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DF3100系列电涡流位移传感器工作原理
发布时间:2020-05-29   点击次数:97次

系统简介

为何采用电涡流传感器

电涡流位移传感器能测量被测体(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、抗干扰能力强、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

系统主要包括探头、延伸电缆(用户可以根据需要选择)、前置器和附件。

与美国本特利(BN)公司产品兼容

   DF3100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)公司产品水平,可直接替换(BN)公司3300、7200、及3300 XL系列产品。

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的范围没有金属导体接近,则发射到这一范围内的能量都会被释放;反之,如果有金属导体接近探头头部,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,既改变了线圈的有效阻抗。这种变化即与电涡流效应有关,又与静磁学效应有关,既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参数有关。假定金属导体是均质的,其性能是线形和各向同性的,则线圈——金属导体系统的磁导率u、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I和频率ω等参数来描述。因此线圈的阻抗可用函数Z=F(u,r,I,ω)来表示。  

如果控制u,σ,r,I,ω恒定不变,那么阻抗Z就成为距离的单值函数,由麦克斯韦尔公式,可以求得此函数为一非线形函数,其曲线为“S”型曲线,在一定范围内可以近似为一线形函数。

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化成电压或电流输出。这个电子线路并不是直接测量线圈的阻抗,而是采用并连谐振法,见图1-3,即在前置器中将一个固定电容C0=C1×C2/(C1+C2)和探头线圈LX并连与晶体管T一起构成一个振荡器,振荡器的振荡幅值UX与线圈阻抗成比例,因此振荡器的振动幅度UX会随探头与被测间距δ改变。UX经检波滤波,放大,非线形修正后输出电压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,即在线形区中点δ0处(对应输出电压UO)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

探 头

探头对正被测量表面,它能精确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。

   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可靠工作。头部直径取决于其内部线圈直径,由于线圈直径取决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DF3100系列设计了Φ5、Φ8、Φ11、Φ25、Φ35、Φ50六种标准直径的头部体,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.

 高频电缆是用于连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,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,对于安装现场安装探头电缆无管道布置的情况,应该选择铠装。

   探头电缆接头是符合美用规范MIL-C-39012的高频同轴接头。

   探头整体各部件通过机械变形连接,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)用来连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,选择延伸电缆的长度应该使延伸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。

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。

DF3100系列前置器统一一种安装尺寸,提供两种输出方式:

   前置器如图1-7所示。

  • 外型尺寸:77mm*37mm*61mm
  • 安装尺寸:面板安装:51mm*51mm,采用四个M4*15螺栓安装;(作为产品附件提供)

导轨安装:直接卡入DIN轨道,安装方便。(作为产品附件提供)

  • 电压输出:供电电源Ut:-20Vdc~ -26Vdc,输出电压极限:-0.7~(Ut+1)V;
  • 线性范围输出起始电压:-2V。(一般为:-2~-18Vdc输出)

  • 电流输出:供电电源Ut:+18Vdc~+30Vdc,输出电流:4-20mA。
  • 探头插座是与探头和延伸电缆接头同一系列的高频插座,电源、输出端子是标准的重载隔离型三端接线端子。
  • 前置器外壳是用铝铸造而成,表面已进行喷塑处理。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)连接;在底板和安装孔处都加装了工程塑料绝缘,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”)。
  • 将工程塑料底板扳开,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,一般不要打开底板。前置器的使用设计:
  • 前置器的结构使高频插座内凹,不易损坏高频插座。
  • 四端接线端子镶嵌固定,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。(一般要求在接线时,请仔细检查端子是否接错后,才给传感器通电)
  • 前置器的核心是电子线路板,除个别校准用的元件外,其它元件均用还氧树脂灌封,这样可以提高前置器的抗振,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。
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