电涡流传感器的应用
　　
　　目录
　　
　　前言2
　　
　　*章综述2
　　
　　*节系统简介2
　　
　　为何采用电涡流位移传感器2
　　
　　系统组成2
　　
　　与美国本特利（BN）公司产品兼容2
　　
　　第二节系统的工作原理2
　　
　　第三节产品说明2
　　
　　探头2
　　
　　延伸电缆2
　　
　　前置器2
　　
　　产品出厂标记2
　　
　　标准配套附件2
　　
　　相关资料2
　　
　　第四节被测体尺寸与材料的影响2
　　
　　被测体尺寸的影响2
　　
　　被测体表面加工状况的影响2
　　
　　被测体材料的影响2
　　
　　被测体表面残磁效应的影响2
　　
　　被测体表面镀层的影响2
　　
　　第二章使用说明2
　　
　　*节验收与保存2
　　
　　出厂包装2
　　
　　到货验收2
　　
　　贮存2
　　
　　第二节传感器的典型应用2
　　
　　轴的径向振动测量2
　　
　　轴向位移测量2
　　
　　鉴相器测量2
　　
　　转速测量2
　　
　　第三节探头的安装2
　　
　　安装探头时，您应注意以下几个问题：2
　　
　　各探头间的距离2
　　
　　探头头部与安装面的距离2
　　
　　探头安装支架选择2
　　
　　探头安装间隙2
　　
　　探头所带电缆的安装2
　　
　　电缆接头的密封与绝缘2
　　
　　探头的抗腐蚀性2
　　
　　探头的高压环境2
　　
　　探头安装的一般步骤2
　　
　　第四节延伸电缆的安装2
　　
　　延伸电缆转接头的密封与绝缘2
　　
　　铺设延伸电缆管道2
　　
　　延伸电缆安装的一般步骤2
　　
　　第五节前置器的安装2
　　
　　第六节系统连接2
　　
　　第三章校准与维修2
　　
　　*节校准2
　　
　　什么情况下应该对传感器进行重新校准？2
　　
　　校准装置与设备2
　　
　　校准步骤2
　　
　　第二节故障维修2
　　
　　初步检查步骤2
　　
　　附录A型号命名与选型说明2
　　
　　*节探头型号、规格2
　　
　　第二节前置器型号、规格2
　　
　　第三节延伸电缆型号、规格2
　　
　　附录B技术规范2
　　
　　*节技术要求2
　　
　　传感器安全可靠性能2
　　
　　技术指标2
　　
　　系统指标2
　　
　　探头指标2
　　
　　前置器指标2
　　
　　延伸电缆指标2
　　
　　外观2
　　
　　第二节技术指标测试方法2
　　
　　测试设备2
　　
　　除有特殊要求外均按下列环境要求作试验2
　　
　　传感器测试2
　　
　　前言
　　
　　本手册适用于对电子仪表以及对设备监测有实践经验的工程技术人员。您可以通过本手册，了解由美国普林斯顿科技有限公司提供技术，上海航振仪器调试总装的HZ891XL系列电涡流位移传感器系统的工作原理、系统组成、产品性能，并获得传感器安装、维修方面的有关建议。
　　
　　本手册*章综合介绍了传感器的优越性能、各部分组成结构以及传感器系统的基本工作原理和影响传感器系统工作的一些因素。第二章介绍了对传感器系统进行验收的一般程序，以及对传感器系统zui常见的三种使用方式和系统进行安装时应注意的问题提出了一些建议。第三章介绍了传感器系统的重新校准以及故障检查和维修的方法。另外附录A提供了传感器系统的型号命名和选型说明，附录B提供了传感器系统的技术规范。
　　
　　本手册中有关传感器的型号规格的规定以及传感器的详细技术规范是依据美国石油部标准API670提出的。本手册提出的一些安装传感器系统方面的建议，主要参照API670标准以及经验所得，可作您参考之用。
　　
　　若有不详之处，敬请来电来函。
　　
　　*章综述
　　
　　*节系统简介
　　
　　为何采用电涡流位移传感器
　　
　　●电涡流位移传感器可以准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面的相对位置。
　　
　　●电涡流位移传感器长期工作可靠性好、灵敏度高、抗*力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，常被用于对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，可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及进行预测性维修。
　　
