《自动检测与转换技术》

电涡流式位移传感器

题目:电涡流位移传感器及其应用

学院： 滁州职业技术学院

专业： 应用电子技术

年级：10级

姓名： 胡楠楠

学号：20101502239

目录

绪论…………………………………………………………………...….3

电涡流传感器的工作原理……………………………………..………..4

电涡流传感器的组成结构……………………………………………....3

测量电路原理……………………………………………………..……..4

电涡流式位移传感器KD2306的介绍…………………….……..……..5

内部结构…………………………………………………………………5

工作原理……………………………………………………….………...6

主要特点……………………………………………...………..….……..6

电涡流传感器的应用……………………………………………………7

一、绪论

电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。

二、电涡流传感器的工作原理

电涡流传感器利用检测线圈与被测导体之间的涡流效应进行测量，具有非接触测量、灵敏度高、频响特性好、抗干扰能力强等优点，其基本原理如图l所示。当线圈l通以交流电I1时，其产生的交变磁场H1会在被测导体2中产生电涡流I2，而I2又产生一交变磁场H2来阻碍H1的变化，从而使线圈的等效电感L发生变化。当被测导体的电阻率、磁导率都确定，只有x发生变化时，通过分析提取等效电感与测量位移间的关系，就可以建立电涡流位移传感器1。

三、电涡流传感器的组成结构

根据下面的组成框图，构成传感器。

根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料：

（1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。

（2）传感元件:前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。

（3）测量电路：在下面会具体介绍。

四、电涡流式位移传感器KD2306的介绍

KD2306是KD2300的更新产品，采用轨导DIN式结构。本体系非常适合集成到OEM设备和工业控制应用中。具备卓越的分辨率和速度性能（0.1um分辨率，50kHz高响应），满足各种实际需求，还可选择延长电缆、温度补偿等特殊需求。

内部结构：

工作原理：

通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化，输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，真尚有电涡流位移传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。 按照电涡流在导体内的贯穿情况，传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。

　　其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。

五、电涡流式位移传感器KD2306的主要特点

真尚有KD2306高性能电涡流位移传感器有非常卓越的分辨率和速度性能(0.1μm分辨率，50KHz高响应)，多传感器同步功能，符合环保RoHS和安全CE标准等顶极性能，获2007美国传感器金奖。

主要应用领域：金属材料精密位移，长度、宽度、高度、厚度、圆度等尺寸；变形、振动等。

主要技术特点：

分辨率：0.1um；          

标准频率50kHz（可定制更高频率）；

可自行调整零位、增益和线性；   

可uxanz延长电流、温度补偿等功能；              

输出：0~5V，0~10V，±5V或4～20Ma；

供电：+15~+30V；

主要特点：

◆ 高分辨率和高采样率；

◆ 可自行调整零位、增益和线性；

◆ 可选择延长电缆、温度补偿等功能；

◆ 可测铁磁和非铁磁所有金属材料；

◆ 具有多传感器同步功能；

◆ 不受潮湿、灰尘的影响，对环境要求低；

六、电涡流传感器的应用

电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线丈量和保护。如：测量轴的轴向位移

测量轴的轴向位移时，测量面应该与轴是一个整体，这个测量面是以探头的中心线为中心，宽度为1.5倍的探头圆环。探头安装距离距止推法兰盘不应超过305mm，否则测量结果不仅包含轴向位移的变化，而且包含胀差在内的变化，这样测量的不是轴的真实位移值。

可见，电涡流位移传感器在工业的各个领域得到了广泛的应用。

第二篇：“电涡流位移传感器实验”指导书

实验二  电涡流位移传感器实验

一实验目的

1. 了解TR81系列电涡流位移传感器工作原理；

2. 熟悉实验仪器，搭建传感器使用电路，掌握传感器使用过程中的注意事项；

二实验设备

电源（输出电压15V~18V）、数字万用表、探头、Φ11mm延伸电缆、、02前置器、DZ-30位移静校仪、百分表

三实验原理

1.电涡流效应

传感器的系统工作机理是电涡流效应。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，则发射出去的交变磁场的能量会全部释放；反之，如果有金属导体材料靠近探头头部，则交变磁场H1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H1相反的交变磁场H2。由于H2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、线圈与金属导体的距离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，δ，I，ω）来表示。

如果控制μ，σ，r，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。

在实际应用中，通常是将线圈密封在探头中，线圈阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路处理转换成电压或电流输出。这个电子线路并不是直接测量线圈的阻抗，而是采用并联諧振法，见图2，即在前置器中将一个固定电容和探头线圈L _X并联并与晶体管T一起构成一个振荡器，振荡器的振幅U _X与线圈阻抗成正比，因此振荡器的振幅U _X会随探头与被测间距δ的改变而改变。U _X经检波、滤波、放大、非线性修正后输出电压U _O，U _O与δ的关系曲线如图3所示，可以看出该曲线呈“S”形，即在线性区中点δ _O处（对应输出电压U _O）线性最好，其斜率（即灵敏度）较大，在线性区两端，斜率（即灵敏度）逐渐下降，线性变差。（δ ₁， U ₁）为线性起点，δ ₂， U ₂）为线性末点。

