1. 引言
轴承作为一种精密零部件，广泛应用于各种旋转机械中。随着高端装备制造业的发展，对轴承的工作性能提出了更高的要求，高转速、高精度、长寿命将是未来轴承的特点 [1] [2]。轴承失效的表现形式很多，例如：在高速轻载工况下，轴承常常会出现打滑现象，使得轴承早期失效，严重影响滚动轴承的使用寿命。轴承打滑较常见的一种形式为滚动体打滑，主要是由于滚动体与滚道的接触表面打滑，打滑还会造成磨损并产生噪音，滚动体与滚道打滑表现为保持架实际转速低于保持架理论计算的旋转速度。因此，对于高速滚动轴承保持架实际转速的测量及打滑率分析是极为重要的 [3] [4]。在轴承回转时，保持架与滚动体、保持架与内外圈之间，润滑不足或润滑环境污染时，保持架与相互作用部件间的摩擦、磨损和碰撞加剧，产生的摩擦力和碰撞力对保持架的受力和稳定性影响很大。由于摩擦而造成轴承发热和磨损，特别是在高速运转的条件下，由于离心力、惯性力的作用，加速了轴承内部滚动体内外圈与保持架的碰撞、摩擦磨损与发热，严重时会造成保持架烧伤和断裂，致使轴承不能正常使用，保持架损坏在轴承失效形式分析中占重要地位。因此，研究保持架的运动轨迹及其稳定性是为了判断轴承的在线运转条件，以及选取轴承设计参数提供依据 [5] [6]。
在本次特种轴承性能测试试验中，轴承在高温润滑油的喷淋下高速运转，并受到轴向和径向的大载荷加载以及不定时的冲击载荷。而保持架的外形和所处位置更难以进行测量。所以整个系统的难点是保持架的测量部分。非接触的位移传感器主要有电涡流传感器，差动变压器式，红外或激光位移传感器等几种。在润滑油喷淋下，红外和激光传感器基本是失效，而差动变压器式位移传感器的频响太低，不能满足高速旋转保持架的动态测量，故而电涡流位移传感器是最佳选择。
2. 测量原理与过程
2.1. 位移传感器工作原理
电涡流位移传感器的前置器内部的振荡电路产生高频振荡电流，该高频振荡电流经连接电缆进入探头内置线圈，探头由此产生高频变化的磁场。当金属被测物体靠近探头的较近位置时，金属被测物体产生涡流。涡流再生涡流磁场，磁力线方向与探头线圈相反，由此改变了探头的阻抗，引起振荡电路的振荡电压幅值发生变化 [7]。变化后的振荡电压经电压检测电路并滤波放大后，形成输出电压。由此可见，位移变化引起输出电压变化就是电涡流位移传感器的工作机理 [8] [9]。
电涡流位移传感器是一种建立在电涡流效应原理上的传感器，能非接触、高线性度、高分辨率地测量探头与被测金属导体之间静态和动态的相对位移变化，广泛应用于工业现场和实验室研究。电涡流位移传感器的性能对位移测量结果有至关重要的影响，如何优化探测线圈、设计传感器电路系统和提高传感器的线性度及稳定性是设计高性能电涡流位移传感器的难点 [10] [11]。
电涡流传感器测量对象直径要大于2倍传感器测头直径，由于该保持架的厚度仅有4 mm，所以需要的传感器测头直径小于2 mm。市场上这么小直径的电涡流传感器很稀少，最终选用的AEC电涡流传感器PU02A测头直径2.2 mm。如图1所示。
电涡流传感器在这种非标准状态下使用，传感器测头的测量会产生测值误差，所以需要对测量值进行重新标定校准。整体设备如图2所示。
2.2. 电涡流位移传感器的校准
电涡流传感器厂家提供的标定值是针对标准尺寸和常规金属材质，但是实际使用状况是特殊金属材质和尺寸不标准的工件，所以存在比较大的误差。这就需要重新标定。我们采用经过计量院鉴定过的微动台架进行标定。台架的精度为0.2 μm，量程600 μm，而电涡流传感器的分辨率为0.3 μm，量程500 μm，线性度为±2%，可以进行标定。而且在取得标定值之后，通过软件对传感器的线性进行修正，将电涡流传感器的线性度提高一倍以上，确保了测量值的准确。另外，在多次反复标定过程中，可以确认电涡流传感器的重复性稳定性良好 [12] [13]。
2.3. 涡流传感器安装
电涡流传感器标定台架如图3所示。
Figure 3. The eddy current sensor calibration bench
