林喜鑒

（福建省計量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

1 引言

根據(jù)《JJG 644-2003 振動位移傳感器檢定規(guī)程》 6.2.2檢定方法，對電渦流式振動位移傳感器（以下簡稱“傳感器”）的靜態(tài)特性、動態(tài)特性進行檢定。在檢定中發(fā)現(xiàn)，國家檢定規(guī)程未對試件盤材料規(guī)格、傳感器的安裝進行規(guī)范性說明；以及6.2.2檢定方法只對靜態(tài)、動態(tài)特性的檢定進行了文字說明，未給出合理具體的靜態(tài)、動態(tài)檢定裝置原理框圖。

鑒于此，文中將基于電渦流式振動位移傳感器的工作原理，圍繞檢定用試件盤、傳感器安裝對傳感器輸出特性影響展開研究，對試件盤、傳感器的安裝提出規(guī)范性、指導(dǎo)性意見，以提高對傳感器測量的準確性和量值的統(tǒng)一性。并且根據(jù)實驗室的儀器配備，以及對傳感器的實踐檢定，提出一種合理具體的靜態(tài)、動態(tài)檢定裝置原理框圖，為計量行業(yè)對傳感器的靜態(tài)、動態(tài)檢定提供參考。

2 電渦流式振動位移傳感器的工作原理

電渦流式振動位移傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移振動傳感器，系統(tǒng)主要由電渦流探頭、延伸線纜（須連接）、前置器和試件盤(金屬導(dǎo)體)組成。見下圖1所示。

圖1 傳感器系統(tǒng)組成圖

圖2 傳感器輸出特性曲線圖

由上述可知，電渦流式振動位移傳感器是基于電磁感應(yīng)原理而工作的，試件盤（金屬導(dǎo)體）的物理性能、幾何形狀及尺寸對傳感器輸出有影響。但又完全不同于電磁感應(yīng)，并且在實際測量中要避免電磁感應(yīng)對其的干擾。

3 檢定用試件盤的技術(shù)要求

3.1 試件盤的材料

試件盤材料：42CrMo鋼材料（或可用廠家出廠所提供的其他材料）。

在實際應(yīng)用中，傳感器大多數(shù)的測量對象為汽輪機、鼓風機等，故在檢定時，選用與汽輪機等設(shè)備的轉(zhuǎn)軸相同或相近的42CrMo鋼材料作試件盤。因此在檢定時，傳感器系統(tǒng)選用42CrMo鋼材料的試件盤作檢定用，能適合大多數(shù)的測量對象，并對實際應(yīng)用有指導(dǎo)意義。

3.2 試件盤的形狀

（1）試件盤直徑：Φ100mm的圓盤。

因傳感器線圈產(chǎn)生的磁場范圍是一定的，故試件盤材料表面形成的渦流場也是一定的。在檢定使用時，試件盤直徑應(yīng)大于傳感器線圈直徑的2倍，否則傳感器輸出靈敏度會下降。目前實際應(yīng)用中的探頭最大直徑為50mm，故試件盤的直徑可制作為100mm。

（2）試件盤厚度：2mm。

選取厚度大于0.1mm的42CrMo鋼材料試件盤，則不會造成電渦流作用不夠，不會引起傳感器輸出靈敏度降低?？紤]到材料加工工藝，一般選用厚度為2mm的試件盤作檢定用。

3.3 試件盤表面的加工狀況

試件盤表面：試件盤表面應(yīng)保持光潔，無生銹、凹凸槽、劃痕、洞眼等缺陷。

不光潔、不規(guī)則的試件盤表面會給傳感器的輸出造成影響，因此檢定用試件盤表面必須進行精加工拋光處理[1]。

4 傳感器安裝的影響

（1）檢定傳感器時，應(yīng)將傳感器的軸線對與試件盤平面垂直度控制在±2℃內(nèi)[2]。

（2）檢定傳感器時，應(yīng)盡量將傳感器的軸線對準試件盤盤面中心。

（3）檢定時應(yīng)只對單只傳感器進行檢定，避免多只傳感器相互間通過電磁場互相干擾。同時應(yīng)盡量減少周圍電磁干擾對傳感器的影響。

（4）傳感器的輸出電纜及延伸電纜應(yīng)固定合適，防止檢定時產(chǎn)生抖動、碰撞和摩擦現(xiàn)象。

5 靜態(tài)特性的檢定

《JJG 644-2003振動位移傳感器檢定規(guī)程》6.2.2.2靜態(tài)靈敏度的檢定：把位移傳感器安裝在相應(yīng)的位移靜校器上，改變傳感器的測量距離以每10%量程為1個測量點，在整個測量范圍內(nèi)，包括上、下限值共測11個點，順序在各個測量點測量傳感器的輸出值和傳感器的移動距離，以上、下兩個行程為一個測量循環(huán)，一共測3個循環(huán)[3]。

