一種電渦流式擺度監測傳感器溫度綜合補償方法

羅孝兵，王建勇，藍 彥，鄭水華

（1．國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211116；2．新安江水電廠，浙江省建德市 311600）

一種電渦流式擺度監測傳感器溫度綜合補償方法

羅孝兵1，王建勇2，藍 彥1，鄭水華1

（1．國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211116；2．新安江水電廠，浙江省建德市 311600）

發電機組擺度監測傳感器要求越來越趨向一體化和小型化，現在主要使用的電渦流式擺度監測傳感器，需要進行溫度補償才能達到準確測量。本文提出了一種適用于電機組擺度監測使用的一體化電渦流位移傳感器的溫度綜合補償方法，其在線性校正網絡中增加一個溫度綜合補償網路，能夠對傳感器全要素溫度飄移進行補償，其特點是使用器件極少，方法簡單巧妙。

溫度漂移；綜合補償；電渦流；擺度監測

0 引言

目前市場上實現發電機組擺度監測主要采用電渦流式位移傳感器，這種傳感器的優點是可以實現非接觸式測量、靈敏度高、響應快，但是其缺點是容易受到溫度的影響。

本文根據發電機組擺度監測傳感器實際應用要求，在開發一體化、小型化的電渦流式擺度監測傳感器過程中，巧妙的在線性調節網絡中增加溫度綜合補償網絡，既達到綜合溫度補償效果，又實現傳感器一體化、小型化之目的。

1 電渦流傳感器溫漂因素

電渦流傳感器是載流線圈與被測金屬體的統一體，根據克西荷夫定律，可以推導出線圈受金屬導體影響后的等效阻抗Z為[1]：

由此得等效電感為：

等效損耗電阻為：

其溫度穩定性主要取決于以下幾個因素：

（1）傳感器探頭電學特性的溫度漂移，它主要使探頭線圈電阻R1變化，其將引起損耗電阻R的變化。線圈骨架機械結構的材料溫度特性，導致電感L1的變化。

由于銅導線電導率ρ隨溫度升高而增大傳感器探頭線圈電阻R1隨溫度升高而增大，R1∝ρ1（1+a1T）。

（2）被測體短路環損耗電阻R2的溫度特性。因被測金屬體在電渦流效應下產生的短路環同樣存在電阻率的溫度影響，導致短路環電阻R2隨溫度而變化，R2∝ρ2（1+a2T）。

被測體短路環損耗電阻R2的變化將引起等效電感L和等效損耗電阻R的變化，對于調幅調頻式測量電路，這些變化將引起品質因數和輸出頻率變化，最終影響輸出電壓變化。傳感器輸出電壓的高低要看電感L和電阻R升高程度的比值大小[2]。

（3）振蕩回路及其附屬電路參數的漂移使振蕩電路的品質因素發生變化，使輸出電壓峰值出現漂移[3]。

2 現有補償溫度方法及缺點

由以上分析此可知，電渦流位移傳感器受溫度影響的因素幾乎包括傳感器系統的所有部件和材料。

目前這類傳感器現有的溫度補償硬件方法主要有：雙路差動補償的方法、線圈串聯負溫度系數（NTC）電阻補償、無感線圈補償法、采用多股辮線降低線圈電阻法等。這種采用傳統的單一參數溫度補償，只能滿足一般的要求，若要精確測量，很難達到理想的效果。

如果采用溫度綜合補償法, 既能提高系統的穩定性和抑制溫漂的能力，同時改善傳感器的線性關系。但是，目前已知的綜合補償方法主要采用源反饋電路、取樣電路，配套補償線圈的補償方法，原理較復雜，使用器件較多。在機組擺度監測傳感器要求趨向一體化、小型化，最小一體化外形要求探頭直徑小于8mm，電路尺寸僅有6mm寬，長度不超過60mm，因此，已有綜合溫度補償方法方法不能用于制造體積要求小的機組擺度監測傳感器，必須需找新的適用的小型化溫度補償方法。

