电涡流位移传感器

简介

  ★系统的工作原理

        传感器系统的工作原理是电涡流效应。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，则发射到这一范围内的能量都会全部释放；反之，如果有金属导体材料接近探头头部，则交变磁场H 1 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H 1 相反的交变磁场H 2。由于H 2 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，又与静磁学效应有关，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等参数有关。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,I,ω)来表示。如果控制μ、σ、r、δ、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。

  通过测量金属被测体与探头端的相对位置、电涡流位移传感器感应并处理成相应的电信号输出。传感器可长期可靠工作、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度度快、不受油水等介质的影响，在大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测中被广泛应用，并且被扩展到时卫星发射、材质鉴定、称重测量、金属板厚测量、材料形变量等应用领域。

★完整的传感器系统组成

  一套完整的传感器系统主要包括探头、前置器和附件。系统组成见下图所示：

★与同类产品的兼容性

      ML33系列电涡流位移传感器的各各项性能指标优于某国外进口公司的3300系列水平，优于国内同类产品。
第二节   被测体表面加工状况对测量结果的影响

被测体正对探头的表面光洁度也会影响测量结果！不光滑的被测体表面，在实际的测量应用中会带来较大的附加误差，特别是对于振动测量，误差信号与实际的振动信号叠加一起，并且在电气上很难分离，因此被测表面应该光洁，不应存在刻痕、洞眼、凸台、凹槽等缺陷（对于特意为键相器、转速测量设置的凸台或凹槽除外）。根据API670标准推荐值，对于振动测量被测面表面粗糙度Ra要求在0.4um～0.8um之间，如果不能满足，需要对被测面进行衍磨或抛光;对于位移测量，由于指示仪表的滤波效应或平均效应，可稍放宽（一般表面粗糙度Ra不超过0.4um～1.6um）。

第三节  测体材料对测量结果的影响

     传感器特性（这里指灵敏度）与被测体的电阻率和导磁率有关。当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于磁效应和涡流效应同时存在，而且磁效应与涡流效应相反，要抵消部分涡流效应，使得传感器灵敏度降低；而当被测体为非导磁或弱导磁材料（如铜、铝、合金钢等)时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器灵敏度要高。

        铜：                    14.9V/mm

        铝：                    14.0V/mm

        不锈钢（1Cr18Ni9Ti):   10.4V/mm

        45号钢：                8.2V/mm

        40CrMo钢：              8.0V/mm（出厂校准材料）
      除非在订货时进行特别的说明，通常，在出厂前传感器系统使用40CrMo材料试件进行校准，只有和它同系列的被测体材料，产生的特性方程才能和 40CrMo的相近；当被测体的材料与 40CrMo成分相差很大时，则须重新校准，否则可能造成很大的测量误差。

     ※因为大多数的汽轮机、鼓风机等等设备的转轴是用 40CrMo材料或者与之接近的材料制造，因此传感器系统用 40CrMo材料做出厂校准，能适合大多数的测量对象。

      被测体表面残磁效应对测量结果的影响

      在材料加工过程中形成的残磁效应，以及淬火不均匀，硬度不均匀，结晶结构不均匀等都会影响传感器特性，API670标准推荐被测全表面残磁不超过0.5微特斯拉。当需要更高的测量精度时，应该用实际被测体进行校准。

 被测体表面镀层对测量结果的影响

      不同的镀层材质，传感器灵敏度会发生不同的变化。如果镀层均匀，且厚度大于涡流渗透深度。则传感器按镀层材料重新校准，不会影响使用。

第四节     高频同轴电缆的影响

      高频同轴电缆也是影响电涡流传感器电气性能的一个主要原因。由于传感器工作在高频状态（振荡频率约1MHZ左右），所以高频同轴电缆的频率衰减、温度特性、阻抗、长度等都成为影响传感器性能的因素！基于此种原因，所以，电涡流位移传感器高频同轴电缆不能互换！

