任務(wù)提出任務(wù)二振動(dòng)和偏心檢測(cè)

在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)和偏心會(huì)影響零件的加工精度，要對(duì)振動(dòng)和偏心進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)控車床加工

采用非接觸式小位移檢測(cè)，選用電渦流傳感器。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在位移測(cè)量、速度檢測(cè)、厚度檢測(cè)等方面廣泛應(yīng)用。相關(guān)知識(shí)

電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換成阻抗的變化而進(jìn)行測(cè)量的。

電渦流是塊狀金屬導(dǎo)體處于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生的呈渦旋狀的感應(yīng)電流。電渦流效應(yīng)是由于電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。一、電渦流傳感器的工作原理在金屬導(dǎo)體上方放置一個(gè)線圈L，線圈中通以電流I1時(shí)，線圈的周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生電渦流I2，I2產(chǎn)生反向磁場(chǎng)H2。

H2和H1方向相反，H2抵消了部分原磁場(chǎng)H1，使線圈的阻抗發(fā)生了變化。線圈的等效阻抗z一般可表示為函數(shù)：Z=F（σ，μ，f，x，r）。其中：σ，μ----被測(cè)金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率；f----激勵(lì)信號(hào)的頻率；x----線圈與金屬導(dǎo)體的距離；r----線圈的尺寸因子，與線圈的結(jié)構(gòu)、形狀以及尺寸相關(guān)。

電渦流在金屬導(dǎo)體中的貫穿深度t與線圈的激勵(lì)源頻率f、導(dǎo)體材料的相對(duì)磁導(dǎo)率μr、電阻率ρ有關(guān)，即：改變激勵(lì)源頻率f，可控制貫穿深度，頻率越高，電渦流的貫穿深度越淺。二、高頻反射式電渦流傳感器用高頻激勵(lì)源施加在線圈上，通過(guò)反射來(lái)檢測(cè)與被測(cè)金屬導(dǎo)體的間距。保持σ、μ、f、r參數(shù)不變，阻抗Z的變化反映了線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離。Z=F（σ，μ，f，x，r）三、低頻透射式電渦流傳感器

用低頻激勵(lì)源施加在線圈上，電渦流的貫穿深度越深，通過(guò)透射來(lái)檢測(cè)被測(cè)金屬導(dǎo)體的厚度。發(fā)射線圈ω1

和接收線圈ω2分別放在被測(cè)材料G的兩側(cè)；若存在被測(cè)材料G，在G中產(chǎn)生渦流,此渦流損耗了部分能量,使貫穿ω2的磁力線減少,從而使ω2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e2減小。低頻電壓e1加到線圈ω1

的兩端后,在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場(chǎng),若沒(méi)有被測(cè)材料G,

ω1產(chǎn)生的磁力線較多地穿過(guò)ω2,在ω2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e2最大。e2

的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān),實(shí)驗(yàn)與理論證明,e2隨材料厚度h增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小?？筛鶕?jù)接收線圈ω2產(chǎn)生輸出電壓e2的大小，確定G的厚度。四、電渦流傳感器外形結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)（一）電渦流傳感器外形4~20mA電渦流位移傳感器外形（參考德國(guó)圖爾克公司資料）齊平式電渦流位移傳感器外形（參考德國(guó)圖爾克公司資料）齊平式傳感器安裝時(shí)可以不高出安裝面，不易被損害。V系列電渦流位移傳感器外形（參考浙江洞頭開(kāi)關(guān)廠資料）齊平式

電渦流探頭外形及調(diào)理電路前置器交變磁場(chǎng)（二）電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)（三）V系列電渦流傳感器的性能指標(biāo)（摘自洞頭開(kāi)關(guān)廠資料）電渦流線圈的直徑越大，探測(cè)范圍就越大——電渦流探雷器五、電渦流傳感器的測(cè)量電路電渦流傳感器的探頭是一個(gè)電感線圈，改變它與被測(cè)金屬板的間距，就改變了電感線圈的阻抗大小，阻抗的變化還要通過(guò)后續(xù)的測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓的變化。（一）電橋測(cè)量電路線圈A、B為相同的電渦流傳感器線圈，組成差分形式，線圈的阻抗作為電橋的橋臂。初始狀態(tài)電橋平衡，無(wú)輸出電壓。當(dāng)測(cè)量時(shí)，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號(hào)進(jìn)行放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正比的輸出。（二）定頻調(diào)幅測(cè)量電路傳感器線圈L和電容C并聯(lián)組成諧振電路，由石英晶體振蕩電路提供一個(gè)穩(wěn)定的高頻激勵(lì)電流i。諧振頻率為：等效阻抗為：，其中R’為回路的等效損耗內(nèi)阻