3 機組振擺綜合溫度補償原理

圖1所示的發電機組擺度傳感器電路結構，由溫度綜合補償網絡、線性校正網絡、振蕩器、檢波器、濾波器、輸出級溫度補償網絡、放大電路、探頭線圈和被測體等構成統一的整體（其中除被測金屬體和探頭線圈外，其余部分構成前置檢測器）。

相對一般的前置檢測器，其在前置檢測器的線性校正網絡中增加了溫度綜合補償網絡，而線性校正網絡是振蕩器的負反饋網絡，能夠綜合傳感器探頭的溫漂、被測金屬體的電磁參數溫漂以及前置檢測器振蕩器的溫度漂移等各種因素。

圖1 具有溫度綜合補償網絡的擺度傳感器電路框圖

線性校正網絡的特性是當電阻增大時，振蕩器的負反饋增強，傳感器輸出電壓減小；而當電阻減小時，振蕩器的負反饋減弱，傳感器輸出電壓增大（如圖2所示）。

圖2 線性校正網絡阻值對輸出影響趨勢

而傳感器的輸出因各種參數的溫度漂移而發生變化（如圖3所示），當溫漂升高時，輸出電壓增大，相當于線性校正網絡的電阻減小；當溫度降低時，輸出電壓減小，相當于線性校正網絡的電阻增大。

圖3 溫度對輸出影響趨勢

結合以上線性調節網絡電阻值及溫度變化影響輸出電壓趨勢關系，當溫漂升高時，通過將溫度綜合補償網絡的電阻增大，使線性校正網絡電阻增大；反之，當溫度降低時，通過將溫度綜合補償網絡的電阻減小，使線性校正網絡的電阻減小；適當調節溫度綜合補償網絡的溫度補償系數，就可以補償傳感器的各位移點的溫度漂移，實現溫度綜合補償。

4 綜合溫度補償實現

具體補償電路如圖4所示（圖中用虛線框將各功能網絡/電路分隔開）。

圖4 具有溫度綜合補償的前置檢測器電路

前置檢測器電路包括溫度綜合補償網絡Ⅰ、線性校正網絡Ⅱ、振蕩器Ⅲ、檢波器Ⅳ、濾波器Ⅴ、輸出級溫度補償網絡Ⅵ、放大電路Ⅶ等。溫度綜合補償網絡Ⅰ與線性校正電阻R4串聯在一起,構成新型線性校正網絡Ⅱ，是振蕩器的負反饋網絡的一部分。

綜合溫度補償網絡電路如圖5所示，線性校正網絡由濾波電感L1及可調電阻R4構成，綜合溫度補償網絡由線性正溫度系數熱敏電阻R1及溫度系數調節電阻R2構成。

為實現發電機組的擺度傳感器綜合溫度補償，可以下按步驟操作：

（1）首先使R2=0Ω，獲取擺度傳感器線性校正網絡電阻R4與輸出電壓的非線性調節關系；

（2）通過溫度影響實驗獲取擺度傳感器溫度與輸出關系；

（3）根據線性校正網絡的非線性調節關系和溫度—輸出關系，求出線性校正網絡電阻變化值與溫度的關系式：

圖5 綜合溫度補償網絡構成

（4）調節R2，使綜合溫度補償網絡的溫漂系數與所求得的值基本一致，如式5所示，即可獲得傳感器的綜合溫度補償網絡電阻匹配值；

（5）將綜合溫度補償網絡與線性校正網絡的串聯在一起，構成新型線性校正網絡；利用其非線性調節特性，即可動態地改變擺度傳感器的溫度補償量，達到綜合溫度補償目的。

在完成綜合溫度補償后，最終進行綜合的溫度影響度測試，測試數據如表1所示。

表1 溫度補償前后溫度影響度測試對比表

由表1中數據可見,利用綜合溫度補償網絡，可將傳感器的溫度漂移系數控制在較低的0.05%范圍內，優于JJG+644-2003+振動位移傳感器檢定規程的0.1%/℃要求。

