任艷男*，馮林魁，李生鵬，趙凱，谷志德，王平

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對(duì)EPRO電渦流式位移傳感器進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)校驗(yàn)分析研究

任艷男*，馮林魁，李生鵬，趙凱，谷志德，王平

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州，730070)

文章介紹了EPRO電渦流式位移傳感器工作原理及檢定方法，依據(jù)JJG 644—2003 《振動(dòng)位移傳感器檢定規(guī)程》對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。文章從靜、動(dòng)態(tài)特性兩方面分析得到該傳感器的靜、動(dòng)態(tài)靈敏度，并對(duì)靜態(tài)特性下的輸出電壓及傳感器位移建立回歸模型進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明該傳感器在靜態(tài)檢驗(yàn)下線性特性很好，靜態(tài)靈敏度也符合規(guī)程；在動(dòng)態(tài)靈敏度的分析中分析了動(dòng)態(tài)參考靈敏度、幅值線性度、頻率響應(yīng)，其值均符合標(biāo)準(zhǔn)，表明被校傳感器的線性特性很好。

電渦流式；靈敏度；回歸分析；幅值線性度

引言

電渦流傳感器是一種性能優(yōu)越的非接觸測(cè)量傳感器，這種傳感器適用于對(duì)機(jī)械的振位移、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)的直接在線監(jiān)測(cè)[1-3]。在火力發(fā)電機(jī)組中，主輔機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)行狀態(tài)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)的可靠和準(zhǔn)確是機(jī)組安全運(yùn)行的保障。電渦流傳感器的優(yōu)越性能可以實(shí)現(xiàn)在火電機(jī)組中對(duì)這些旋轉(zhuǎn)部件的位移、振動(dòng)的直接在線監(jiān)測(cè)[4]。

實(shí)際工程運(yùn)用中工作人員定期對(duì)電渦流傳感器進(jìn)行校驗(yàn)可以知道其是否處于正常的工作狀態(tài)，從而保障火電機(jī)組正常、安全運(yùn)行。文章依據(jù)JJG644—2003《振動(dòng)位移檢定規(guī)程》對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，并對(duì)校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析[5]。

1 電渦流傳感器的基本原理及檢定系統(tǒng)

1.1 電渦流傳感器的基本原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，即為電渦流[6]。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器為電渦流式傳感器。當(dāng)傳感器探頭與被測(cè)金屬之間的距離發(fā)生變化時(shí)，探頭中線圈的Q 值發(fā)生變化，Q 值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，振蕩電壓經(jīng)過(guò)檢波、濾波、線性補(bǔ)償、放大處理后再輸出，與探頭的位移值建立起了線性變換關(guān)系[7]。

本文對(duì)動(dòng)態(tài)靈敏度的校驗(yàn)采用比較法，將加速度傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)靈敏度是已知的，通過(guò)測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)和被檢傳感器的輸出電壓，根據(jù)檢定規(guī)程計(jì)算即可得到被檢傳感器的靈敏度[5]。

1.2 檢定系統(tǒng)的組成

電渦流傳感器廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)，對(duì)汽輪機(jī)、水輪機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的軸向位移、偏心等進(jìn)行在線測(cè)量。由于電渦流傳感器起到重要的安全監(jiān)控作用，對(duì)其輸出特性進(jìn)行準(zhǔn)確和可靠的檢測(cè)顯得尤其重要[8]。

位移傳感器靜態(tài)檢定系統(tǒng)主要由電渦流傳感器和供電校驗(yàn)儀組成，其中供電校驗(yàn)儀的主要部件有鐵圓盤、電渦流傳感器模塊、測(cè)微頭、直流穩(wěn)壓電源和數(shù)顯直流電壓表。

位移傳感器動(dòng)態(tài)檢定系統(tǒng)主要由電渦流傳感器、振動(dòng)臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、電荷放大器、功率放大器、分析儀等組成，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、金屬圓盤剛性安裝在振動(dòng)臺(tái)上，被檢傳感器通過(guò)夾具固定在金屬圓盤上方，但不與其接觸，留有一定的間隙。傳感器夾具與振動(dòng)臺(tái)基座剛性連接。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)，即金屬圓盤產(chǎn)生一個(gè)位移量，根據(jù)電渦流效應(yīng)，被檢傳感器會(huì)輸出一個(gè)正比于振動(dòng)位移的電壓信號(hào)，該電壓與振動(dòng)位移的比值即為傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度。信號(hào)分析儀內(nèi)部通過(guò)運(yùn)算完成加速度和位移信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)比較法的計(jì)算公式最終得到位移傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度值。

