一文讀懂電渦流傳感器

電感線圈產生的磁力線經過金屬導體時，金屬導體就會產生感應電流，且呈閉合回路，類似于水渦流形狀，故稱之為電渦流也叫做電渦流效應，其實是電磁感應原理的延伸。

傳感器探頭里有小型線圈，由控制器控制產生震蕩電磁場，當接近被測體時，被測體表面會產生感應電流，而產生反向的電磁場。這時電渦流傳感器根據反向電磁場的強度來判斷與被測體之間的距離。注意：電渦流傳感器要求被測體必須是導體。

電渦流傳感器的工作原理

當接通傳感器系統電源時，在前置器內會產生一個高頻信號，該信號通過電纜送到探頭的頭部，在頭部周圍產生交變磁場H1。

如果在磁場H1的范圍沒有金屬導體接近，則發射到這一范圍內的能量都會被釋放；反之，如果有金屬導體接近探頭頭部，則交變磁場H1將在導體的表面產生電渦流場，該電渦流場也會產生一個方向與H1相反的交變磁場H2。

由于H2的反作用，就會改變探頭頭部線圈高頻電流的幅度和相位，即改變了線圈的有效阻抗。這種變化與電渦流效應有關，也與靜磁學效應有關（與金屬導體的電導率、磁導率、幾何形狀、線圈幾何參數、激勵電流頻率以及線圈到金屬導體的距離參數有關）。

假定金屬導體是均質的，其性能是線形和各向同性的，則線圈——金屬導體系統的磁導率u、電導率σ、尺寸因子r、線圈與金屬導體距離δ線圈激勵電流I和頻率ω等參數來描述。因此線圈的阻抗可用函數Z=F（u，σ，r，δ，I，ω）來表示。

如果控制u，σ，r，I，ω恒定不變，那么阻抗Z就成為距離的單值函數，由麥克斯韋爾公式，可以求得此函數為一非線形函數，其曲線為“S”型曲線，在一定范圍內可以近似為一線形函數。

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體的距離δ的變化轉化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據這一原理實現對金屬物體的位移、振動等參數的測量。

一般來說，傳感器線圈的阻抗、電感和品質因數的變化與導體的幾何形狀、導電率和磁導率有關。也與線圈的幾何參數、電流的頻率以及線圈到被測導體間距有關。

如果控制上述參數中的一個參數改變，其余的不變，那么就可以構成測位移、測溫度、測硬度等的各種傳感器。

電渦流傳感器的結構

電渦流式傳感器結構比較簡單，主要由一個安置在探頭殼體的扁平圓形線圈構成。

電渦流傳感器的特點

電渦流傳感器通過電渦流效應原理，準確測量被測體與探頭端面的相對位置，其特點是長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量、響應速度快、不受油水等介質的影響，常被用于對大型旋轉機械的軸位移、軸振動、軸轉速等參數進行長期實時監測，可以分析出設備的工作狀況和故障原因，有效地對設備進行保護及預維修。

1、電渦流位移傳感器能測量被測體(必須是金屬導體)與探頭端面的相對位置。

2、電渦流位移傳感器長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量、響應速度快、不受油水等介質的影響，常被用于對大型旋轉機械的軸位移、軸振動、軸轉速等參數進行長期實時監測，可以分析出設備的工作狀況和故障原因，有效地對設備進行保護及進行預測性維修。

3、從轉子動力學、軸承學的理論上分析，大型旋轉機械的運行狀態主要取決于其核心——轉軸，而電渦流位移傳感器能直接測量轉軸的狀態，測量結果可靠、可信。

電渦流傳感器的分類

按照電渦流在導體內的貫穿情況,此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。

高頻反射式電渦流傳感器

高頻(>lMHz)激勵電流，產生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離、金屬板的電阻率ρ、磁導率μ、激勵電流i，及角頻率ω等有關，若只改變距離δ而保持其他系數不變，則可將位移的變化轉換為線圈自感的變化，通過測量電路轉換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。

低頻透射式電渦流傳感器

低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度。發射線圈W1和接收線圈W2分別放在被測材料G的上下，低頻電壓e1加到線圈W1的兩端后，在周圍空間產生一交變磁場，并在被測材料G中產生渦流i，此渦流損耗了部分能量，使貫穿W2的磁力線減少，從而使W2產生的感應電勢e2減小。e2的大小與G的厚度及材料性質有關，實驗證明，e2隨材料厚度h增加按負指數規律減小。因而按e2的變化便可測得材料的厚度。