5 綜合溫度補償擺度傳感器驗證

采用綜合溫度補償技術所研制的電渦流式發電機組擺度監測傳感器于2015年3月5～7日，在新安江水電站進行了國內外傳感器對比實驗。

具體實驗方法是在新安江進行9號機組上導X向安裝自制NEJ03002擺度傳感器，在上導Y向采用國外申克的擺度傳感器，擺度實際監測獲得的波形如圖6所示，所監測到的波形、波幅基本一致，其

圖6 新安江水電廠對比測試結果圖

中2.5Hz附近的基頻幅度自制NEJ03002擺度傳感器為35.5um，申克的擺度傳感器為37.2um，滿量程為2mm，相互之間互差小于0.1%FS。可見，采用綜合溫度補償技術所研制的電渦流式發電機組擺度監測傳感器測量效果完全到達國內外相應傳感器先進水平。

6 結束語

采用在電渦流傳感器的線性校正網絡中增加一綜合溫度補償網絡，綜合補償傳感器探頭溫漂、被測金屬體的電磁參數溫漂以及前置檢測器振蕩電路器件溫度漂移等情況，解決了發電機組一體化、小型化擺度傳感器的綜合溫度補償技術難題。

對于不同的被測體，僅需要對綜合溫度補償網絡有關參數進行適當調整即可達到相應地補償，因而可適用于各類電渦流傳感器的綜合溫度補償，具備廣泛的實用性。

目前，已在松江河、豐滿水電站、富春江水電站等獲得實際應用。

[1] 袁希光．傳感器技術手冊[M]．北京：國防工業出版社,1996．

[2] 王薇，曲昀卿，李娟，等．電渦流傳感器的溫度補償．傳感器與儀器儀表, 2008，24（6-1）：157-159．

[3] 叢華，張德魁，趙鴻賓．電渦流傳感器穩定性研究．清華大學學報（自然科學版）,1999，39（10）：65-68．

[4] 樊樹江,吳峻,楊光，等．電渦流傳感器溫度漂移分析及補償實現．傳感器學報，2004（3）：427-430．

[5] 李其朋,丁凡．一類耐高壓電渦流位移傳感器的溫度補償研究．傳感器學報，2006，19（1）：219-221．

[6] 凌保明，諸葛向彬，等．電渦流傳感器的溫度穩定性研究 ．儀器儀表學報，1994，15（4）：342．345．

[7] 杜寶強,葉會英．電渦流傳感器溫漂的綜合補償．半導體技術，2004，29（10）：50-52．

羅孝兵（1973—），男，高級工程師，主要研究方向：監測儀器與電力自動化技術。E-mail：lxbrobin@163．com

王建勇（1963—），男，工程師，主要研究方向：水電廠自動化監控現場檢修技術。

藍 彥（1969—），男，高級工程師，主要研究方向：監測儀器與電力自動化技術。

A method for temperature comprehensive compensation of eddy current type pendulum monitoring sensor

LUO Xiaobing1, WANG Jianyong2, LAN Yan1, ZHENG Shuihua1（1 State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211116,China; 2 Xin’An River Hydropower Plant Jiande Zhejiang 311600，China）

The generator set monitoring sensor requires more and more tend to the integration and miniaturization.Temperature compensation is needed for the eddy current sensor, which is mainly used for pendulum monitoring now, in order to achieve accurate measurement. A new temperature compensation method was proposed in this paper, which can compensate comprehensively the temperature drift for the eddy current displacement sensor. An integrated compensation network is added to the linear correction network. It can compensate all components of the sensor for temperature drift and its characteristics is of minimal use in devices and simple.

temperature drift; comprehensive compensation;eddy current; pendulum monitoring