对EPRO电涡流式位移传感器进行静、动态校验分析研究

任艳男*，冯林魁，李生鹏，赵凯，谷志德，王平



对EPRO电涡流式位移传感器进行静、动态校验分析研究

任艳男*，冯林魁，李生鹏，赵凯，谷志德，王平

(国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州，730070)

文章介绍了EPRO电涡流式位移传感器工作原理及检定方法，依据JJG 644—2003 《振动位移传感器检定规程》对试验数据进行处理分析。文章从静、动态特性两方面分析得到该传感器的静、动态灵敏度，并对静态特性下的输出电压及传感器位移建立回归模型进行回归分析，结果表明该传感器在静态检验下线性特性很好，静态灵敏度也符合规程；在动态灵敏度的分析中分析了动态参考灵敏度、幅值线性度、频率响应，其值均符合标准，表明被校传感器的线性特性很好。

电涡流式；灵敏度；回归分析；幅值线性度

引言

电涡流传感器是一种性能优越的非接触测量传感器，这种传感器适用于对机械的振位移、转速等运行状态的直接在线监测[1-3]。在火力发电机组中，主辅机等旋转部件的运行状态、振动监测的可靠和准确是机组安全运行的保障。电涡流传感器的优越性能可以实现在火电机组中对这些旋转部件的位移、振动的直接在线监测[4]。

实际工程运用中工作人员定期对电涡流传感器进行校验可以知道其是否处于正常的工作状态，从而保障火电机组正常、安全运行。文章依据JJG644—2003《振动位移检定规程》对其进行校验，并对校验结果进行计算分析[5]。

1 电涡流传感器的基本原理及检定系统

1.1 电涡流传感器的基本原理

根据法拉第电磁感应原理，金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁感线运动时，导体内产生呈涡旋状的感应电流，即为电涡流[6]。根据电涡流效应制成的传感器为电涡流式传感器。当传感器探头与被测金属之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q 值发生变化，Q 值的变化引起振荡电压幅度的变化，振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大处理后再输出，与探头的位移值建立起了线性变换关系[7]。

本文对动态灵敏度的校验采用比较法，将加速度传感器作为标准传感器，标准加速度计灵敏度是已知的，通过测得标准加速度计和被检传感器的输出电压，根据检定规程计算即可得到被检传感器的灵敏度[5]。

1.2 检定系统的组成

电涡流传感器广泛应用于电力行业，对汽轮机、水轮机等大型旋转机械轴的轴向位移、偏心等进行在线测量。由于电涡流传感器起到重要的安全监控作用，对其输出特性进行准确和可靠的检测显得尤其重要[8]。

位移传感器静态检定系统主要由电涡流传感器和供电校验仪组成，其中供电校验仪的主要部件有铁圆盘、电涡流传感器模块、测微头、直流稳压电源和数显直流电压表。

位移传感器动态检定系统主要由电涡流传感器、振动台、标准加速度计、电荷放大器、功率放大器、分析仪等组成，如图1所示。标准加速度计、金属圆盘刚性安装在振动台上，被检传感器通过夹具固定在金属圆盘上方，但不与其接触，留有一定的间隙。传感器夹具与振动台基座刚性连接。当振动台产生振动，即金属圆盘产生一个位移量，根据电涡流效应，被检传感器会输出一个正比于振动位移的电压信号，该电压与振动位移的比值即为传感器的动态灵敏度。信号分析仪内部通过运算完成加速度和位移信号的转换，通过比较法的计算公式最终得到位移传感器的动态灵敏度值。

图1 位移传感器动态检定系统

2 传感器基本特性检定分析

传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间的关系，分为静态特性和动态特性。当传感器的输人量为稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号时，可用静态参数来描述和表征传感器的静态特性。理想的传感器应该具有单值的、确定的输出-输入关系，其输出电量无论是在静态量或动态量输入时，都应当不失真地体现输入量的变化。

