對EPRO電渦流式位移傳感器進行靜、動態校驗分析研究

任艷男*，馮林魁，李生鵬，趙凱，谷志德，王平

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對EPRO電渦流式位移傳感器進行靜、動態校驗分析研究

任艷男*，馮林魁，李生鵬，趙凱，谷志德，王平

(國網甘肅省電力公司電力科學研究院，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JJG 644—2003 《振動位移傳感器檢定規程》對試驗數據進行處理分析。文章從靜、動態特性兩方面分析得到該傳感器的靜、動態靈敏度，并對靜態特性下的輸出電壓及傳感器位移建立回歸模型進行回歸分析，結果表明該傳感器在靜態檢驗下線性特性很好，靜態靈敏度也符合規程；在動態靈敏度的分析中分析了動態參考靈敏度、幅值線性度、頻率響應，其值均符合標準，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越的非接觸測量傳感器，這種傳感器適用于對機械的振位移、轉速等運行狀態的直接在線監測[1-3]。在火力發電機組中，主輔機等旋轉部件的運行狀態、振動監測的可靠和準確是機組安全運行的保障。電渦流傳感器的優越性能可以實現在火電機組中對這些旋轉部件的位移、振動的直接在線監測[4]。

實際工程運用中工作人員定期對電渦流傳感器進行校驗可以知道其是否處于正常的工作狀態，從而保障火電機組正常、安全運行。文章依據JJG644—2003《振動位移檢定規程》對其進行校驗，并對校驗結果進行計算分析[5]。

1 電渦流傳感器的基本原理及檢定系統

1.1 電渦流傳感器的基本原理

根據法拉第電磁感應原理，金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁感線運動時，導體內產生呈渦旋狀的感應電流，即為電渦流[6]。根據電渦流效應制成的傳感器為電渦流式傳感器。當傳感器探頭與被測金屬之間的距離發生變化時，探頭中線圈的Q 值發生變化，Q 值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，振蕩電壓經過檢波、濾波、線性補償、放大處理后再輸出，與探頭的位移值建立起了線性變換關系[7]。

本文對動態靈敏度的校驗采用比較法，將加速度傳感器作為標準傳感器，標準加速度計靈敏度是已知的，通過測得標準加速度計和被檢傳感器的輸出電壓，根據檢定規程計算即可得到被檢傳感器的靈敏度[5]。

1.2 檢定系統的組成

電渦流傳感器廣泛應用于電力行業，對汽輪機、水輪機等大型旋轉機械軸的軸向位移、偏心等進行在線測量。由于電渦流傳感器起到重要的安全監控作用，對其輸出特性進行準確和可靠的檢測顯得尤其重要[8]。

位移傳感器靜態檢定系統主要由電渦流傳感器和供電校驗儀組成，其中供電校驗儀的主要部件有鐵圓盤、電渦流傳感器模塊、測微頭、直流穩壓電源和數顯直流電壓表。

位移傳感器動態檢定系統主要由電渦流傳感器、振動臺、標準加速度計、電荷放大器、功率放大器、分析儀等組成，如圖1所示。標準加速度計、金屬圓盤剛性安裝在振動臺上，被檢傳感器通過夾具固定在金屬圓盤上方，但不與其接觸，留有一定的間隙。傳感器夾具與振動臺基座剛性連接。當振動臺產生振動，即金屬圓盤產生一個位移量，根據電渦流效應，被檢傳感器會輸出一個正比于振動位移的電壓信號，該電壓與振動位移的比值即為傳感器的動態靈敏度。信號分析儀內部通過運算完成加速度和位移信號的轉換，通過比較法的計算公式最終得到位移傳感器的動態靈敏度值。

圖1 位移傳感器動態檢定系統

2 傳感器基本特性檢定分析

傳感器的基本特性是指傳感器的輸出與輸入之間的關系，分為靜態特性和動態特性。當傳感器的輸人量為穩定狀態的信號或變化極其緩慢的信號時，可用靜態參數來描述和表征傳感器的靜態特性。理想的傳感器應該具有單值的、確定的輸出-輸入關系，其輸出電量無論是在靜態量或動態量輸入時，都應當不失真地體現輸入量的變化。