　　●从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运行状态主要取决于其核心——转轴，而电涡流位移传感器能直接测量转轴的各种运行状态，测量结果可靠、可信。过去，对于机械的振动测量采用加速度传感器或速度传感器，通过测量机壳振动，间接地测量转轴振动，测量结果的可信度不高。
　　
　　系统组成
　　
　　系统主要包括前置器、延伸电缆（用户可以根据需要选择）、探头和附件。
　　
　　与美国本特利（BN）公司产品兼容
　　
　　HZ891XL系列电涡流位移传感器的各项性能指标相当或接近美国本特利（BN）公司3300、3300XL系列产品水平，可直接替换BN公司3300、3300XL、7200系列产品。
　　
　　第二节系统的工作原理
　　
　　图1-2电涡流作用原理图
　　
　　图1-3传感器原理框图
　　
　　图1-4传感器输出特性曲线
　　
　　传感器系统的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。
　　
　　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的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，而是采用并联谐振法，见图1-3，即在前置器中将一个固定电容和探头线圈Lx并联与晶体管T一起构成一个振荡器，振荡器的振荡幅度Ux与线圈阻抗成比例，因此振荡器的振荡幅度Ux会随探头与被测间距δ改变。Ux经检波滤波，放大，非线性修正后输出电压Uo，Uo与δ的关系曲线如图1-4所示，可以看出该曲线呈“S”形，即在线性区中点δ0处（对应输出电压U0）线性，其斜率（即灵敏度）较大，在线性区两端，斜率（灵敏度）逐渐下降，线性变差。（δ1，U1）——线性起点，（δ2，U2）——线性末点。
　　
　　第三节产品说明
　　
　　探头
　　
　　探头对正被测体表面，它能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1-5所示。
　　
　　图1-5探头典型结构
　　
　　线圈是探头的核心，它是整个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。
　　
　　探头头部采用耐高低温的PPS工程塑料，通过“二次注塑”工艺将线圈密封其中。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，一般情况传感器系统的线性量程大致是探头头部直径的1/2～1/4。我们为HZ891XL系列设计了φ5、φ8、φ11、φ25、φ50五种直径的头部（见附录A），也可生产其它规格的头部体。
　　
　　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。为了能适合不同的应用和安装场合，探头壳体具有不同的型式和不同的螺纹及尺寸规格（见附录A）。
　　
　　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），这种电缆是用氟塑料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），当选择0.5m和1m时必须用延伸电缆以保证系统的总的电缆长度为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。
　　
　　HZ891XL探头、延伸电缆和前置器都带有防腐蚀的符合美国军用规范MIL-C-39012的镀金铜接头。这些接头只需用手指紧固（接头会自动“锁住”），特殊的机械锁紧装置能防止连接松动。接头在安装或拆卸时不需要特殊的工具。。
　　
　　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。
　　
　　延伸电缆
　　
　　作为系统的一个组成部分，延伸电缆（如图1-6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A），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套前置器所要求的长度一致（5m或9m），铠装选择的情况同探头电缆。
　　
　　图1-6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，过长的电缆不便使电缆随探头转动，容易扭断电缆，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。