電渦流式傳感器的測量電路

利用電渦流式變換元件進行測量時，為了得到較強的電渦流效應，通常激磁線圈工作在較高頻率下，所以信號轉換電路主要有調幅電路和調頻電路兩種。

調幅式(AM)電路

調頻式(FM)電路

當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。

電渦流傳感器在大型旋轉機械中的應用

電渦流傳感器系統廣泛應用于電力、石油、化工、冶金等行業和一些科研單位。對汽輪機、水輪機、鼓風機、壓縮機、空分機、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉機械軸的徑向振動、軸向位移、鍵相器、軸轉速、脹差、偏心、以及轉子動力學研究和零件尺寸檢驗等進行在線測量和保護。

一、軸向位移測量

對于許多旋轉機械，包括蒸汽輪機、燃汽輪機、水輪機、離心式和軸流式壓縮機、離心泵等，軸向位移是一個十分重要的信號，過大的軸向位移將會引起過大的機構損壞。軸向位移的測量，可以指示旋轉部件與固定部件之間的軸向間隙或相對瞬時的位移變化，用以防止機器的破壞。

軸向位移是指機器內部轉子沿軸心方向，相對于止推軸承二者之間的間隙而言。有些機械故障，也可通過軸向位移的探測，進行判別：1、止推軸承的磨損與失效；2、平衡活塞的磨損與失效；3、止推法蘭的松動；4、聯軸節的鎖住等。

軸向位移（軸向間隙）的測量，經常與軸向振動弄混。軸向振動是指傳感器探頭表面與被測體，沿軸向之間距離的快速變動，這是一種軸的振動，用峰峰值表示。它與平均間隙無關。有些故障可以導致軸向振動。例如壓縮機的踹振和不對中即是。

二、振動測量

測量徑向振動，可以由它看到軸承的工作狀態，還可以看到轉子的不平衡，不對中等機械故障?？梢蕴峁τ谙铝嘘P鍵或基礎機械進行機械狀態監測所需要的信息：1、工業透平，蒸汽/燃汽；2、壓縮機，空氣/特殊用途氣體，徑向/軸向；3、膨脹機；4、動力發電透平，蒸汽/燃汽/水利；5、電動馬達、發電機；6、勵磁機；7、齒輪箱；8、泵；9、風扇、風機；10、往復式機械。

振動測量同樣可以用于對一般性的小型機械進行連續監測?？蔀槿缦赂鞣N機械故障的早期判別提供了重要信息：

1、軸的同步振動，油膜失穩；

2、轉子摩擦，部件松動；

3、軸承套筒松動，壓縮機踹振；

4、滾動部件軸承失效，徑向預載，內部/外部包括不對中；

5、軸承巴氏合金磨損，軸承間隙過大，徑向/軸向；

6、平衡（阻氣）活塞磨損/失效 ，聯軸器“鎖死”；

7、軸彎曲，軸裂紋；

8、電動馬達空氣間隙不勻，齒輪咬合問題；

9、透平葉片通道共振，葉輪通過現象。

三、偏心測量

偏心是在低轉速的情況下，電渦流傳感器系統可以對軸彎曲程度的測量，這種彎曲可由下列情況引起：

1、原有的機械彎曲 ·臨時溫升導致的彎曲 ·在靜止狀態下，必然有些向下彎曲，有時也叫重力彎曲，外力造成的彎曲。

2、偏心的測量，對于評價旋轉機械全面的機械狀態，是非常重要的。特別是對于裝有透平監測儀表系統（TSI）的汽輪機，在啟動或停機過程中，偏心測量已成為不可少的測量項目。它使你能看到由于受熱或重力所引起的軸彎曲的幅度。轉子的偏心位置，也叫軸的徑向位置，它經常用來指示軸承的磨損，以及加載荷的大小。如由不對中導致的那種情況，它同時也用來決定軸的方位角，方位角可以說明轉子是否穩定。

四、脹差測量

對于汽輪發電機組來說，在其啟動和停機時，由于金屬材料的不同，熱膨脹系數的不同，以及散熱的不同，軸的熱膨脹可能超過殼體膨脹；有可能導致透平機的旋轉部件和靜止部件（如機殼、噴嘴、臺座等）的相互接觸，導致機器的破壞。因此脹差的測量是非常重要的。

