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传感器调研报告传感器调研报告

2021-02-03 04:19:53

电涡流传感器文献调研报告

学院:电气与信息工程学院

班级:电子10-01班

姓名:宇文泽

学号:201057050135

目录

一、历史发展.........................................................3

二、工作原理........................................................4

三、应用情况........................................................4

1、相对振动测量...................................................4

2、转速测量.......................................................5

3、滚动轴承、电机换向器整流片动态监控..............................6

四、生产情况........................................................9

五、价格情况........................................................9

六、参考文献........................................................10

一、发展历史

在人类社会全面进入信息电子化时代的21世纪,作为信息科技技术最前端技术的传感器与检测技术,将成为本世纪信息科学技术领域争夺的一个制高点,传感与检测技术即传感器,主要研究力、压力、压变、位移、容量、液位、流量、温度、湿度、转速、加速度、角度、厚度、胀差、荷重等各种非电量,故也称为非电量的电测技术,它是工程信息检测领域中的应用技术,在微电子技术和计算机高速发展的今天,这种非电量的检测技术呈现出许多明显的优势,是现代检测技术的主体。

传感器技术在近30多年获得了前所未有的高速发展,欧美等发达国家早在20世纪80年代就将传感器列为优先发展的新技术,目前世界上规模化从事传感器研究和生产的厂家在欧洲、美国、俄罗斯各有1000余家,日本有800余家,全球共有5000多家。近十几年来,持续稳定的增长之势向前发展,每年的增长率达到10%以上。全球传感器在2008年的总销售额已经超过500亿美元,并且此销售额会持续增长。

我国也在20世纪80年代末将传感器列入国家高新技术发展的重点,近30年来,经过技术攻关和产业化建设,目前全国从事传感器研制和生产的单位有2000余家,传感器产量年增长率超过15%,2009年销售额达430亿元。但我国在此行业总体技术水平与几个发达国家相比还是相对落后,规模较小,且传感器的应用有一定的狭隘性,应用领域不够广泛。而且从各学科技术平衡发展的角度看,我国的传感器技术仍落后于通信技术和计算机技术的发展速度,在很多科学领域尚不能满足要求,为了我国信息科学技术的高速发展,为了在未来世界的物联网中有话语权,我国传感器技术的发展至关重要。

近年来,电涡流检测技术越来越多的受到无损检测工作者的青睐,同其他无损检测技术相比,它具有非接触、无污染、操作方便等特点。这项基于电磁感应原理的一种新兴检测技术,通过利用麦克斯韦方程及其边界条件对处于敏感探头形成的电磁场中的被测金属导体及其周围空间区域列出方程并进行求解,对探头线圈的阻抗特性的变化与被测体各影响因素之间的关系加以确定。

电涡流现象的发现可追溯到1831年,法拉第发现了电磁感应现象,1879年,休斯记录下了当线圈靠近具有不同电导率及磁导率的金属导体时,其本身特性的变化情况,但直到第二次世界大战,电涡流效应才被实际用于金属导体材料的探测,如地雷的探测。20世纪50及60年代,工业应用,尤其是航,空及原子能应用方面的需求,带动了电涡流传感器技术的快速发展。期间美国本特利公司和德国的Rentique研究所相继研究了电涡流传感器原理,并逐步发展出了产品及仪器。目前,电涡流检测方法及传感器已经成为一种精确度高、应用广泛的传感器。

上世纪60年代,我国就开始发展涡流检测技术。当时,冶金、航空和有色金属等行业就已经开始采用涡流来检测成型金属管材的表面缺陷,但因涡流检测技术发展不足,在分辨率和可靠性及抑制干扰等方面存在缺陷,检测仅仅局限于导电材料的表面,使得涡流检测在各工业部门的应用一度不如超声、射线和磁粉等方法。直到80年代后期,才取得一定突破,90年代以来,国内涡流检测生产单位已达到十余家,其应用领域更是扩展到航空航天、核工业、电力、石油、化工、机械、冶金等部门。随着工业生产和科学技术发展对电涡流检测技术的要求日益增高,电涡流检测技术及传感器的应用将会越广泛。