2.TR81系列电涡流位移传感器

图4 电涡流位移传感器

       系统主要包括探头、延伸电缆（用户可以根据需要选择）、前置器和附件。前置器有三种安装方式（称为：01前置器、02前置器、03前置器，参见附录）。以01前置器为例，系统组成见图4。

（1）探头

探头对正被测体表面，它能精确地探测出被测体表面相对于探头端面间隙的变化。通常探头由线圈、头部、壳体、高频电缆、高频接头组成，其典型结构见图5所示。

图5 探头典型结构

线圈是探头的核心，它是传感器系统的敏感元件，线圈的物理尺寸和电气参数决定传感器系统的线性量程以及探头的电气参数稳定性。

    探头头部体采用耐高温PPS工程塑料，通过“二次注朔”成型将线圈密封其中。这项技术增强了探头头部的强度和密封性，在恶劣的环境中可以保护头部线圈能可靠工作。头部直径取决于其内部线圈直径，由于线圈直径决定传感器系统的基本性能─线性量程，因此我们通常用头部直径来分类和表征各型号探头,一般情况下传感器系统的线性量程大致是探头头部直径的1/2～1/4倍。我们为TR81系列传感器设计了ф3、ф5、ф8、ф11、ф14、ф18、ф25、ф35、ф36、ф50、ф60共11种直径的头部。

探头壳体用于支撑探头头部，并作为探头安装时的装夹结构。壳体采用不锈钢制成，一般上面刻有标准螺纹，并备有锁紧螺母。为了能适应不同的应用和安装场合，探头壳体具有不同的形式和不同的螺纹及尺寸规格。

高频电缆是用于联接探头头部到前置器（有时中间带有延伸电缆转接），这种电缆是用聚四氟乙烯绝缘的射频同轴电缆，通常电缆长度有0.5m、1m、5m、9m四种选择（见附录A）。当选0.5m和1m时必须用延伸电缆以保证系统的总电缆长度为5m或9m；至于选择5m还是9m应该是考虑能满足将前置器安装在设备机组的同一侧来决定。根据探头的应用场合和安装环境，探头所带电缆可以配有不锈钢软管铠装（可选择），以保护电缆不易被损坏，对于现场安装探头电缆无管道布置的情况，应该选择铠装。

探头电缆接头是军用标准高频接头。探头整体各部件通过机械变形联接，在恶劣环境中可以保证探头的稳定性和可靠性。

（2）延伸电缆

作为系统的一个组成部分，延伸电缆（如图6所示）用来联接和延长探头与前置器之间的距离，您可以对延伸电缆长度和是否需要带铠装进行选择（详见附录），选择延伸电缆的长度应该使延伸电缆长度加探头电缆长度与配前置器所要求的长度一致（5米或9米）。铠装选择的情况同探头电缆。

图6       延伸电缆

采用延伸电缆的目的是为了减短探头所带电缆长度，对于用螺纹安装探头时，需转动探头，过长的电缆不便于使电缆随探头转动，容易折断电缆。这种情形在探头安装部分有进一步说明。

延伸电缆的两端接头不同，带阳螺纹的接头（转接头）与探头联接，带阴螺纹的接头与前置器联接。

四实验步骤

图7 实验框图

1.         连接电路如图7；

2.         装好探头、百分表、千分表或光栅；（安装探头时注意不要只转探头，以免折断线缆）

3.         将直流稳压电源的供电电压调到传感器系统所需电压范围；

4.         分别将稳压电源、数字三用表探头接到前置器上；

5.         转动静校器的位移螺母，使探头与试件平面紧贴，再将或千分表的指针对零，或将光栅清零；(不可过度挤压探头)

6.         打开电源，转动静校器位移调节螺母，以十分之一量程为间隔，记录传感器的输出电压或电流值；

7.         根据记录数据计算传感器的平均灵敏度 ，即位移和输出电压的关系。

 8.   根据记录数据计算传感器的平均灵敏度，非线性误差。

五数据处理

l      灵敏度

用两点法按下式计算：

式中：U1 – 线性起点输出电压值（V）；

      U2 – 线性末点输出电压值（V）；

      LN – 线性量程（mm）

      S  – 平均灵敏度（V/mm）

灵敏度误差

式中：Ss – 标准灵敏度；

● 非线性误差

            非线性度

          

式中：Ui – 第i点输出电压（V）；

                Ss – 标准灵敏度（V/mm）；

          Usi--第i点理论电压值（V）；

  Δ–非线性误差（mm）；

          L_N – 线性量程（ｍｍ）；

          δ – 非线性度。

思考题

1.试分析TR81系列电涡流位移传感器的频率特性；

2.试分析被测体的性能参数对整个传感器系统性能的影响；