當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，回路失諧，LC并聯(lián)電路的阻抗下降，電壓u下降。L隨檢測(cè)距離而變化，阻抗跟隨變化，導(dǎo)致u也變化，經(jīng)放大、檢波后，指示表可直接顯示距離的大小。當(dāng)沒(méi)有被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，LC并聯(lián)諧振電路處于諧振狀態(tài)，此時(shí)輸出阻抗最大，u也最大。（三）調(diào)頻式測(cè)量電路傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，由于電渦流的影響，L改變，導(dǎo)致振蕩器頻率跟隨改變。該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量或通過(guò)頻率電壓變換后，再由電壓表測(cè)得。任務(wù)實(shí)施一、合理選擇電渦流傳感器

軸的振動(dòng)和偏心的檢測(cè)，實(shí)際是檢測(cè)電渦流傳感器線圈與被測(cè)軸間的間距的變化，根據(jù)電渦流傳感器的相關(guān)知識(shí)，選用高頻反射式電渦流傳感器。二、正確使用電渦流傳感器（一）被測(cè)導(dǎo)體厚度的選擇高頻反射式電渦流傳感器測(cè)距時(shí)，應(yīng)使導(dǎo)體厚度遠(yuǎn)大于電渦流的軸向貫穿深度；低頻透射式電渦流傳感器測(cè)厚時(shí)，應(yīng)使導(dǎo)體厚度小于電渦流的軸向貫穿深度。（二）勵(lì)磁電源頻率的選擇低頻透射式電渦流傳感器測(cè)厚時(shí)，由于電渦流的貫穿深度。所以對(duì)于檢測(cè)電阻率大的材料的厚度時(shí)，可選用較高的勵(lì)磁頻率；電阻率小的材料應(yīng)選用較低的勵(lì)磁頻率。（三）被測(cè)導(dǎo)體大小的確定線圈在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電渦流密度有一個(gè)范圍。在線圈軸線附近，電渦流密度很小，越靠近線圈外徑，電渦流密度越大，而在直徑為線圈外直徑的1.8倍和0.4倍處，電渦流密度已衰減到最大值的5％。線圈的大小確定了被測(cè)區(qū)域的大小。為了充分利用電渦流效應(yīng)，被測(cè)平板型導(dǎo)體的橫向尺寸應(yīng)大于線圈外徑的1.8倍，被測(cè)圓柱導(dǎo)體的直徑因大于線圈外徑的3.5倍，保證靈敏度不受影響。（四）檢測(cè)距離范圍的確定電渦流強(qiáng)度與線圈到導(dǎo)體的距離成非線性關(guān)系，距離越近，電渦流越強(qiáng)；隨著距離增加，電渦流迅速減小。當(dāng)線圈與導(dǎo)體距離大于線圈半徑時(shí)，電渦流強(qiáng)度已很弱。因此一般取距離與線圈外徑的比值為0.05～0.15之間。（五）使用注意事項(xiàng)安裝探頭時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)夾住位置，使位移變化不超出測(cè)量范圍。被測(cè)軸表面應(yīng)光滑、清潔，沒(méi)有缺陷。探頭線圈要通入合適的高頻電流。系統(tǒng)接線牢固，接觸良好。若傳感器線圈本身未加屏蔽，那么不屬于被測(cè)對(duì)象的金屬物與線圈之間至少要相距一個(gè)線圈直徑的距離。其他案例（一）測(cè)量位移汽輪機(jī)主軸的軸向位移測(cè)量相對(duì)軸位移指的是軸向推力軸承和導(dǎo)向盤之間在軸向的距離變化。1—旋轉(zhuǎn)設(shè)備（汽輪機(jī)）

2—主軸

3—聯(lián)軸器4—電渦流探頭5—夾緊螺母6—發(fā)電機(jī)7—基座軸向推力軸承用來(lái)承受機(jī)器中的軸向力，它要求在導(dǎo)向盤和軸承之間有一定的間隙以便能夠形成承載油膜。汽輪機(jī)主軸的軸向位移測(cè)量1—旋轉(zhuǎn)設(shè)備（汽輪機(jī)）

