電渦流位移傳感器基本原理

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)動(dòng)狀態(tài)，主要取決于其核心—轉(zhuǎn)軸，而電渦流傳感器，能直接非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)，對(duì)諸如轉(zhuǎn)子的不平衡、不對(duì)中、軸承磨損、軸裂紋及發(fā)生摩擦等機(jī)械問題的早期判定，可提供關(guān)鍵的信息。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。

電渦流位移傳感器系統(tǒng)中的前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體靠近這一磁場(chǎng)，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，與此同時(shí)該電渦流場(chǎng)也產(chǎn)生一個(gè)方向與頭部線圈方向相反的交變磁場(chǎng)，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。

通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項(xiàng)同性，則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D、電流強(qiáng)度I和頻率ω參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用Z=F（τ，ξ，б，D，I，ω）函數(shù)來表示。通常我們能做到控制τ，ξ，б，I，ω這幾個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)，雖然它整個(gè)函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。

于此，通過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D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，電渦流位移傳感器就是根據(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。

按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。

其工作過程是：當(dāng)被測(cè)金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時(shí)，探頭中線圈的Q值也發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個(gè)隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補(bǔ)償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓（電流）變化，最終完成機(jī)械位移（間隙）轉(zhuǎn)換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工作系統(tǒng)中被測(cè)體可看作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個(gè)電渦流位移傳感器的性能與被測(cè)體有關(guān)

電渦流位移傳感器的工作原理

當(dāng)被測(cè)體（金屬）靠近磁場(chǎng)，那么此被測(cè)金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個(gè)電渦流又產(chǎn)生一個(gè)與頭部線圈方向相反的交變磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位產(chǎn)生線圈的有效阻抗，此變化與金屬被測(cè)體的磁導(dǎo)率以及線圈的幾何形狀、尺寸、頻率及頭部線圈到導(dǎo)體的距離這些參數(shù)有關(guān)。

通過前置器電路板的處理，把線圈阻抗的變化轉(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)金屬表面間的距離而變化，電渦流位移傳感器就是根據(jù)此原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)測(cè)量。也就是說當(dāng)被測(cè)金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時(shí)，探頭中線圈的電勢(shì)值也發(fā)生變化，電勢(shì)值的變化引起振蕩的電壓幅度變化，而這個(gè)位移變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波和濾波、線性補(bǔ)償以及歸一處理，轉(zhuǎn)化為電壓、電流，最終完成位移轉(zhuǎn)換成。因此在電渦流位移傳感器工作中，被測(cè)體也可視作渦流傳感器系統(tǒng)的另一半，即電渦流位移傳感器的性能是與被測(cè)體有很大關(guān)系的。