电涡流传感器在盾构滚刀磨损监测系统中的应用研究

李东利，孙志洪，任德志，孙　伟

(1.中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州　450016；2.河南科技大学，河南 洛阳　471003)



电涡流传感器在盾构滚刀磨损监测系统中的应用研究

李东利1，孙志洪1，任德志2，孙伟1

(1.中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州450016；2.河南科技大学，河南 洛阳471003)

摘要：为了在盾构掘进过程中实时监测滚刀的磨损和工作情况，建立一套基于电涡流传感器的滚刀磨损实时监测系统，将滚刀刀圈与传感器之间的距离变化转换为电压信号，经计算处理后得到滚刀刀圈的磨损量。重点探讨电涡流传感器的检测机制，并设计制作结构紧凑、测量精度较高的非接触式电涡流传感器。结合某工程现场试验结果进行温度补偿，实现了滚刀磨损的实时监测，试验结果表明了电涡流传感器在该系统中的有效性。

关键词：电涡流传感器；盾构；滚刀；磨损监测；温度补偿

0引言

随着我国经济的快速发展，盾构已成为我国资源开发及基础建设中必不可少的重要装备。由于工作环境恶劣，盾构在掘进时滚刀极易磨损，进而可影响设备的工作性能。根据滚刀磨损的形态特征和程度，其磨损状况可分为正常磨损、刀圈偏磨、刀圈崩裂、刀圈移位或脱落等形式[1-2]。滚刀以磨损为主的各种失效状态都会使盾构主驱动扭矩增大，从而影响掘进速度，此时要检查滚刀磨损情况,否则会进一步加大对滚刀的磨损，情节严重时将造成轴承、端盖、刀毂等部件的报废和刀盘的磨损[3-4]。目前，刀具磨损主要依靠液压系统的压力变化完成检测，无法实时监测并且检测精度较低。为了能够有效地解决滚刀磨损检测的问题，设计基于电涡流传感器的滚刀磨损实时监测系统[5-6]。

尽管市场上的电涡流传感器很多，但由于其尺寸限制以及线性范围与传感器尺寸的矛盾等因素而不适用于该系统。另外，在传统硬件的基础上，引入LabVIEW 虚拟仪器控件[7]，用软件对电涡流传感器设计的结果进行计算和补偿，可以寻求到最佳的线性工作关系。因此，开发设计适用于该系统的电涡流传感器势在必行。文献[5-6]介绍了滚刀磨损检测系统及软硬件设计，本文侧重于对电涡流传感器在该系统中的应用展开研究，设计制作适用于该系统的电涡流传感器，并进行工业试验。

1滚刀磨损的实时监测系统

滚刀磨损的实时监测系统由终端节点、中继路由和上位机监控系统组成，系统结构如图1所示。

图1　系统结构

终端节点安装于相应的滚刀刀箱内，中继路由安装于密封舱隔板上，上位机监控系统设置在盾构的主控制室。终端节点的采样模块对滚刀状态进行检测，获取相应的信号并传送给微控单元，经微控单元进行分析处理后的数据以一定的数据格式传送给无线收发模块，无线收发模块对接收的数据包进行调制后发送给中继路由。中继路由接收到终端节点的信号后，通过无线收发模块进行相应的放大解调后将数字信号以有线通信的方式传输到上位机监控系统。上位机监控系统进行相应的处理，将信号转化为方便操作人员观测的图、表等形式，从而实现系统的实时监测功能。当需要切换终端节点的工作模式或工作状态时，上位机监控系统通过有线通信向中继路由发送命令，中继路由通过无线通信将命令下发给终端节点，从而实现系统的实时控制功能。

2电涡流传感器的检测机制

由于滚刀工作时处于旋转状态，该系统必须为非接触式测量；考虑滚刀的工作环境，该系统需要对油污、尘埃、水、泥土等不敏感；由于更换不方便，该系统的传感器必须可以长期工作且可靠性高。因此，该系统采用电涡流传感器测量传感器探头和滚刀刀圈的距离变化，从而实现实时监测滚刀刀圈的磨损。

2.1电涡流传感器的工作原理

电涡流传感器是一种无损检测法，基本结构包括被测的金属导体和传感器探头中的激励线圈，其工作原理如图2所示。激励线圈是由一组同心圆导线所绕成的线圈绕组，传感器工作时在传感器的激励线圈中通以一定频率的高频交变电流[8-10]。

根据法拉第电磁感应定律，当传感器的激励线圈中通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间将产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流i2(即电涡流)，电涡流i2又会产生新的交变磁场H2。H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致激励线圈的等效阻抗相应地发生变化。影响阻抗的参数是由线圈的物理性质决定的，包括磁导率、电导率、线圈尺寸因子、线圈与金属导体的距离、激励电流强度和频率等。线圈的阻抗

z=F(μ,σ,r,x,I,f)[10]。

(1)