五、轉速測量

對于所有旋轉機械而言，都需要監測旋轉機械軸的轉速，轉速是衡量機器正常運轉的一個重要指標。而電渦流傳感器測量轉速的優越性是其它任何傳感器測量沒法比的，它既能響應零轉速，也能響應高轉速，抗干擾性能也非常強。

旋轉測量通常有以下幾種傳感器可選：電渦流轉速傳感器、無源磁電轉速傳感器、有源磁電轉速傳感器等。具有需要選擇那類傳感器，則要根據轉速測量的要求轉速等，（轉速發生裝置有以下幾種：用標準的漸開的線齒數（M1～M5）作轉速發生信號，在轉軸上開一鍵槽、在轉軸在轉軸上開孔眼、在軸轉上凸鍵等轉速發生信號裝置。

六、滾動軸承、電機換向器整流片動態監控

對使用滾動軸承的機器預測性維修很重要。探頭安裝在軸承外殼中，以便觀察軸承外環。由于滾動元件在軸承旋轉時，滾動元件與軸承有缺陷的地方相碰撞時，外環會產生微小變形。監測系統可以監測到這種變形信號，當信號變形時意味著發生了故障，如滾動元件的裂紋缺陷或者軸承環的缺陷等，還可以測量軸承內環運行狀態，經過運算可以測量軸承打滑度。

電渦流傳感器在硬幣識別系統中的應用

隨著自動投幣機的廣泛使用，社會上一些不法分子該意地研究現有硬幣的形態、材質，并依此制造出能以假亂真的偽幣，這些偽幣流入市場后導致了自動投幣機不能正常工作，給相關部門造成經濟損失。

我國硬幣的種類繁多，這給硬幣的防偽、識別帶來相當大的難度，硬幣識別的主要技術問題是硬幣的檢測方法，核心是檢測傳感器性能的優劣。

硬幣識別系統的原理框圖如圖所示，其基本工作過程為：當硬幣通過電渦流傳感器時會在其中產生相應的電渦流，信號調理與檢測電路通過適當變換，將電渦流信息轉換成相應的數字量供單片機進行實時分析處理。單片機的處理結果用于控制硬幣計數控制電路及聲光報警電路的工作，完成對硬幣的識別任務。

由電渦流傳感器為檢測元件構成的硬幣識別系統，是針對我國目前發行的1元硬幣的金屬原材料專門設計的。

當硬幣通過投幣入口進入投幣機的路徑時，電渦流傳感器是利用磁路中磁阻變化，并在置于其中的導體內產生電流，這種電流的流線在金屬導體內是閉合的(所以叫做渦流，或稱電渦流)。

此電流還會產生一個交變磁場來阻礙外磁場的變化。從其能量角度來看，因為在被測導體內存在電渦流損耗也會產生電磁效應，因此它既會產生焦耳熱，又要產生磁滯損耗，造成交變磁場能量的損失。這些能量的損耗會使傳感器的等效電抗、等效電感和品質因數值發生變化。

假如使得傳感器與被測導體間的距離保持不變，則傳感器的輸出參數將與被測導體材料的電導率、磁導率成函數關系。當線圈與金屬導體之間的距離固定，傳感器輸出信號的頻率只與磁場中的金屬導體材料的固有性質有關，即信號頻率受線圈電感的影響。

當硬幣靠近線圈時，電感將發生變化，則正弦波頻率也必將發生相應的變化。因此信號頻率的變化反映了硬幣的材質特征，所以可以通過測量傳感器信號的頻率來獲得分辨真假、幣值的依據。利用這個關系可以用來測量金屬材料的電導率、磁導率等參數。

這些參數與導體的材質、幾何形狀等因數有著一定的關系。找出不同金屬材質和體積對系統磁場信息的影響大小而產生的微弱差異，經信號調理電路將這些信號進行處理，之后通過單片微型計算機對所采集數據的智能分析，就能完成對金屬硬幣的識別。

電渦流傳感器在其它領域中的應用

電磁爐

電磁爐是我們日常生活中必備的家用電器之一，渦流傳感器是其核心器件之一，高頻電流通過勵磁線圈，產生交變磁場;在鐵質鍋底會產生無數的電渦流，使鍋底自行發熱，燒開鍋內的食物。

電渦流探雷器

電渦流式接近開關

接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一定的距離(幾毫米至幾十毫米)內檢測有無物體靠近。

當物體接近到設定距離時，就可發出“動作”信號。接近開關的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。這種接近開關只能檢測金屬。

審核編輯：湯梓紅