第五节   外界磁场的影响

     电涡流传感器属于电感式传感器，由于其主要作用原理就是电涡流效应，所以，对于外界磁场的影响在工程应用中应该充分考虑！强的外界磁场肯定会影响传感器的性能。

     1、对于外界静磁场，由于静磁场强度是一定的，方向与涡流磁场可能呈现现各种状况，而一旦外界静磁场方向确定，其对涡流磁场的干扰也是一定的了。所以在实际的工程应用中，静磁场的影响可以通过现场的试验测量出传感器灵敏度的变化，通过后续电路或软件算法排除。

     2、对于外界交变磁场，例如大型励磁机、频繁启动的大型电机、启动机等，其磁场方向和强度都可能不是一个确定的值，因而产生的量使涡流传感器远记交变磁场的作用范围，或采取磁场屏蔽措施使产生的影响最小。

第二章  ML33电涡流位移传感器使用说明

  产品说明

1、探头

      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2所示。

     在制作过程中，探头头部体一般采用耐高温PPS工程塑料或耐高温的聚四氟，通过“二次注塑”成型将线圈密封其中。使探头在恶劣的环境中能可靠工作。由于头部体线圈直径决定传感器系统的线性量程，因此我们通常用头部体外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。ML33系列传感器共有Φ5、Φ8、Φ11，Φ18、Φ25、Φ50、Φ60共7种直径的头部 见图所示：

探头壳体用于连接和固定探头头部，并用为探头安装时的装夹结构。壳体一般采用不锈钢制成，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

2、前置器

   前置器是整个传感器系统的信号处理中心。一方面，前置器为探头线圈提供高频交流激励电流使探头工作；另一方面，前置器通过特殊电路感应出探头头部体与头部体前金属导体的间隙变化，经过前置器的处理，产生随间隙线性变化而变化的电压或电流输出信号

ML33系列前置器有两种外形结构 

 前置器电路采用容错设计；带电源术性错接保护和输出短路保护；电源端、公共端（信号地）、输出端任意接线错误不会损坏前置器。

      前置器电路中除个别用于校准用的元器件外，其他元件均用环氧树脂胶灌封，这样可以提供前置器的抗振、防潮性能。

3. 产品出厂标记

   一套完整的电涡流传感器应该包括前置器、探头及延伸电缆。电涡流传感器应该一一对应、配套使用，不能错接；在出厂校验单上对成套的前置器、探头及延伸电缆都进行了编号，用户可以很快地找出完整的一套传感器对应的前置器、探头及延伸电缆。

   *前置器型号和流水号在前置器壳体上表面醒目处。

   *探头及延伸电缆的型号和流水号封在电缆上靠近高频接头处的一段透明热缩套管里。

   用户可以根据出厂校验单上所标明的各型号和流水号，对照产品上的标签，按出厂校准的情况进行系统配套。一般要求在传感器使用前都应进行校准检查，其是当使用条件与出厂校准条件不同时，特别是被测体材料与出厂校准单注明校准材料牌号不同时必须进行重新校准。

标准配套附件

      1．  每个标准安装探头配2个螺母（六角薄螺母GB6173-86,材料1Cr18Ni9Ti,螺纹规格与探头螺纹规格一致）2个弹簧垫圈
     2.  每个探头配热缩管套：规格Φ8，透明，长200mm（用于编号及保护转接头）。
     3.   每台前置器配4颗M4X8 六角螺丝

其他相关资料

     1、产品合格证及出厂校验单

     2、使用手册

     3、装箱单（一份）

第二节      验收与储存

一． 验收

1、将系统各部分从包装箱取出。检查是否存在由于运输不当造成的损坏。如果有，应立即与承运单位交涉提出索赔，并将情况反映给本公司。

2、对照订货单和装箱单检查货物是否齐全，产品型号规格是否正确。如果是成套订货，将系统联接起来，通电检查系统静态特性是否符合出厂校验单注明的指标，通常这些指标应该是符合附录所规定的技术规范或者商定的技术协议。