由式(1) 可知，当上述参数中只有一个参数变化而保持其他参数不变时，线圈阻抗成为该参数的单值函数。如当改变激励线圈与金属导体的间距并保持其他参数不变，则可通过相应的测量电路通过测得值的变化来实现传感器探头与金属表面间距的测量。

图2　电涡流传感器的工作原理

2.2电涡流传感器的检测方案

电涡流传感器安装于滚刀刀圈前侧，随着滚刀的磨损，滚刀刀圈与电涡流传感器探头的间距逐渐增大，导致电涡流传感器的输出电压变化，从而实现滚刀的磨损监测。此种方法安装方便，对滚刀工作状态影响较小，其安装结构如图3所示。

图3　安装结构

3电涡流传感器的研制

3.1感应线圈的设计

感应线圈的尺寸和形状关系到传感器的灵敏度和测量范围，利用Matlab软件得到传感器线圈的最优结构参数[11]：外径为45 mm，内径为40 mm，轴向厚度为10 mm，匝数为60匝，线径为0.1 mm。

将φ0.1 mm×40股的纱包线缠绕在骨架上，缠绕的同时用黏合剂粘结，防止线圈松动。缠绕结束后用万用表测量线圈的电阻，如果电阻为无穷大，说明线圈断路，则线圈作废。将缠绕好的线圈放置于罐型GU48磁芯中，同时将2根引线接到外面，然后用黏合剂粘结固定线圈在磁芯中的位置。

为了保护感应线圈，设计了一种内径为48 mm、外径为60 mm的POM保护壳，将装有感应线圈的磁芯放置于保护壳中形成间隙配合，线圈的2根引线用胶棒浇注固定，制成电缆后由磁芯侧面的缺口引出。制作完成的感应线圈如图4所示。

图4　制作完成的感应线圈

3.2测量电路的设计

定频调幅式电涡流传感器的电路原理图如图5所示，其特点是输出可以被调理为直流电压，优势在于调节为直流电压后，采用指数运算电路对传感器的非线性段进行优化补偿，可最大限度地扩大传感器量程[12-13]。作为振荡的主要元件，电涡流传感器的线圈与固定电容并联组成LC并联谐振回路。测量时，线圈L的电感值将由于电涡流作用而减小，谐振回路失调，使回路Q值降低，谐振曲线变钝，振荡幅值下降，这种变化对应于距离的变化。

图5　定频调幅式电涡流传感器电路

Fig.5Circuit of constant frequency modulated eddy-current sensor

选择S9013为核心部件构建载波发生器，用于产生幅值稳定的各种振荡信号。由于S9013产生的信号带负载的能力比较弱，在其输出信号后面加一级功率放大，让激励源的带负载能力更强，输出更稳定。放大器前面的信号就是电涡流传感器转换电路后的输出信号，输出电压的幅值会随检测线圈和被测物体的距离而有所改变。射级跟随器的输出信号需要经过检波、滤波，即可得到所需要的直流信号，为了取得低频有用信号，还必须使用滤波器滤除高频分量。

4实验及性能研究

4.1实验

在南宁地铁1号线工程现场进行工业试验，考虑到盾构施工工况的复杂性，使用不锈钢保护壳，并配合使用聚氨酯密封胶确保传感器的使用寿命。将终端节点安装于相应的滚刀刀箱内，路由安置于密封舱隔板上，开启盾构系统使刀盘旋转。通过数据线将信号传送至PC上位机，通过上位机监控系统可以实时监测滚刀的磨损和工作状态。上位机监控系统采用 LabVIEW 编程，实现了 PC 上位机与中继路由之间的通信，将接收到的数据以图片及表格的形式显示。同时对电涡流传感器设计的结果进行计算和补偿，寻求最佳的线性工作关系。

系统安装完成后，调整传感器和滚刀之间的距离。传感器的输出电压-位移关系如表1所示。

表1传感器的输出电压-位移关系

Table 1Relationship between output voltage and displacement for sensor

位移/mm输出电压/V0020.2240.4460.6580.86101.09121.30141.55161.76181.98202.20222.42242.60262.75282.88303.00位移/mm输出电压/V323.10343.18363.25383.30403.31423.32443.33463.34483.35503.35523.35543.35563.35583.35603.35