2.1 静态灵敏度的检定

测量时传感器处于稳定状态，此时输出量和输入量之间的关系称为静态特性。对传感器静态特性的基本要求是，输出相对于输入应保持确定的对应关系。灵敏度传感器的灵敏度是指在稳定工作状态下输出变化量与输入变化量的比值，即例如，某位移传感器，当位移变化1mm时，输出电压变化200mV,则其灵敏度为200mV/mm。对于线性传感器，其灵敏度就是它的校准曲线的斜率，为一常数。

测量要求：改变电涡流传感器位移以每10%量程为1 个测量点，在整个测量范围内，包括上、下限值共测量9个点，顺序在各个测量点测量传感器的输出值电压U 和传感器的移动距离L。图2为测得的数据曲线图，图中可以看到输出的电压基本呈现一条直线趋势，只是在第一个点处稍微有点偏差，为了更进一步说明传感器在静态检定下的线性，建立回归方程进行分析说明。

图2 输出电压与位移曲线图

根据电涡流传感器输出值电压和传感器的给定的位移，按最小二乘法计算，设回归方程为：

截距0 和斜率的的计算分别见式(2) 和式(3)。

图3 输出电压与位移的回归曲线图

2.2 动态灵敏度的检定

测量时当传感器的输入量是周期信号、瞬变信号或随机信号(常称为动态信号）时，可用动态参数来描述和表征传感器的动态特性。非线性传感器的灵敏度为一变量，其灵敏度可表示为S=dY/dX，也可用某一小区域内的拟合直线的斜率表示。通常希望传感器的灵敏度高，在满量程内是恒定的，即传感器的输入输出特性为直线。

动态指标的校准项目主要有动态参考灵敏度，幅值线性度，频率响应。其中被校传感器的动态参考灵敏度为被检传感器的输出值与振动台的位移值之比，其计算公式如下式所示：

频率响应，是指将一个以幅度恒定频率信号加载到传感器时，传感器输出随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象。EPRO传感器的频率响应检定是利用各测量点传感器的动态位移灵敏度与动态参考灵敏度的相对偏差，其数学表达式如下式所示：

表1 频率响应偏差

幅值线性度偏差：

表2 幅值线性度偏差

3 结束语

本文利用已有的静态和动态振动校准装置，开展电涡流振动位移传感器静/动态特性的校准方法。文章介绍了电涡流传感器的原理并对整个测量过程及测量装置进行了详细的介绍。测量通过对EPRO电涡流位移传感器静/动态特性的评定，全面完善的掌握电涡流振动位移传感器的综合性能。通过以上分析和论述可知，该电涡流式传感器静/动态灵敏度、幅值线性度、动态频率响应均符合JJG 644—2003 《振动位移传感器检定规程》，为实际电力行业工程运用中计量检测工作提供了一定的参考价值，保证了电力行业中振动量值的可靠、准确。

[1] 樊树江, 李璐, 吴峻, 等. 新型电涡流传感器的动态响应分析[J]. 传感器技术, 2004, 23(3): 21-24.

[2] 单成祥, 牛彦文, 张春. 传感器原理与运用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.

[3] 谭进, 戴连平. 电涡流传感器在使用中应注意的问题[J]. 化工进展, 2003, 22(8): 902-903.

[4] 赵林峰. 调整涡流传感器量程的方法及安装对测量精度的影响[J]. 电力安全技术, 2000, 2(4).

[5] 韦宣, 瞿丽莉, 赵婷婷, 等.电涡流式位移传感器动态灵敏度测量不确定度评定[J]. 测量不确定度, 2016, 26(3): 56-59.

[6] 黎东升, 于光普, 尤传富. 提高电涡流传感器灵敏度的方法[J]. 长春工业大学学报, 2012, 33(1): 69-72.

[7] 张勇, 梁平. 电涡流传感器输出特性自动检测系统[J]. 上海计量测试, 2010, 2(216): 19-21.

[8] 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, (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

任艳男, 冯林魁, 李生鹏. 对EPRO电涡流式位移传感器进行静、动态校验分析研究[J]. 数码设计, 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。

任艳男（1990-）女 内蒙古赤峰市人，国网甘肃省电力公司电力科学研究院，职务：振动测试与研究师；职称：助理工程师；学历：硕士研究生；研究方向：火电厂方向。E-mail: 1147774574@qq.com