3、如果产品完好，而且又不立即安装使用，将各部分小心的放回原包装箱内，封好保存，以备以后使用。

4、如果验收不合格，请尽快与本公司联系。

二．贮存

     如果长期不使用，传感器系统应存放在温度介于-30℃～70℃、相对湿度不大于90%的整洁室内，且室内空气中不得含有腐蚀性气体。存放期达一年以上的，使用前应从新校准。

三．试件材料

    除非在订货时进行特别的说明，通常在出厂前传感器系统使用40CrMO材料试件进行校准，只有和它同系列的被测体材料，产生的特性方程才能和40CrMO的相近；当被测体的材料与40CrMO成分相差很大或完全不同时，请在订货时说明或提供被测体材料样本。

 第三章   电涡流位移传感器系统安装

  探头安装间隙

安装探头时，应考虑传感器的线性测量范围和被测间隙的变化量，当被测间隙总的变化量与传感器的线性工作范围接近时，尤其要注意（在订货选型时应使所选的传感器线性范围大于被测间隙的15%以上）。通常，测量振动时，将探头的安装间隙设在传感器的线性中点；测量位移时，要根据位移往哪个方向变化或往哪个方向的变化量较大来决定其安装间隙的设定。当位移想远离探头端部的方向变化时，安装间隙应设定在线性近端；反之，则应设在线性远端。

●调整探头安装间隙可以采用下列方法

连接好探头、延伸电缆、前置器，接通传感器系统电源，用万用表电压档监测前置器的输出，同时调节探头与被测面的间隙，当前置器的输出等于安装间隙所对应的电压或电流时（该值可由传感器校准数据单中查得），再备紧探头所带的两个紧固螺母即可。

▲通过测量前置器输出电压来确定安装间隙，有可能会产生一种假象：当探头头部还未露出安装孔时，由于安装孔周围的金属影响，可能使得前置器的输出等于安装间隙所对应的电压或电流输出值。探头调整到正确的安装位置，前置器的输出应该是：首先是较大的饱和输出（此时探头还未放进安装孔中），然后是较小的输出（此时探头放进安装孔内），继续将探头塞进安装孔，前置器的输出会变为最大的输出（此时探头头部露出安装孔，但与被测面的间隙较大），再继续塞进探头，前置器的输出等于安装间隙所对应的值，此时探头才是正确的安装间隙。

 

●探头安装的一般步骤

1、  根据测量部位的量程、安装空间的环境和尺寸、被测体材料等特性选定传感器，并检查传感器的各部分外观是否完好、各部分是否配套（如探头直径与前置器型号中规定的配套探头直径是否一致、探头电缆长度加延伸电缆长度是否符合前置器对电缆长度的要求等）。通常成套订购的传感器，在出厂时提供有数据校验单，校验单上注明了配套校准的传感器各部分的型号、编号，用户可据此与产品上的标记核对。然后在传感器的探头、延伸电缆（如果有的话）、前置器上分别进行特定标记。

2、 将传感器各部分联接好，通电检查传感器，若超差，则需进行重新校准。检查时应特别注意校准试件材料是否与被测体材料一致或具有相近成分。

3、 如果未定购配套的安装支架，则应自行加工合适的安装支架。外部安装探头支架比较复杂，一般应订购。

4、 在机座上加工支撑安装支架的螺孔，内部安装探头的支架一般都需要两个螺孔进行紧固，外部安装探头的一般都是在机壳上加工带螺纹的通孔。

5、 紧固安装探头支架。如果是外部安装探头，则应先将探头紧固在支架上，再将支架拧进安装螺孔内。

6、 调整探头安装间隙。不同的用途，探头的初始安装间隙有不同的要求。

7、 紧固安装探头。对于内部安装探头，如果是采用角钢支架则用两个螺母背紧，采用夹块则用紧固螺钉锁紧；对于外部安装探头，则紧固外部安装支架。紧固螺钉、螺母都应加弹簧垫圈以防松动。

 第二节    延伸电缆的安装

延伸电缆是连接探头与前置器的中间部件、也是影响传感器性能的主要部分之一。延伸电缆的安装应保证在使用过程中不易受到损坏。一般情况下建议采用管道铺设，或采用带铠装的延伸电缆。过长的电缆不能随意剪断，否则可能造成传感器严重超差或不能正常工作。