根據(jù)上述檢定方法，設(shè)計開發(fā)出一套振動位移傳感器靜態(tài)特性檢定裝置。裝置結(jié)構(gòu)原理框圖如下圖3所示。將KK8610P直線運動平臺安裝在龍門架上，然后將試件盤固定安裝在龍門架一端的定快平臺的夾具上，被檢傳感器安裝在直線運動平臺的動塊平臺的夾具上，其中動塊平臺上的夾具可以調(diào)整，以配套探頭直徑為Φ5、Φ10、Φ25、Φ50的電渦流式振動位移傳感器。

圖3 振動位移傳感器靜態(tài)特性檢定裝置框圖

該裝置通過計算機控制伺服電機，對動快平臺的速度和位移進行控制，且在運行過程中，實時采集光柵尺反饋的位置信息，并用來控制輸出脈沖，使動快平臺準確定位，從而實現(xiàn)高精度的直線運動控制。該運動控制系統(tǒng)由硬件平臺和軟件平臺兩部分組成。硬件平臺由PC機+DMC2210運動控制卡+MD-18-D交流伺服驅(qū)動器+FRAC10202201伺服電機等組成，PC機發(fā)出位置和軌跡指令給運動控制卡，指令經(jīng)轉(zhuǎn)化處理發(fā)給伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器處理再發(fā)給伺服電機執(zhí)行；MII 1630S-40光柵尺+DMC2210數(shù)據(jù)采集卡+PC機作為實時位移反饋裝置，從而實現(xiàn)高精度的全閉環(huán)運動控制。軟件平臺采用VC++編程開發(fā)出三模塊：上位機界面設(shè)計、運動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)處理界面設(shè)計。該裝置主要技術(shù)性能指標如下表1。

表1 振動位移傳感器靜態(tài)特性檢定裝置的主要技術(shù)性能指標

實際檢定中，通過控制并監(jiān)測安裝在定快平臺上的試件盤、動快平臺上的被檢傳感器之間的位移，且根據(jù)傳感器在各測量位移上的輸出值，根據(jù)《JJG 644-2003振動位移傳感器檢定規(guī)程》6.2.2.2中的計算，從而實現(xiàn)對傳感器靜態(tài)特性的檢定。

6 動態(tài)特性的檢定

《JJG 644-2003振動位移傳感器檢定規(guī)程》6.2.2.7動態(tài)參考靈敏度的檢定：對于測量中用支架固定的傳感器，在檢定中要用適合的支架將被檢傳感器固定在標準振動臺臺面垂直方向上的合適位置，并確保支架及傳感器非活動部分與振動臺臺體之間不產(chǎn)生相對運動[3]。

根據(jù)上述檢定方法，利用現(xiàn)有的中頻振動標準裝置，精加工兩套安裝支架，改造出一套振動位移傳感器動態(tài)特性檢定裝置。裝置結(jié)構(gòu)原理框圖如下圖4所示。

圖4 振動位移傳感器動態(tài)特性檢定裝置框圖

其中一套用于安裝標準加速度計和試件盤，將試件盤剛性地安裝于標準振動臺臺面上方。另一套通過螺母將被檢傳感器的固定支架緊固在中頻標準振動臺的臺體上，確保支架整體與中頻標準振動臺不產(chǎn)生相對運動。將被檢傳感器安裝在支架中的上下高度調(diào)整滑塊上，并確保傳感器軸線位于標準振動臺臺面的垂直方向，調(diào)整傳感器與試件盤的初始間隙，使被檢傳感器工作于線性區(qū)的中點。

在實際檢定中，通過標準加速度計控制和監(jiān)測振動臺，使試件盤產(chǎn)生某頻率的動態(tài)位移Di，并確保Di位于被檢傳感器的動態(tài)范圍內(nèi)，且根據(jù)傳感器在各動態(tài)位移上的輸出值，根據(jù)《JJG 644-2003振動位移傳感器檢定規(guī)程》6.2.2.7中的計算，從而實現(xiàn)對傳感器動態(tài)特性的檢定。

7 結(jié)束語

文中對試件盤的材料規(guī)格、傳感器的安裝等提出具體的規(guī)范性、指導(dǎo)性意見，以提高對傳感器測量的準確性和量值的統(tǒng)一性。并且根據(jù)實驗室的儀器配備，以及對傳感器的實踐檢定，提出一種合理具體的靜態(tài)、動態(tài)檢定裝置原理框圖，為計量行業(yè)對傳感器的靜態(tài)、動態(tài)檢定提供參考。

[1]劉敏，孫長生.電渦流式振動位移傳感器應(yīng)用和運行分析[J].浙江電力,2009, (02):52-54.

[2]羅承剛.電渦流位移傳感器線圈電磁場仿真分析[J].傳感器與微系統(tǒng), 2008,27(03):24-26.

[3]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.振動位移傳感器檢規(guī)程(JJG 644-2003) [M].北京:中國計量出版社,2008.