圖1 位移傳感器動(dòng)態(tài)檢定系統(tǒng)

2 傳感器基本特性檢定分析

傳感器的基本特性是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間的關(guān)系，分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)傳感器的輸人量為穩(wěn)定狀態(tài)的信號(hào)或變化極其緩慢的信號(hào)時(shí)，可用靜態(tài)參數(shù)來(lái)描述和表征傳感器的靜態(tài)特性。理想的傳感器應(yīng)該具有單值的、確定的輸出-輸入關(guān)系，其輸出電量無(wú)論是在靜態(tài)量或動(dòng)態(tài)量輸入時(shí)，都應(yīng)當(dāng)不失真地體現(xiàn)輸入量的變化。

2.1 靜態(tài)靈敏度的檢定

測(cè)量時(shí)傳感器處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)輸出量和輸入量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。對(duì)傳感器靜態(tài)特性的基本要求是，輸出相對(duì)于輸入應(yīng)保持確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。靈敏度傳感器的靈敏度是指在穩(wěn)定工作狀態(tài)下輸出變化量與輸入變化量的比值，即例如，某位移傳感器，當(dāng)位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化200mV,則其靈敏度為200mV/mm。對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的校準(zhǔn)曲線的斜率，為一常數(shù)。

測(cè)量要求：改變電渦流傳感器位移以每10%量程為1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，包括上、下限值共測(cè)量9個(gè)點(diǎn)，順序在各個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量傳感器的輸出值電壓U 和傳感器的移動(dòng)距離L。圖2為測(cè)得的數(shù)據(jù)曲線圖，圖中可以看到輸出的電壓基本呈現(xiàn)一條直線趨勢(shì)，只是在第一個(gè)點(diǎn)處稍微有點(diǎn)偏差，為了更進(jìn)一步說(shuō)明傳感器在靜態(tài)檢定下的線性，建立回歸方程進(jìn)行分析說(shuō)明。

圖2 輸出電壓與位移曲線圖

根據(jù)電渦流傳感器輸出值電壓和傳感器的給定的位移，按最小二乘法計(jì)算，設(shè)回歸方程為：

截距0 和斜率的的計(jì)算分別見(jiàn)式(2) 和式(3)。

圖3 輸出電壓與位移的回歸曲線圖

2.2 動(dòng)態(tài)靈敏度的檢定

測(cè)量時(shí)當(dāng)傳感器的輸入量是周期信號(hào)、瞬變信號(hào)或隨機(jī)信號(hào)(常稱為動(dòng)態(tài)信號(hào)）時(shí)，可用動(dòng)態(tài)參數(shù)來(lái)描述和表征傳感器的動(dòng)態(tài)特性。非線性傳感器的靈敏度為一變量，其靈敏度可表示為S=dY/dX，也可用某一小區(qū)域內(nèi)的擬合直線的斜率表示。通常希望傳感器的靈敏度高，在滿量程內(nèi)是恒定的，即傳感器的輸入輸出特性為直線。

動(dòng)態(tài)指標(biāo)的校準(zhǔn)項(xiàng)目主要有動(dòng)態(tài)參考靈敏度，幅值線性度，頻率響應(yīng)。其中被校傳感器的動(dòng)態(tài)參考靈敏度為被檢傳感器的輸出值與振動(dòng)臺(tái)的位移值之比，其計(jì)算公式如下式所示：

頻率響應(yīng)，是指將一個(gè)以幅度恒定頻率信號(hào)加載到傳感器時(shí)，傳感器輸出隨頻率的變化而發(fā)生增大或衰減、相位隨頻率而發(fā)生變化的現(xiàn)象。EPRO傳感器的頻率響應(yīng)檢定是利用各測(cè)量點(diǎn)傳感器的動(dòng)態(tài)位移靈敏度與動(dòng)態(tài)參考靈敏度的相對(duì)偏差，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示：