根据表1的实验结果得出电涡流传感器输出电压与距离之间的关系如图6所示。由图6可以看出，传感器基本没有死区，输出电压随距离的增大而增大，且随着距离的增大传感器的灵敏度逐渐降低。当距离在0～25 mm时，电压随距离的变化基本呈线性关系；当距离在25～40 mm时，电压随距离的变化呈非线性关系；当距离大于40 mm时，电压随距离的变化基本不再变化。由于曲线并非完全呈线性，为尽量扩大传感器量程，需要通过标定的方式确定相应电压所对应的磨损量[14]，将电压-位移曲线存入数据库中，当采集到相应的电压时，通过插补的方式计算出磨损量即可。

4.2性能研究

电涡流传感器由感应线圈和测量电路构成。传感器的感应线圈由绕组线绕制而成，其金属性质随温度改变，并且机械结构部件的热膨胀系数使其尺寸随温度发生变化；构成测量电路的电阻、二极管、三极管及电容等特性会受到环境温度的影响；制作传感器时使用的黏合剂等物质在温度较高时其性质也会发生变化。因此，当温度变化时，传感器特性会随之发生变化[15]。当线圈温度变高时，传感器输出电压变低；当测量电路温度变高时，传感器输出电压变高。因此可通过测量电路板上的元器件温度特性平衡线圈的变化，改善传感器温度特性。

图6　传感器输出电压随测量距离的变化曲线

Fig.6Curve showing relationship between output voltage of sensor and measuring distance

将硬件温度补偿后的电涡流传感器置于密闭环境中加热，温度从19 ℃上升至40 ℃，然后取出传感器自然冷却至20 ℃，之后再次加热。测量该电涡流传感器在空载时不同温度下的采样值，其温度特性如图7所示，2条曲线分别表示2次测量过程中传感器采样值与温度之间的关系。在温度升高的过程中传感器采样值随之增大，温度从19 ℃上升至40 ℃过程中，传感器采样值变化约为25个数值且具有较好的重复性，因此可利用软件补偿的方式来减小温度对测量的影响。补偿后再次进行温度试验，得出传感器采样值与温度之间的关系如图8所示。

图7　传感器采样值随温度变化曲线(补偿前)

Fig.7Curves showing relationship between sensor sampling value and temperature (before temperature compensation)

图8　传感器采样值随温度变化曲线(补偿后)

Fig.8Curve showing relationship between sensor sampling value and temperature (after temperature compensation)

如图8所示，温度补偿后传感器采样值随温度升高略有增大，温度从25 ℃上升至36 ℃的过程中，传感器采样值变化在3个之内，与温度补偿前25个数值的变化相比有明显改善。由图8可知，经补偿过后的传感器采样值随温度变化大致为每摄氏度0.25个数字，即每摄氏度0.15 mV的变化，对测量精度影响在可接收范围内。

5结论与讨论

本文在分析介绍滚刀磨损状况及原因的基础上，建立了一套基于电涡流传感器的滚刀磨损实时监测系统。针对盾构恶劣的工作环境，设计制作了探头直径48 mm、测量范围0～25 mm、分辨率1 mm的电涡流传感器。经工程现场试验和性能优化，该电涡流传感器可应用于滚刀磨损的实时监测系统，并获取了大量的试验数据。但由于盾构工况的复杂性，该系统在以下方面有待进一步优化：1)无线通信方面。系统在现场工作时偶尔会出现通信不畅的情况，下一步需要对天线的选择及其保护方案进行优化，减小其对无线信号的衰减，以确保无线通信的畅通。2)传感器精度方面。滚刀发生磨损时不仅其刀刃与传感器之间的距离增大，而且其刃宽也会增大，进而影响传感器的输出，下一步研究需要制作不同的滚刀模型对传感器进行标定，从而提高测量精度。

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Study of Application of Eddy-current Sensor to Disc-cutter Wear Monitoring System of Shield Machines

LI Dongli1,SUN Zhihong1,REN Dezhi2,SUN Wei1

(1.China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,Henan,China;2.Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,Henan,China)

Abstract:A real-time disc-cutter wear monitoring system of shield machine based on eddy-current sensor is established so as to control the wear and working status of disc-cutter.The distance variations between disc-cutter ring and sensor are turned into electrical signal and then based on which the wear of disc-cutter ring can be calculated.The detection mechanism of eddy-current sensor is discussed emphatically.The non-contact eddy-current sensor with compact structure and high detecting accuracy is designed.The temperature compensation is carried out in a project and real-time disc-cutter wear monitoring is realized.The testing results illustrate that the eddy-current sensor is feasible for the monitoring system.

Keywords:eddy-current sensor;shield machine;disc-cutter;wear monitoring;temperature compensation

收稿日期：2015-12-15;修回日期:2016-02-27

第一作者简介：李东利(1987—)，男，河南柘城人，2013年毕业于沈阳航空航天大学，计算机应用技术专业，硕士，助理工程师，现从事隧道设备自动化控制系统设计及科研工作。E-mail：liovzhe@126.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.018

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)06-0766-05