机械量测量

它一般做成扁平空心线圈形式。当线圈中通 以高频交流电，并接近被测金属导体表面时，线 圈产生的交流磁场将在金属导体中感应而产生交 流电势，形成电流。此电流的流线在金属中构成 闭合回路，通常称为电涡流。该涡流也会产生交 变磁场、交变磁通。由于该磁通与线圈的激磁磁 通的方向相反，它的存在使线圈的磁场强弱产生 变化，线圈的电感随之改变。进一步分析可知， 线圈电感的改变程度与线圈的几何形状、尺寸、 激磁电流强度i和频率f、金属导体材料的电阻率ρ 和磁导率μ以及线圈与金属之间的距离d等多个因 素有关。对于具体的传感器，线圈的形状与尺寸， i和f均是确定的，对确定的被测金属，ρ和μ也是定 值，因此线圈的电感L将只随线圈与金属导体间的 距离d改变，两者间具有单值对应关系。
回路谐振曲线图
电涡流传感器的输出特性
第二节 振动测量
汽轮机振动的监测项目主要有：轴承的振动、转子 （轴）与轴承间的相对振动及转子的绝对振动。
一、磁电式测振方法
磁电式振动传感器采用一定的力学结构并利用了电磁 感应原理，它将振动的速度转换成线圈的感应电动势作为 传感器的输出信号。此类传感器又分多个种类，按力学原 理可分成惯性式和直接式；按活动部件可分为动线圈式和 动磁钢式。这里介绍国内应用广泛的惯性动磁钢式振动传 感器。
磁阻式测速传感器示意图 1-感应线圈；2-软铁磁轭；3-永久磁钢；4-支架
当汽轮机轴带动测速齿轮转动时，每当齿轮的一个齿的顶部转到磁 阻传感器的位置时，磁路的气隙最小，磁阻最小，磁通最大。齿顶通过 后齿槽转到传感器位置，这时磁路的气隙变得最大，磁阻最大，磁通变 为最小。每经过一个齿，磁通就变化一次。磁通的交变使线圈产生交变 的感应电动势，其值为
磁电式振动传感器结构示意图
1-引线； 2-壳体； 3-线圈； 4-磁钢； 5-芯轴； 6-弹簧片；7-弹簧片
传感器的力学模型
1-集中质量；2-弹簧；3-阻 尼器；4-传感器外壳
被测物体的振动最终通过线圈进行检测。当壳体随被测物体一 起振动时，线圈对磁钢作相对运动，其相对运动的速度与被测物体的 振动速度相等。线圈将以此相对速度切割磁力线，产生与此速度成正 比的感应电动势，并以此作为输出信号。此电动势为
nz f 60


式中Z——糟数或齿数。 当制成 z=60时，f=n，电脉冲信号的频率就等于轴的转速。
dz E BL dt
式中B——磁场气隙中的磁感应强度，T； L——线圈导线的总长度，m； dz／dt——线圈与磁钢之间的相对直线运动的速度，m／s。 由于传感器输出的电势与振动速度成正比，用此信号就可监测运 动的速度，这种传感器又称为速度传感器。如需要测量振动幅值 （Xm或Zm）的大小，就应加一个积分器，对输出电势 E进行积分。 如积分结果以Eˊ表示，则
电涡流传感器的结构形式比较简单，其主要元件由线圈和框架组成。 线圈形状大多为扁平形，框架的形状则以被测对象而定，有圆柱形、环形等。 CZF1型涡流传感器的结构，其框架用聚四氟乙烯制成，线圈绕在框架的槽 内。
CZF1型传感器结构图 1-线圈；2-框架；3-框架衬套；4-支架；5-电缆；6-插头
调幅式测量原理示意图
第一节 位移测量
位移测量的方法很多，主要有机械式、液压式、电感式、差动 变压器式和电涡流式等几种。
一、电感式位移测量装置
该装置采用了互感式原理，从结构上可看成由电感式位移传感器 和位移指示仪表组成。
电感式位移传感器的构造 1-铁芯；2-转子凸缘
二、差动变压器
差动变压器能把位移信号转换成交流电压信号，因此 可作为测量轴向位移的传感器。美国本特利7200系列的线 性差动变压器就是在此基础上完善后推出的，可作为测轴 向位移和转子与汽缸之间的胀差的传感器。线性差动变压 器（LVDT）的结构示意图如图所示。
2M 2 R R1 2 R 2 R L
线圈的品质因数为
L 2M 2 1 L1 R 2 M 2 L L1 Q R 2M 2 R R1 1 R1 R 2 M 2
上述分析说明：电涡流传感器的等效阻抗 Z、等效电感L′和 品质因数均随传感器与被测物体的距离变化，当其他因素确定 时，它们之间会存在—一对应的关系。因此，电涡流传感器可 把位移信号转换成线圈阻抗、电感和Q值这三种参数的变化信 号。
E W
d 10 8 V dt
式中 W——线圈的匝数； Φ——穿过线圈的磁通。 因为对确定的传感器，W为定值，dΦ/dt将只决定于轴的转速，所以 E与转速有对应关系。 传感器线圈产生的交流感应电动势的频率为
