机械量测量仪表

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授课日期：化机0531班2007年3月12日

授课班级：化机0531

课题：第六章机械量测量仪表

教学目的：

掌握机械量测量仪表的正确使用、准确读数。教具及参考书：

《机组控制技术》教材、多媒体课件、演示实验讲授过程：（课程内容、教学环节）

教学环节设计:

（1）以“气压机主轴振动超限故障现象”导入新课。

（2）讲新课

（3）演示实验

（4）教学互动，完成教学重点

（5）小结、作业

教学内容：

6 机械量测量仪表

6.1 概述

6.2 电涡流式传感器

6.3应用举例

课程类型：

理论课+演示实验

重点、难点、技能培养：

重点：电涡流式传感器的应用及棒图显示仪的正确读数。

技能培养：

机组控制中常用的位移、振动和转速三种机械量的测量方法及测量仪表正确使用。作业：

（1）安装电涡流式传感器时为什么应当保持电涡流式传感器探头周围有足够

的空间？

（2）安装两个邻近传感器时，两个传感探头之间要保持多大距离？为什么？

课后记：

教学效果很好。

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6 机械量测量仪表

6.1 概述

机械量通常包括各种几何量和力学量，如长度、位移、厚度、转矩、转速、振动和力等。本章主要讨论机组控制中常用的位移、振动和转速三种机械量的测量方法及测量仪表。机械量测量仪表可按测量对象和测量原理分类。按测量对象可分为位移测量仪表、

厚度测量仪表、转矩测量仪表等。按测量原理位移测量仪表可分为电容式、电感式、光电式、超声波式、射线式等。各种机械量检测参数可采用的测量原理见表6-1。

这里讨论的是过程控制中大型转动设备(如汽轮机、压缩机等)轴的位移。汽轮机在启停和运行中，如果转子轴推力轴瓦已烧坏，则转子就要发生前后窜动，因而引起转子轴的轴向位移增大，使汽轮机内部动、静部件间发生摩擦和碰撞，导致大批叶片折断，隔板和叶轮碎裂，造成严重事故。因此，一般汽轮机都设置了轴向位移的监测和保护装置，电涡流传感器的检测探头与转子轴端面保持一定的初始距离。当汽轮机转子轴产生轴向位移时，传感器的输出电压与轴向位移成比例。当位移值超过规定的允许值时，传感器的输出电压可控制报警电路发出报警信号。本章重点介绍广泛应用于大型转动设备(如汽轮机、压缩机等)轴位移、轴振动测量仪表—“电涡流式传感器”

6.2 电涡流式传感器

辽宁石化职业技术学院教案副页电涡流式传感器属于电感式传感器的一种，是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。

电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器也可用于无损探伤。

电涡流式传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。

6.2.1 电涡流式传感器结构原理与特性

当通过金属体的磁通量变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。

如图6-2所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。

一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率、

磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流

频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控

制上述参数中的一个参数改变，而其余参恒定不

变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如

其他参数不变，阻抗的变化就可以反映线圈到被

图6-2 电涡流传感器原理图

测金属导体间的距离大小变化。

在电感式位移检测方法中最常见的是涡流式电感位移检测器，如图6-3所示是电涡

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流式传感器检测探头，探头端部装有高度密封的、发射高频信号的线圈。由于被测物体的端部（一般为转动机器的轴）距离线圈很近，仅有几毫米，线圈通电后产生一个高频磁场，轴的表面在磁场的作用下产生涡流电流。同样，涡流电流也会产生磁场，其场强大小与距离有关，该场强抵消由线圈产生的磁场强度，影响检测线圈的等效阻抗，而等效阻抗与线圈电感量有关，因此就测得位移量。

图6-3 涡流检测探头

6.2.2 高频反射式电涡流传感器

这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。图6-4为某种型号的高频反射式电涡流传感器。

图6-4 高频反射式电涡流传感器

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电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合

程度的变化来进行测量的。因此，被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的

测量装置特性有关。一般来说，被测物的电导率

越高，传感器的灵敏度也越高。

为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的

被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的

1.8倍，否则灵敏度要降低。当被测物体是圆柱体

时，被测导体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，

灵敏度才不受影响。

6.2.3 电涡流式传感器测量电路

电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化

为电压或电流的变化。图6-5是电桥法的电原

理图，图中线圈A 和B 为传感器线圈。传感器

线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电

桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得

到与被测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。

6.2.4 电涡流式传感器使用注意事项

被测物体的表面要光滑、平坦。非钢材被测体和小于三倍传感器直径的被测表面影

响传感器输出特性。传感器出厂时使用45#钢标定，被测对象不符合规定时应重新标定（型

号不同的钢材灵敏度误差小于10%）。应当保持传感器探头周围有足够的空间，在3倍探

头直径范围内，不应有金属体，传感器安装应远离转动体台阶面，这样可避免周围金属

结构的干扰，准确测量振动值。传感器可在有酸碱腐蚀的环境中使用。

振荡器 图6-7 ST-1电涡流式传感器外形图