影响，L改变，导致振荡器频率跟随改变。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。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，选用高频反射式电涡流传感器。二、正确使用电涡流传感器（一）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，应使导体厚度小于电涡流的轴向贯穿深度。（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。（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因大于线圈外径的3.5倍，保证灵敏度不受影响。（四）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0.05～0.15之间。（五）使用注意事项安装探头时，应调节夹住位置，使位移变化不超出测量范围。被测轴表面应光滑、清洁，没有缺陷。探头线圈要通入合适的高频电流。系统接线牢固，接触良好。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0.4～0.6mm之间。如果小于这些间隙，轴承就会受到损坏，严重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，电涡流越小测量注塑机开合模的间隙间距（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，须使用多个传感器。汽轮机叶片测试

测量悬臂梁的振幅及频率（四）测量转速若转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f（Hz），则转轴的转速n（r/min）的计算公式为电动机转速测量（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特性相同的电涡流传感器，间距为D。工作时，分别测得与被测金属板间距为x1和x2，板厚d=D-(x1+x2)，再将间距x1和x2转换为电压值相加，与间距D对应的电压值相减，即可得到与板厚d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，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

由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。

（十一）镀层厚度测量镀层厚度测量示意图

1－电涡流测厚仪2－金属镀层3－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属镀层的原理是相反的。绝缘层越厚，探头与金属板之间的距离就越大，电涡流就越小。仿真实验趋肤效应（集肤效应）交变磁场的频率f越高，电涡流的渗透深度就越浅，趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应来控制非电量的