　　
　　前置器
　　
　　前置器是一个电子信号处理器。一方面前置器为探头线圈提供高频交流电流；另一方面，前置器感受探头前面由于金属导体靠近引起探头参数的变化，经过前置器的处理，产生随探头端面与被测金属导体间隙线性变化的输出电压或电流信号。
　　
　　HZ891XL系列前置器提供两种安装方式及两种输出方式：
　　
　　前置器及安装方式如图1-7所示。
　　
　　●外形尺寸：78mm×61mm×65mm（底板式安装,与我公司HZ891,BN公司3300系列兼容）;
　　
　　90mm×35mm×70mm（导轨式安装,与BN公司3300XL系列兼容）。
　　
　　●安装尺寸：底板安装，51mm×51mm，采用四个M4×12GB29-76螺栓安装（产品附件）；
　　
　　导轨安装，可以方便地安装在标准35mm导轨上。
　　
　　●电压输出：供电电源Ut：-20Vdc～-26Vdc，输出电压极限：-0.7V～（Ut+1）V，线性范围输出起始电压：-2V～-18V；
　　
　　供电电源Ut：±12V～±15V，输出0V～+5V、+1V～+5V、-5V～+5V、0V～+10V、+2V～+10V、-10V～+10V。
　　
　　●电流输出：供电电源Ut：+18Vdc～+30Vdc，输出电流：4～20mA。
　　
　　●接线方式：采用SpringLoc端子，有自动紧固的功能，不需要安装工具即可接线，由于不需要螺栓固定，不会发生松动，。
　　
　　●前置器外壳是用铝铸造而成，为了屏蔽外界干扰，在前置器内部已将壳体与信号公共端（信号地）联接；安装底板和导轨卡座均为工程绝缘塑料，这样可以保证在安装前置器时，使前置器壳体与大地隔离（即所谓“浮地”）。
　　
　　●将前置器反面的标签撕下，打开盖板,可以对前置器进行校准（校准的详细介绍见第三章），除非需要进行传感器系统重新校准或前置器出现故障，一般不要打开盖板。
　　
　　●
　　
　　图1-7前置器
　　
　　前置器的实用设计：
　　
　　●前置器的结构使高频插座内凹，不易损坏高频插座。
　　
　　●三端SpringLoc端子镶嵌固定，直接与内部电路连接，确保连接可靠性。
　　
　　●前置器的容错性：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，电源极性错误保护，输出短路保护。
　　
　　●前置器的核心是电子线路板，除个别校准用的元件外，其它元件均用环氧树脂胶灌封，这样可以提高前置器的抗振、防潮性能。前置器在出厂校准后，各校准元件也用硅胶密封，用户自行校准后，也应这样做。关于校准的详细介绍见第三章。
　　
　　产品出厂标记
　　
　　●前置器的型号和编号贴在前置器壳体表面。
　　
　　●探头及延伸电缆的型号和编号也分别并封在电缆上靠近高频接头处的一段透明热缩套管里。
　　
　　您可以根据出厂校验单上所标明的各型号和编号，对照产品上的标签，按出厂校准的情况进行系统配套，这样在出厂后一年内使用此传感器系统时可以不再校准。但是，一般要求在传感器使用前都应进行校准检查，尤其是当使用条件与出厂校准条件不同时，如被测体材料与出厂校准单注明校准材料牌号不同。
　　
　　标准配套附件
　　
　　●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个垫片（GB97-76，规格与探头螺纹配套）、2个弹簧垫圈（GB93-76，规格与探头螺纹配套），每个反装探头配1个螺母、1个垫圈、1个弹簧垫圈，无螺纹探头一般无配套零件。
　　
　　●每个探头配热缩套管：规格φ8，透明，长200mm（用于编号及保护转接头）。
　　
　　●每个前置器配安装面板及导轨底座。
　　
　　●以上附件均可单独供货。
　　
　　相关资料
　　
　　●产品合格证及出厂校验单
　　
　　●使用手册（本手册）
　　
　　●装箱单
　　
　　第四节被测体尺寸与材料的影响
　　
　　在系统的工作原理部分，介绍了被测金属导体的磁导率μ、电导率σ、尺寸因子r对测量也有影响，因此除了探头、延伸电缆、前置器决定传感器系统的性能外，严格地讲被测体也是传感器系统的一部分，即被测体的性能参数也会影响整个传感器系统的性能。
　　
　　被测体尺寸的影响
　　
　　图1-8被测体中电涡流效应范围
　　
　　探头线圈产生的磁场范围是一定的，在被测体表面形成的涡流场也是一定的，如图1-8所示的涡流区效应范围，几何尺寸可按下列公式计算：
　　
　　C=0.86ras
　　
　　ri=0.52ras
　　
　　ra=1.39ras