图3. 电涡流传感器标定台架
电涡流传感器安装条件有两个：1) 传感器需要微米级的调整。2) 传感器调整好位置，锁紧的时候不会出现位置的微量变化 [14] [15]。
这就需要一套机械结构来保证了。我们根据传感器尺寸，设计制作了能够装夹传感器，能够微调传感器位置，能够锁定位置的卡具，解决了问题。电涡流传感器安装位置简图如图4所示。
Figure 4. Eddy current sensor installation
图4. 电涡流传感器安装
2.4. 抗干扰
电涡流传感器测量在本次应用的电气难点在于解决干扰问题。由于驱动部分采用吉泰科同步变频器 GK820-4T90，性能数据为：额定电流176 A；驱动电机功率90 kw；最大转速20,000 rpm。这个变频器会产生很强的传导干扰和辐射干扰，造成测量值严重失真。为了消除干扰，所以采用了多种办法消除干扰 [16]。
1) 变频器与电涡流变送器分开
将变频器安装在动力机柜内，电涡流变送器安装在控制机柜内，完全物理隔绝。并给变频器配备滤波器，减少对整个设备电源的干扰 [17]。
2) 信号线与动力线分开走线
为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，将模拟量信号线与强电动力线分开走线。距离在30 cm以上。即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规范。
3) 信号线与动力线分别放置在不同的金属软管内
由于整个设备比较大，机械主体距离动力柜和控制柜较远，所以电涡流传感器的弱电信号极易受到变频器和外部设备的干扰；同时由于变频器的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此将电涡流信号线与动力线分别单独走金属软管，以保证信号线与动力线的彻底分开。
4) 模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.5 mm2。在接线时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。
5) 接地处理
a) 设备现场配电柜的接地铜排经过测量后发现的接地不太理想，所以我们在室外将1米角钢砸入地下，周围撒上盐水，重新制作了接地点，接地电阻小于4 Ω。
b) 变频器的接地与电涡流模拟量信号回路各自单独接地。
c) 变频器接地线线径使用22 mm2。
电涡流模拟量信号回路接地线线径4 mm2，而且接地线在可能范围内尽量短，防止接地点离太远，接地端子的电位不安定。
d) 变频电机和设备机械主体的可靠接地。
由于传感器的金属外壳与机械主体之间是导通的，变频电机的干扰会通过机械主体传导到测器上，造成电涡流传感器的测量数值减小非常多。
e) 电涡流传感器电源的处理。
变频器干扰传感器供电电源，对测量产生较大影响。经过反复试验，采用了隔离变压器、精密稳压电源模块、滤波器模块、缠绕磁环、线性电源等方法，才最终解决了干扰问题 [18] [19]。
2.5. 数据撷取处理分析
利用AEC电涡流传感器高达20 K赫兹的反应频率，通过NI公司的16位多功能同步采集卡PCI-6143，NI的CVI开发软件进行开发。在变载负载下，对高速旋转的轴承保持架轴向多点高速同步数据撷取，经过数据处理和计算，最终可以得到保持架打滑度、倾斜角、动态轨迹等重要的性能参数，为下一步的轴承性能改进提供了有力支撑。
3. 结束语
电涡流传感器是一种非接触的线性测量工具，它能够准确测量出被测体和探头端面的相对位置，该传感器可靠性好、灵敏度高、有较强的抗干扰能力，还能准确分析出设备的工作状况及故障原因。本文通过合理布置AEC电涡流传感器对大型旋转机械的保持架打滑度、倾斜角、动态轨迹等重要的性能参数等参数进行实时监测。
基金项目
衢州市科技计划指导性项目(2020010, 2019006)资助。