二、工作原理

根据法拉第电磁感应原理,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时(与金属是否块状无关,且切割不变化的磁场时无涡流),导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈,在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场,则在此金属表面产生感应电流,与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场,由于其反作用,使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗),这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性,则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变,则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数,虽然它整个函数是一非线性的,其函数特征为“S”型曲线,但可以选取它近似为线性的一段。于此,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,电涡流传感器

三、应用情况

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测量和保护。

胀差测量、 斜坡式胀差测量、补偿式胀差测量、双斜面胀差测量、振动测量、轴位移测量、轴心轨迹测量、差动测量、动力膨胀、 转子动平径向运动分析、转速和相位差测试、转速测量、表面不平整度测量、裂痕测量、非导电材料厚度测量、金属元件合格检测、轴承测量

换向片测量

1、相对振动测量

测量径向振动,可以由它分析轴承的工作状态,还可以看到分析转子的不平衡,不对中等机械故障。电涡流传感器系统可以提供对于下列关键或是基础机械状态监测所需要的信息:

●工业透平,蒸汽/燃气 ●压缩机,径向/轴向●膨胀机 ●动力发电透平,蒸汽/燃气/水利

●发动马达 ●发动机●励磁机 ●齿轮箱●泵 ●风箱●鼓风机 ●往复式机械

(1)相对振动测量(小型机械)

振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。电涡流传感器系统可为如下各种机械故障的早期判别提供重要信息:

●轴的同步振动 ●油膜失稳●转子摩擦 ●部件松动●轴承套筒松动 ●压缩机踹振●滚动部件轴承失效 ●径向预载,内部/外部包括不对中●轴承巴氏合金磨损 ●轴承间隙过大,径向/轴向●平衡(阻气)活塞 ●联轴器“锁死”磨损/失效●轴裂纹 ●轴弯曲●齿轮咬合问题 ●电动马达空气间隙不匀●叶轮通过现象 ●透平叶片通道共振

(2)偏心测量

偏心是在低转速的情况下,电涡流传感器系统可对轴弯曲的程度进行测量,这些弯曲可由下列情况引起:

●原有的机械弯曲 ●临时温升导致的弯曲●重力弯曲 ●外力造成的弯曲

偏心的测量,对于评价旋转机械全面的机械状态,是非常重要的。特别是对于装有透平监测仪表系统(TSI)的汽轮机,在启动或停机过程中,偏心测量已成为不可少的测量项目。它使你能看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。转子的偏心位置,也叫轴的径向位置,它经常用来指示轴承的磨损,以及加载荷的大小。如由不对中导致的那种情况,它同时也用来决定轴的方位角,方位角可以说明转子是否稳定。

(3)胀差测量

对于汽轮发电机组来说,在其启动和停机时,由于金属材料的不同,热膨胀系数的不同,以及散热的不同,轴的热膨胀可能超过壳体膨胀;有可能导致透平机的旋转部件和静止部件(如机壳、喷嘴、台座等)的相互接触,导致机器的破坏。因此胀差的测量是非常重要的。

2、转速测量

对于所有旋转机械而言,都需要监测旋转机械轴的转速,转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。旋转测量通常有以下几种传感器可选:电涡流转速传感器、无源磁电转速传感器、有源磁电转速传感器等。具有需要选择那类传感器,则要根据转速测量的要求转速等,转速发生装置有以下几种:用标准的渐开的线齿数(M1~M5)作转速发生信号,在转轴上开一键槽、在转轴在转轴上开孔眼、在轴转上凸键等转速发生信号装置。

无源磁电式传感器是针对测齿轮而设计的发电型传感器(无源),不适合测零转速和较低转速,因低频时,幅值信号小,抗干扰能力差,它不需要供电。

有源磁电式传感器采用了电源供电,输出波形为矩形波,具有负载驱动能力,适合测量 0.03HZ以上转速信号。

而电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的,它既能响应零转速,也能响应高转速。对于被测体转轴的转速发生装置要求也很低,被测体齿轮数可以很小,被测体也可以是一个很小的孔眼,一个凸键,一个小的凹键。电涡流传感器测转速,通常选用φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm的探头。转速测量频响为0~10KHZ。电涡流传感器测转速,传感器输出的信号幅值较高(在低速和高速整个范围内)抗干扰能力强。作转速测量的电涡流传感器有一体化和分体两种。一体化电涡流转速传感器取消前置器放大器、安装方便、适用于工作温度在–20℃~100℃的环境下,带前置器放大器的电涡流传感器适合在–50℃~250℃的工作环境中。