nz f 60
式中Z——齿轮的齿数； n——转速。 如齿轮做成 z=60，则 f=n，即交流信号的频率就等于被测的转速。
可解得线圈的等效阻抗为
U1 2M 2 2M 2 Z R1 2 R j L1 2 L 2 2 I1 R L R L
Z = R′+ jL′
M L 2 R 2 L
2 2
L L1
二、磁敏式测速传感器
当长方形半导体薄片（即霍尔片）受到与电流方向垂 直的磁场作用时，不仅会出现霍尔效应产生霍尔电势，还 会出现半导体电阻率增大的现象，即所处的磁场越强，半 导体片的电阻率越大，电阻也越大，这种现象称为磁阻效 应。利用磁阻效应可制成磁阻器件，又称为磁敏电阻。 当测速齿轮随主轴旋转，某一个齿的顶部接近传感器 时，由于磁场的变化，两个磁敏电阻R1和R2的阻值均发生 变化，一个增大，另一个减小。使电桥失去平衡，输出电 压信号；当该齿离开传感器时，磁场向反方向改变，两磁 敏电阻向反方向变化，电桥向反方向不平衡，输出极性相 反的电压信号。每当一个齿经过传感器一次，桥路输出电 压信号就变化一次。 此交变的输出电压经触发电路5和快速推挽直流放大 器，变成一个边缘很陡的脉冲信号。该脉冲信号的频率为
我们把整个传感器等效成一个变压器，而把空心线圈看成变压 器的初级绕组，其电感与电阻分别为L1和R1，金属导体中的电涡流 回路看成是变压器的次级绕组，其等效电阻与电感分别以R和L表示， 线圈与金属之间的互感系数为M，则可作出图7－7所示的等效电路， 并可列出方程
R1I1 jL1 I1 jMI 2 U1 jMI1 RI 2 jLI 2 0
线性差动变压器
线性差动变压器的输出
三、电涡流式传感器
电涡流检测技术是较为通用的检测技术。电涡流传感 器具有结构简单、灵敏度高、测量线性范围大、不受污染 介质影响以及抗干扰能力强等优点。它在火电厂被广泛用 来测量汽轮机的轴向位移、振动、转速及主轴偏心度等参 数。电涡流传感器在其他部门与领域也有广泛的应用。 电涡流式传感器的结构原理示意如图所示。
f nz 60
磁敏式转速测量装置示意 （a）结构；（b）电气线路 1-测速齿轮；2-传感器；3-磁敏电阻；4-稳压器源自文库5-触发电路；6-放大电路
三、电涡流法测转速
电涡流法测转速的原理与测位移、振动情况相同。用电涡流传感 器测转速，要在被测转动轴上开一条或几条槽，或在轴上安装一个有 齿的圆盘，并在紧靠它的位置安装电涡流传感器。每当轴上的一根槽 或圆盘上的一个齿通过电涡流传感器一次，传感器的涡流作用就变化 一次，使传感器线圈的有效阻抗、有效电感随之变化一次。随着轴的 转动，传感器线圈的有效阻抗、有效电感将会作周期性变化，经过测 量电路的处理，最终输出周期性变化的脉冲信号，其频率为
第三节 转速的测量
测量转速的方法有很多种，常用的有离心式、测速 发电机式、磁阻式、磁敏式和电涡流式等。 一、磁阻式测速方法 磁阻式测速传感器由测速齿轮和磁阻传感器组成，如图所 示。在被测轴上安装一个由导磁材料制成的齿轮，正对齿 顶方向或在齿侧安装一个磁阻传感器。该传感器由永久磁 钢和感应线圈构成。
积分放大器的工作原理图
二、电涡流式振动传感器
用电涡流传感器测汽轮机主轴振动的安装示意图。传 感器通过支架固定在机体上，并尽可能靠近轴承座。传感 器上加交流电源时，由于电涡流的作用，传感器线圈的等 效阻抗、等效电感会随它与主轴之间距离而改变。
电涡流传感器安装图 1-主轴；2-传感器；3、 4-支架；5-机体
E Edt BL
0 0
t
t
t
dz dt dt
z Z m sin(t )
BLZ m sin(t )
dz Z m cos( t ) dt
E BLZ m cos( t )dt
0
图所示是一种积分放大器的原理框图。Ui为速度传感 器的输出电势，R1和C1组成了积分电路，经积分后的信号 再进行放大，然后由V1检波。检出的脉动直流信号由R2、 C2组成的滤波器滤波成平滑的直流，最后送到指示表，指 示出振动的幅值。
机械量测量
位移、振动和转速均属于机械量，对电厂热力系 统中的诸如汽轮机等转动机械，这些机械量的测量十 分重要。近年来我国在研制自己的监测仪表系统的同 时，还引进了诸如美国本特利公司7000系列和德国菲利 浦公司的RMS700系列等旋转机械监视保护系统。这些 仪表与系统均已在火电厂使用，它们的投入提高了大 型汽轮机组的运行安全性。在这些装置中参数的测量、 显示都是与报警、保护联系在一起的，它们处于同一 装置中。