电涡流式振动位移传感器检定技术的研究

林喜鉴

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

1 引言

根据《JJG 644-2003 振动位移传感器检定规程》 6.2.2检定方法，对电涡流式振动位移传感器（以下简称“传感器”）的静态特性、动态特性进行检定。在检定中发现，国家检定规程未对试件盘材料规格、传感器的安装进行规范性说明；以及6.2.2检定方法只对静态、动态特性的检定进行了文字说明，未给出合理具体的静态、动态检定装置原理框图。

鉴于此，文中将基于电涡流式振动位移传感器的工作原理，围绕检定用试件盘、传感器安装对传感器输出特性影响展开研究，对试件盘、传感器的安装提出规范性、指导性意见，以提高对传感器测量的准确性和量值的统一性。并且根据实验室的仪器配备，以及对传感器的实践检定，提出一种合理具体的静态、动态检定装置原理框图，为计量行业对传感器的静态、动态检定提供参考。

2 电涡流式振动位移传感器的工作原理

电涡流式振动位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移振动传感器，系统主要由电涡流探头、延伸线缆（须连接）、前置器和试件盘(金属导体)组成。见下图1所示。

图1 传感器系统组成图

图2 传感器输出特性曲线图

由上述可知，电涡流式振动位移传感器是基于电磁感应原理而工作的，试件盘（金属导体）的物理性能、几何形状及尺寸对传感器输出有影响。但又完全不同于电磁感应，并且在实际测量中要避免电磁感应对其的干扰。

3 检定用试件盘的技术要求

3.1 试件盘的材料

试件盘材料：42CrMo钢材料（或可用厂家出厂所提供的其他材料）。

在实际应用中，传感器大多数的测量对象为汽轮机、鼓风机等，故在检定时，选用与汽轮机等设备的转轴相同或相近的42CrMo钢材料作试件盘。因此在检定时，传感器系统选用42CrMo钢材料的试件盘作检定用，能适合大多数的测量对象，并对实际应用有指导意义。

3.2 试件盘的形状

（1）试件盘直径：Φ100mm的圆盘。

因传感器线圈产生的磁场范围是一定的，故试件盘材料表面形成的涡流场也是一定的。在检定使用时，试件盘直径应大于传感器线圈直径的2倍，否则传感器输出灵敏度会下降。目前实际应用中的探头最大直径为50mm，故试件盘的直径可制作为100mm。

（2）试件盘厚度：2mm。

选取厚度大于0.1mm的42CrMo钢材料试件盘，则不会造成电涡流作用不够，不会引起传感器输出灵敏度降低。考虑到材料加工工艺，一般选用厚度为2mm的试件盘作检定用。

3.3 试件盘表面的加工状况

试件盘表面：试件盘表面应保持光洁，无生锈、凹凸槽、划痕、洞眼等缺陷。

不光洁、不规则的试件盘表面会给传感器的输出造成影响，因此检定用试件盘表面必须进行精加工抛光处理[1]。

4 传感器安装的影响

（1）检定传感器时，应将传感器的轴线对与试件盘平面垂直度控制在±2℃内[2]。

（2）检定传感器时，应尽量将传感器的轴线对准试件盘盘面中心。

（3）检定时应只对单只传感器进行检定，避免多只传感器相互间通过电磁场互相干扰。同时应尽量减少周围电磁干扰对传感器的影响。

（4）传感器的输出电缆及延伸电缆应固定合适，防止检定时产生抖动、碰撞和摩擦现象。

5 静态特性的检定

《JJG 644-2003振动位移传感器检定规程》6.2.2.2静态灵敏度的检定：把位移传感器安装在相应的位移静校器上，改变传感器的测量距离以每10%量程为1个测量点，在整个测量范围内，包括上、下限值共测11个点，顺序在各个测量点测量传感器的输出值和传感器的移动距离，以上、下两个行程为一个测量循环，一共测3个循环[3]。