2—主軸

3—聯(lián)軸器4—電渦流探頭5—夾緊螺母6—發(fā)電機(jī)7—基座被測(cè)軸位移傳感器汽輪機(jī)主軸的軸向位移測(cè)量一般汽輪機(jī)在0.2～0.3mm之間，壓縮機(jī)組在0.4～0.6mm之間。如果小于這些間隙，軸承就會(huì)受到損壞，嚴(yán)重的導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器損壞；因此需要監(jiān)測(cè)軸的相對(duì)位移以測(cè)量軸向推力軸承的磨損情況。

33測(cè)量封口機(jī)工作間隙間隙越大，電渦流越小測(cè)量注塑機(jī)開(kāi)合模的間隙間距（二）測(cè)量振幅（三）測(cè)量變形

對(duì)橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量，須使用多個(gè)傳感器。汽輪機(jī)葉片測(cè)試

測(cè)量懸臂梁的振幅及頻率（四）測(cè)量轉(zhuǎn)速若轉(zhuǎn)軸上開(kāi)z個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（r/min）的計(jì)算公式為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量（五）高頻反射式電渦流測(cè)厚儀在被測(cè)金屬板兩側(cè)對(duì)稱放置兩個(gè)特性相同的電渦流傳感器，間距為D。工作時(shí)，分別測(cè)得與被測(cè)金屬板間距為x1和x2，板厚d=D-(x1+x2)，再將間距x1和x2轉(zhuǎn)換為電壓值相加，與間距D對(duì)應(yīng)的電壓值相減，即可得到與板厚d對(duì)應(yīng)的電壓值。（六）液位監(jiān)控系統(tǒng)（七）安檢門安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過(guò)時(shí)，10KHz的音頻信號(hào)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)就會(huì)在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會(huì)在接收線圈中感應(yīng)出電壓，進(jìn)行報(bào)警。帶有電渦流探頭及X光掃描儀安檢門

計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來(lái)判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺(tái)“軟x光”掃描儀，它對(duì)人體、膠卷無(wú)害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學(xué)圖像。

L11、L12為發(fā)射線圈，密封在上下門框內(nèi)；L21、L22為接收線圈，密封在兩側(cè)門框內(nèi)。當(dāng)10kHz音頻信號(hào)進(jìn)入發(fā)射線圈時(shí)，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。接收線圈和發(fā)射線相互垂直，無(wú)磁路交鏈，輸出電壓為零。

當(dāng)攜帶金屬物品通過(guò)發(fā)射線圈形成的交變磁場(chǎng)H1時(shí)，交變磁場(chǎng)會(huì)在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，電渦流產(chǎn)生一個(gè)新的微弱磁場(chǎng)H2，它與金屬的位置、大小等有關(guān)，但與接收線圈不正交，在接收線圈中感應(yīng)出電壓。計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位判斷金屬物體的大小并報(bào)警。（八）測(cè)量氣體壓力（九）電渦流表面探傷手持式裂紋測(cè)量?jī)x油管探傷用掌上型電渦流探傷儀檢測(cè)飛機(jī)裂紋（十）電磁爐高頻電流通過(guò)勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底產(chǎn)生無(wú)數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開(kāi)鍋內(nèi)的食物。電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線圈

由于存在集膚效應(yīng)，鍍層或箔層越薄，電渦流越小。測(cè)量前，可先用電渦流測(cè)厚儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度的鍍層和銅箔作出“厚度-輸出”電壓的標(biāo)定曲線，以便測(cè)量時(shí)對(duì)照。

（十一）鍍層厚度測(cè)量鍍層厚度測(cè)量示意圖

1－電渦流測(cè)厚儀2－金屬鍍層3－塑料工件塑料表面的金屬鍍層越厚，電渦流就越大。測(cè)量絕緣層厚度與測(cè)量金屬鍍層的原理是相反的。絕緣層越厚，探頭與金屬板之間的距離就越大，電渦流就越小。仿真實(shí)驗(yàn)趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)）交變磁場(chǎng)的頻率f越高，電渦流的滲透深度就越淺，趨膚效應(yīng)越嚴(yán)重?？梢岳泌吥w效應(yīng)來(lái)控制非電量的