表1 頻率響應(yīng)偏差

幅值線性度偏差：

表2 幅值線性度偏差

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用已有的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)振動(dòng)校準(zhǔn)裝置，開(kāi)展電渦流振動(dòng)位移傳感器靜/動(dòng)態(tài)特性的校準(zhǔn)方法。文章介紹了電渦流傳感器的原理并對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程及測(cè)量裝置進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。測(cè)量通過(guò)對(duì)EPRO電渦流位移傳感器靜/動(dòng)態(tài)特性的評(píng)定，全面完善的掌握電渦流振動(dòng)位移傳感器的綜合性能。通過(guò)以上分析和論述可知，該電渦流式傳感器靜/動(dòng)態(tài)靈敏度、幅值線性度、動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)均符合JJG 644—2003 《振動(dòng)位移傳感器檢定規(guī)程》，為實(shí)際電力行業(yè)工程運(yùn)用中計(jì)量檢測(cè)工作提供了一定的參考價(jià)值，保證了電力行業(yè)中振動(dòng)量值的可靠、準(zhǔn)確。

[1] 樊樹(shù)江, 李璐, 吳峻, 等. 新型電渦流傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析[J]. 傳感器技術(shù), 2004, 23(3): 21-24.

[2] 單成祥, 牛彥文, 張春. 傳感器原理與運(yùn)用[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2006.

[3] 譚進(jìn), 戴連平. 電渦流傳感器在使用中應(yīng)注意的問(wèn)題[J]. 化工進(jìn)展, 2003, 22(8): 902-903.

[4] 趙林峰. 調(diào)整渦流傳感器量程的方法及安裝對(duì)測(cè)量精度的影響[J]. 電力安全技術(shù), 2000, 2(4).

[5] 韋宣, 瞿麗莉, 趙婷婷, 等.電渦流式位移傳感器動(dòng)態(tài)靈敏度測(cè)量不確定度評(píng)定[J]. 測(cè)量不確定度, 2016, 26(3): 56-59.

[6] 黎東升, 于光普, 尤傳富. 提高電渦流傳感器靈敏度的方法[J]. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(1): 69-72.

[7] 張勇, 梁平. 電渦流傳感器輸出特性自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 上海計(jì)量測(cè)試, 2010, 2(216): 19-21.

[8] 劉敏, 孫長(zhǎng)生. 電渦流式振動(dòng)位移傳感器應(yīng)用和運(yùn)行分析[J]. 浙江電力, 2009, (2): 52-54.

Research on Static and Dynamic Verification of EPRO Eddy Current Displacement Sensor

REN Yannan*, FENG Linkui, LI Shengpeng, ZHAO Kai, GU Zhide, WANG Ping

(state grid gansu power company power science research institute, Gansu Lanzhou, 730070, China)

This paper introduces the working principle and verification method of EPRO eddy current displacement sensor and analyzes the experimental data according to JJG 644-2003 vibration displacement sensor verification code.The static and dynamic sensitivity of the sensor is obtained from static and dynamic characteristics.In addition, the output voltage and the sensor displacement regression model are analyzed in this paper.The results show that the sensor is linear in static test and the static sensitivity conforms to the rules.In the dynamic sensitivity analysis, the dynamic reference sensitivity, amplitude linearity and frequency response are analyzed and their values are all in line.The results show that the linearity of the sensor is good.

eddy-current type；sensitivity；regression analysis；amplitude linearity

任艷男, 馮林魁, 李生鵬. 對(duì)EPRO電渦流式位移傳感器進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)校驗(yàn)分析研究[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(5): 57-58.

REN Yannan, FENG Linkui, LI Shengpeng, et al. Research on Static and Dynamic Verification of EPRO Eddy Current Displacement Sensor[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 57-58.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.023

TP212

A

1672-9129(2017)05-0057-02

2017-01-10；

2017-02-26。

任艷男（1990-）女 內(nèi)蒙古赤峰市人，國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，職務(wù)：振動(dòng)測(cè)試與研究師；職稱：助理工程師；學(xué)歷：碩士研究生；研究方向：火電廠方向。E-mail: 1147774574@qq.com