根据上述检定方法，设计开发出一套振动位移传感器静态特性检定装置。装置结构原理框图如下图3所示。将KK8610P直线运动平台安装在龙门架上，然后将试件盘固定安装在龙门架一端的定快平台的夹具上，被检传感器安装在直线运动平台的动块平台的夹具上，其中动块平台上的夹具可以调整，以配套探头直径为Φ5、Φ10、Φ25、Φ50的电涡流式振动位移传感器。

图3 振动位移传感器静态特性检定装置框图

该装置通过计算机控制伺服电机，对动快平台的速度和位移进行控制，且在运行过程中，实时采集光栅尺反馈的位置信息，并用来控制输出脉冲，使动快平台准确定位，从而实现高精度的直线运动控制。该运动控制系统由硬件平台和软件平台两部分组成。硬件平台由PC机+DMC2210运动控制卡+MD-18-D交流伺服驱动器+FRAC10202201伺服电机等组成，PC机发出位置和轨迹指令给运动控制卡，指令经转化处理发给伺服驱动器，由伺服驱动器处理再发给伺服电机执行；MII 1630S-40光栅尺+DMC2210数据采集卡+PC机作为实时位移反馈装置，从而实现高精度的全闭环运动控制。软件平台采用VC++编程开发出三模块：上位机界面设计、运动控制系统软件设计、数据处理界面设计。该装置主要技术性能指标如下表1。

表1 振动位移传感器静态特性检定装置的主要技术性能指标

实际检定中，通过控制并监测安装在定快平台上的试件盘、动快平台上的被检传感器之间的位移，且根据传感器在各测量位移上的输出值，根据《JJG 644-2003振动位移传感器检定规程》6.2.2.2中的计算，从而实现对传感器静态特性的检定。

6 动态特性的检定

《JJG 644-2003振动位移传感器检定规程》6.2.2.7动态参考灵敏度的检定：对于测量中用支架固定的传感器，在检定中要用适合的支架将被检传感器固定在标准振动台台面垂直方向上的合适位置，并确保支架及传感器非活动部分与振动台台体之间不产生相对运动[3]。

根据上述检定方法，利用现有的中频振动标准装置，精加工两套安装支架，改造出一套振动位移传感器动态特性检定装置。装置结构原理框图如下图4所示。

图4 振动位移传感器动态特性检定装置框图

其中一套用于安装标准加速度计和试件盘，将试件盘刚性地安装于标准振动台台面上方。另一套通过螺母将被检传感器的固定支架紧固在中频标准振动台的台体上，确保支架整体与中频标准振动台不产生相对运动。将被检传感器安装在支架中的上下高度调整滑块上，并确保传感器轴线位于标准振动台台面的垂直方向，调整传感器与试件盘的初始间隙，使被检传感器工作于线性区的中点。

在实际检定中，通过标准加速度计控制和监测振动台，使试件盘产生某频率的动态位移Di，并确保Di位于被检传感器的动态范围内，且根据传感器在各动态位移上的输出值，根据《JJG 644-2003振动位移传感器检定规程》6.2.2.7中的计算，从而实现对传感器动态特性的检定。

7 结束语

文中对试件盘的材料规格、传感器的安装等提出具体的规范性、指导性意见，以提高对传感器测量的准确性和量值的统一性。并且根据实验室的仪器配备，以及对传感器的实践检定，提出一种合理具体的静态、动态检定装置原理框图，为计量行业对传感器的静态、动态检定提供参考。

[1]刘敏，孙长生.电涡流式振动位移传感器应用和运行分析[J].浙江电力,2009, (02):52-54.

[2]罗承刚.电涡流位移传感器线圈电磁场仿真分析[J].传感器与微系统, 2008,27(03):24-26.

[3]国家质量监督检验检疫总局.振动位移传感器检规程(JJG 644-2003) [M].北京:中国计量出版社,2008.