2.1 靜態靈敏度的檢定

測量時傳感器處于穩定狀態，此時輸出量和輸入量之間的關系稱為靜態特性。對傳感器靜態特性的基本要求是，輸出相對于輸入應保持確定的對應關系。靈敏度傳感器的靈敏度是指在穩定工作狀態下輸出變化量與輸入變化量的比值，即例如，某位移傳感器，當位移變化1mm時，輸出電壓變化200mV,則其靈敏度為200mV/mm。對于線性傳感器，其靈敏度就是它的校準曲線的斜率，為一常數。

測量要求：改變電渦流傳感器位移以每10%量程為1 個測量點，在整個測量范圍內，包括上、下限值共測量9個點，順序在各個測量點測量傳感器的輸出值電壓U 和傳感器的移動距離L。圖2為測得的數據曲線圖，圖中可以看到輸出的電壓基本呈現一條直線趨勢，只是在第一個點處稍微有點偏差，為了更進一步說明傳感器在靜態檢定下的線性，建立回歸方程進行分析說明。

圖2 輸出電壓與位移曲線圖

根據電渦流傳感器輸出值電壓和傳感器的給定的位移，按最小二乘法計算，設回歸方程為：

截距0 和斜率的的計算分別見式(2) 和式(3)。

圖3 輸出電壓與位移的回歸曲線圖

2.2 動態靈敏度的檢定

測量時當傳感器的輸入量是周期信號、瞬變信號或隨機信號(常稱為動態信號）時，可用動態參數來描述和表征傳感器的動態特性。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，也可用某一小區域內的擬合直線的斜率表示。通常希望傳感器的靈敏度高，在滿量程內是恒定的，即傳感器的輸入輸出特性為直線。

動態指標的校準項目主要有動態參考靈敏度，幅值線性度，頻率響應。其中被校傳感器的動態參考靈敏度為被檢傳感器的輸出值與振動臺的位移值之比，其計算公式如下式所示：

頻率響應，是指將一個以幅度恒定頻率信號加載到傳感器時，傳感器輸出隨頻率的變化而發生增大或衰減、相位隨頻率而發生變化的現象。EPRO傳感器的頻率響應檢定是利用各測量點傳感器的動態位移靈敏度與動態參考靈敏度的相對偏差，其數學表達式如下式所示：

表1 頻率響應偏差

幅值線性度偏差：

表2 幅值線性度偏差

3 結束語

本文利用已有的靜態和動態振動校準裝置，開展電渦流振動位移傳感器靜/動態特性的校準方法。文章介紹了電渦流傳感器的原理并對整個測量過程及測量裝置進行了詳細的介紹。測量通過對EPRO電渦流位移傳感器靜/動態特性的評定，全面完善的掌握電渦流振動位移傳感器的綜合性能。通過以上分析和論述可知，該電渦流式傳感器靜/動態靈敏度、幅值線性度、動態頻率響應均符合JJG 644—2003 《振動位移傳感器檢定規程》，為實際電力行業工程運用中計量檢測工作提供了一定的參考價值，保證了電力行業中振動量值的可靠、準確。

[1] 樊樹江, 李璐, 吳峻, 等. 新型電渦流傳感器的動態響應分析[J]. 傳感器技術, 2004, 23(3): 21-24.

[2] 單成祥, 牛彥文, 張春. 傳感器原理與運用[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006.

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

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

[5] 韋宣, 瞿麗莉, 趙婷婷, 等.電渦流式位移傳感器動態靈敏度測量不確定度評定[J]. 測量不確定度, 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]. 長春工業大學學報, 2012, 33(1): 69-72.

[7] 張勇, 梁平. 電渦流傳感器輸出特性自動檢測系統[J]. 上海計量測試, 2010, 2(216): 19-21.

[8] 劉敏, 孫長生. 電渦流式振動位移傳感器應用和運行分析[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EPRO電渦流式位移傳感器進行靜、動態校驗分析研究[J]. 數碼設計, 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 內蒙古赤峰市人，國網甘肅省電力公司電力科學研究院，職務：振動測試與研究師；職稱：助理工程師；學歷：碩士研究生；研究方向：火電廠方向。E-mail: 1147774574@qq.com