?在盘放延伸电缆，由于其材料关系，应避免因盘放半径过小而使电缆折断。

?在选型时，应保证延伸电缆的长度加探头电缆的长度之和大于探头安装处到前置器安装处的距离，而且通常前置器都是集中安装在机器的同一侧。

● 延伸电缆转接头的密封于绝缘

延伸电缆和探头电缆的接头是与信号“地”相连的，而且不具有密封性。为了避免连接处进行绝缘保护。通常采用热缩套管收缩包裹。在产品出厂时本公司作为附件按每个探头200ｍｍ长提供一节 ￠8透明热缩套管，现场安装时，剪下约100ｍｍ长的一节，接好接头后，将套管套在接头处，用电吹风将其加热收缩即可。这样还能起到防止接头松动的作用。

*不要用粘性的电工胶带来绝缘探头接头，因为油污会溶解胶带上的粘性物而污染探头。

 
● 延伸电缆安装的一般步骤

1、  检查延伸电缆的长度

 检查延伸电缆长度是否与探头和前置器要求配套，延伸电缆长度加上探头所带电缆长度应该与前置器要求的电缆长度一致。除非特殊规格，延伸电缆长度加上探头所带电缆长度为5ｍ或9ｍ.

2、连接延伸电缆

   将延伸电缆的转接头穿到探头接线盒内，并套上一节约100㎜长￠8的透明热缩套管后，将延伸电缆的转接头与探头电缆高频接头连接并拧紧，把热缩套管移到连接处，使连接处两边的热缩套管长度一样，再用电吹风加热热缩管，使其收缩包紧接头。

第三节  前置器的安装

*  前置器对工作环境的要求比探头严格得多，通常将它安装在远离危险区的位置，其周围环境应该无腐蚀性气体、干燥、震动小、环境温度与室温相差不大。为了保证前置器工作安全可靠。如图所示是安装尺寸图：

A型外壳安装尺寸图  

 单位：mm

B 型外壳安装尺寸图

 单位： mm

第四节 传感器系统的连接

    系统连接包括将传感器探头、延伸电缆（如果有的话）、前置器以及监测仪表之间的电气连接，以组成能投入工作的测量系统。探头、延伸电缆、前置器之间是通过将其用标准的高频接头连接，前置器与仪表之间配有多芯屏蔽电缆连接。ML33-A-A前置器采用5芯屏蔽电缆连接，通常将其中的棕色线接电源DC24V，蓝色线接信号输出（OUT端），白色线：GAP+ 。黑色线：GAP-，屏蔽线接大地。为了避免混乱而接错线，接线时颜色应该统一。连接系时，用万用表电压档检测GAP+ (白线) 与GAP-(黑线)之间的电压值，当GAP 电压为10V时，表示探头安装在传感器的线性输出中点。

 ML33-A-A型前置器系统连接如下图所示。

  ?传感器连接线图

   

  附录A 

探头命名规定

●探头型号、规格

A   A □□:探头量程代号选择

▼   探头代号分类

     

●  B□□    无螺纹长选择

  探头无螺纹部分是为了方便安装、减少无效的螺纹长度、使拧接螺栓更为快捷

  ▼公制螺纹探头

● C □□ 壳体长度选择

探头壳体长度根据现场的使用情况而定，为了保证测量精度、避免探头杆的自身振动带来测量干扰，建议不要使用超过300㎜长的壳体长度；当必须使用时，应附加一个增强探头杆强度的安装附件。

▼公制壳体长度

 前置器命名规范

    ●前置器型号、规格

    

● A □    前置器外壳选择

      A:  A型外壳

      B:  B 型外壳

●  B □    输出方式选择

       A:  表示电流4—20MA输出          22-30V DC 供电  

     V2-1: 表示电压0—10V 输出           ±15V DC--±18V DC 供
      V2-2: 表示电压0—10V输出           +12V DC 供电
      V2-3: 表示电压0—10V输出           +24V DC 供电