3、滚动轴承、电机换向器整流片动态监控

对使用滚动轴承的机器预测性维修很重要。探头安装在轴承外壳中,以便观察轴承外环。由于滚动元件在轴承旋转时,滚动元件与轴承有缺陷的地方相碰撞时,外环会产生微小变形。监测系统可以监测到这种变形信号,当信号变形时意味着发生了故障,如滚动元件的裂纹缺陷或者轴承环的缺陷等,还可以测量轴承内环运行状态,经过运算可以测量轴承打滑度。

电涡流传感器及其监测系统在汽轮机上的典型应用:

电涡流传感器测量时的安装要求

①轴的径向振动测量

当需要测量轴的径向振动时,要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。每个测点应同时安装两个传感器探头,两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上相隔90o±5o。由于轴承盖一般是水平分割的,因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45o,从原动机端看,分别定义为X探头(水平方向)和Y探头(垂直方向),X方向在垂直中心线的右侧,Y方向在垂直中心线的左侧。

轴的径向振动测量时探头的安装位置应该尽量靠近轴承,如图所示,否则由于轴的挠度,得到的值会有偏差。

轴的径向振动探头安装位置与轴承的最大距离。轴的径向振动测量时探头的安装:

测量轴承直径 最大距离

0~76mm 25mm

76~510mm 76mm

大于520mm 160mm

探头中心线应与轴心线正交,探头监测的表面(正对探头中心线的两边1.5倍探头直径宽度的轴的整个圆周面,如图)应无裂痕或其它任何不连续的表面现象(如键槽、凸凹不平、油孔等),且在这个范围内不能有喷镀金属或电镀,其表面的粗糟度应在0.4 um至0.8um之间。

②轴的轴向位移测量

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。

③键相测量

键相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键,称键相标记。当这个凹槽或凸键转到探头位置时,相当于探头与被测面间距突变,传感器会产生一个脉冲信号,轴每转一圈,就会产生一个脉冲信号,产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。因此通过对脉冲计数,可以测量轴的转速;通过将脉冲与轴的振动信号比较,可以确定振动的相位角,用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。

凹槽或凸键要足够大,以使产生的脉冲信号峰峰值不小于5V。一般若采用φ5、φ8探头,则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm、深度或高度应大于1.5mm(推荐采用2.5mm以上)、长度应大于0.2mm。凹槽或凸键应平行于轴中心线,其长度尽量长,以防当轴产生轴向窜动时,探头还能对着凹槽或凸键。为了避免由于轴相位移引起的探头与被测面之间的间隙变化过大,应将键相探头安装在轴的径向,而不是轴向的位置。应尽可能地将键相探头安装在机组的驱动部分上,这样即使机组的驱动部分与载荷脱离,传感器仍会有键相信号输出。当机组具有不同的转速时通常需要有多套键相传感器探头对其进行监测,从而可以为机组的各部分提供有效的键相信号。

键相标记可以是凹槽,也可以是凸键,如图所示,标准要求用凹槽的形式。当标记是凹槽时,安装探头要对着轴的完整部分调整初始安装间隙(安装在传感器的线性中点为宜),而不是对着凹槽来调整初始安装间隙。而当标记是凸键时探头一定要对着凸起的顶部表面调整初始安装间隙(安装在传感器的线性中点为宜),不是对着轴的其它完整表面进行调整。否则当轴转动时,可能会造成凸键与探头碰撞,剪断探头。

(2)被测体对电涡流传感器特性的影响

①被测体材料对传感器的影响

传感器特性与被测体的电导率б、磁导率ξ有关,当被测体为导磁材料(如普通钢、结构钢等)时,由于涡流效应和磁效应同时存在,磁效应反作用于涡流效应,使得涡流效应减弱,即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料(如铜,铝,合金钢等)时,由于磁效应弱,相对来说涡流效应要强,因此传感器感应灵敏度要高。

