电涡流振幅测量

电涡流振幅测量的基本原理

电涡流传感器基于涡流效应工作。当传感器探头线圈通以高频交流电流时，线圈周围产生交变磁场。若被测件为导电材料且处于该磁场范围内，被测件表面会感应出闭合的涡流。涡流产生的磁场反作用于线圈，改变线圈的等效阻抗。

线圈等效阻抗可表示为

其中 $Z$ 为线圈等效阻抗，单位 $\mathrm{\Omega }$；$R$ 为等效电阻，单位 $\mathrm{\Omega }$；$L$ 为等效电感，单位 $\mathrm{H}$；$\omega$ 为激励角频率，单位 $\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}\mathrm{/}\mathrm{s}$。

当被测件与探头之间的距离 $d$ 变化时，涡流强度及反作用磁场随之变化，导致线圈等效阻抗变化。在传感器线性范围内，阻抗变化量 $\mathrm{\Delta }Z$ 与距离变化量 $\mathrm{\Delta }d$ 近似成比例。测量电路将阻抗变化转换为电压或电流信号输出，即可得到与距离变化对应的电信号。

振幅测量的含义

振幅测量是指测量被测件在振动过程中偏离平衡位置的最大位移量。对于旋转机械，振幅通常指轴心相对于平衡位置的径向位移峰值或峰峰值。电涡流传感器输出信号中，交流分量对应振动位移；该交流分量的电压幅值须按传感器位移灵敏度（标定得到的 V/m 或 mV/μm 等）换算，才能得到机械振幅。换算时还须区分峰值与峰峰值：同一信号的峰值约为峰峰值的一半，两者不可混用。

典型应用布置

径向振动监控：用于汽轮机和空气压缩机等旋转机械。传感器探头对准旋转主轴侧面，测量轴在径向的振动位移。探头轴线通常垂直于轴表面，安装位置应避开轴上的键槽、油孔等表面不连续处，以免产生周期性干扰信号。

叶片振幅测量：用于测量发动机涡轮叶片的振幅。传感器探头对准叶片尖端，叶片旋转时依次通过探头前方，探头输出脉冲信号。通过分析脉冲的幅值或到达时刻变化，可获取叶片的振动信息。

多点并排安置：对于长轴，需在轴附近并排安置数个传感器探头，以监测长轴不同位置的振动。由于长轴在不同位置可能有不同的振动模态和振幅分布，单点测量无法反映整体振动状态，多点测量可获取沿轴向的振幅分布。

机械结构振动测量：对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，若只需获取某一点的振动波形或振幅，单点测量即可；若需获取振动波形沿结构的空间分布或识别空间模态，则须使用多个传感器。桥梁在车辆通过时产生弯曲振动，不同位置的振幅不同，需多点布置以获取沿结构的振幅分布。

测量条件与适用范围

• 被测件必须为导电材料，非导电材料无法产生涡流，不能直接使用电涡流传感器测量。
• 传感器存在线性测量范围，超出该范围后输出与距离不再成线性关系。
• 被测件表面应尽量平整，表面粗糙度、裂纹、镀层不均匀等会影响测量精度。
• 传感器探头与后续测量电路需匹配，测量电路通常包括振荡器、检波器和放大器。
• 对于旋转轴测量，探头安装需保证与轴表面垂直，且与轴之间保持初始间隙处于线性范围中点附近。
• 多点测量时，各探头之间的间距应足够大，避免相邻探头磁场相互干扰。