②被测体表面平整度对传感器的影响

不规则的被测体表面,会给实际的测量带来附加误差,因此对被测体表面应该平整光滑,不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求,对于振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4um~0.8um之间;对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4um~1.6um之间。

③被测体表面磁效应对传感器的影响

电涡流效应主要集中在被测体表面,如果由于加工过程中形成残磁效应,以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。在进行振动测量时,如果被测体表面残磁效应过大,会出现测量波形发生畸变。

④被测体表面镀层对传感器的影响

被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料,视其镀层的材质、厚薄,传感器的灵敏度会略有变化。

⑤被测体表面尺寸对传感器的影响

由于探头线圈产生的磁场范围是一定的,而被测体表面形成的涡流场也是一定的。这样就对被测体表面大小有一定要求。通常,当被测体表面为平面时,以正对探头中心线的点为中心,被测面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上;当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线正交时,一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上,否则传感器的灵敏度会下降,被测体表面越小,灵敏度下降越多。实验测试,当被测体表面大小与探头头部直径相同,其灵敏度会下降到72%左右。被测体的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深度由频率、材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄,将会造成电涡流作用不够,使传感器灵敏度下降,一般要求厚度大于0.1mm以上的钢等导磁材料及厚度大于0.05mm以上的铜、铝等弱导磁材料,则灵敏度不会受其厚度的影响。

(3)电涡流传感器安装的影响因素

①对被测体的要求

为了防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出安装时传感器头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间,如果在某一部位要同时安装两个以上的传感器,就必须考虑是否会产生交叉干扰,两个探头之间一定要保持规定的距离,被测体表面积应为探头直径3倍以上,当无法满足3倍的要求时,可以适当减小,但这是以牺牲灵敏度为代价的,一般是探头直径等于被测体表面积时,灵敏度降低至70%,所以当灵敏度要求不高时可适当缩小测量表面积。

②对工作的温度的要求

一般进口涡流传感器最高温度不大于180℃,而国产的只能达到120℃,并且这些数据来源于生产厂家,其中有很大的不可靠性,据相关的各种资料分析,实际上,工作温度超过70℃时,电涡流传感器的灵敏度会显著降低,甚至会造成传感器的损坏,在核电站工业、涡轮发动机制造、火箭发射、汽车发动机检验、冶金钢铁熔炉等领域必要耐高温的电涡流传感器耐受性必须很高,据悉英国真尚有集团电涡流传感器设计工程师成功研发出了能够耐受上千摄氏度的此类传感器。电涡流传感器的灵敏度受温度的影响,在轴振测量中安装使用电涡流传感器应尽量远离汽封,只有特制的耐高温传感器如高低温电涡流传感器才能用于安装汽封附近。

③对探头支架的要求

电涡流传感器安装在固定支架上,因此支架的好坏直接决定测量的效果,这就要求支架应有足够的刚度以提高自振频率,避免或减小被测体振动时支架也同时受激自振,资料表明,支架的自振频率至少应为机械旋转速度的10倍,支架应与被测表面切线方向平行,传感器垂直安装在支架上,虽然探头的中心线在垂直方向偏15°角时对系统特性没有影响,但最好还是保证传感器与被测面垂直。

④对初始间隙的要求

各种型号电涡流传感器,都在一定的间隙电压值下,它的读数才有较好的线性度,所以在安装传感器时必须调整好合适的初始间隙,对每一套产品都会进行特性试验,绘出相应的特性曲线,工程技术人员在使用传感器的时候必须仔细研究配套的校验证书,认真分析特性曲线,以确定传感器是否满足所要测量的间隙,一般传感器直径越大所测量间隙也越大。

四、生产情况

1、上海安偌电子科技有限公司

VB-Z9900一体化电涡流位移传感器 VB-Z9800 系列电涡流位移传感器

2、上海闵融电子科技有限公司 8mm/5mm 涡流传感器

8mm/5mm 涡流传感器

五、价格情况

名称 价格(元) VB-Z9900一体化电涡流位移传感器 1730 VB-Z9800 系列电涡流位移传感器 3190 8mm/5mm 涡流传感器 1800

六、参考文献

【1】百度百科.电涡流传感器

【2】司倩倩.电涡流传感器稳定性评价与实验研究

传感器

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