電渦流傳感器輸出特性自動檢測系統(tǒng)

/廣東省計量科學(xué)研究院

1 電渦流傳感器的基本原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁感線運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，即為電渦流。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器為電渦流式傳感器。當(dāng)傳感器探頭與被測金屬之間的距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的Q值發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，振蕩電壓經(jīng)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(guān)系。

2 檢測要求與檢測系統(tǒng)的組成

電渦流傳感器廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)，對汽輪機(jī)、水輪機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的軸向位移、偏心等進(jìn)行在線測量。由于電渦流傳感器起到重要的安全監(jiān)控作用，對其輸出特性進(jìn)行準(zhǔn)確和可靠的檢測顯得尤其重要。

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(nèi)，包括上、下限值共測量11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，以上、下兩個行程為一個測量循環(huán)，一共測量3個循環(huán), 采用最小二乘法計算輸出特性即電壓與位移的比例值。

按JJG644-2003 對電渦流傳感器進(jìn)行檢測,不但測量的數(shù)據(jù)多，而且計算復(fù)雜，發(fā)電廠每次送檢量都很大，為了提高工作效率，設(shè)計了一套自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，很好地滿足了要求。

檢測系統(tǒng)：選用帶RS232串口的 HP34401A數(shù)字多用表測量電壓，該表能顯示到6位半，直流電壓測量的準(zhǔn)確度達(dá) ±0.004%；選用德國HEIDENHAIN公司的CT2501測長計配ND281B顯示單元作為位移檢測標(biāo)準(zhǔn)，該測長計的量程為 25.4 mm，測量準(zhǔn)確度達(dá) ±0.2 μm，并具有RS232 串口功能便于自動化采集數(shù)據(jù)。

3 準(zhǔn)備工作與程序編制

3.1 通信協(xié)議

根據(jù)HP34401A的說明書，RS232串口的通信協(xié)議為：9600,N,8,1，即波特率為9600 b/s,數(shù)據(jù)為8 位有效數(shù)據(jù)和1個停止位, 無校驗位。HP34401A的串口有兩種獲取數(shù)據(jù)方式，一種為自動方式，每自動測量一個數(shù)據(jù)，就從串口輸出；另一種為手動觸發(fā)測量并送一個數(shù)據(jù)到串口。根據(jù)ND281B的說明書，串口的通信協(xié)議為：9600,E,7,2，即波特率為9600 b/s, 數(shù)據(jù)為7位有效數(shù)據(jù)和2個停止位, 偶校驗。ND281B串口是采用字符控制方式，當(dāng)ND281B接收到ASCII碼 02的字符時，就通過串口發(fā)送一個測量數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)接線

根據(jù)說明書的要求制作數(shù)據(jù)連接線，HP34401A是9針串口，每個接線端都要使用；ND281B是25針串口，用到6個接線端，轉(zhuǎn)換到9針串口?？紤]到目前計算機(jī)只有一個串口，要同時采集兩個儀器的數(shù)據(jù)，需要再使用一個計算機(jī)USB口。購買了RS232串口轉(zhuǎn)換成USB的連接器，裝上其Windows驅(qū)動程序后，在計算機(jī)的硬件設(shè)備管理器上看到USB口對應(yīng)的串口號為COM3，此口接ND281B。計算機(jī)自帶的串口COM1接HP34401A。

3.3 程序編制

本自動檢測系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)采集功能和計算功能，再加上電渦流傳感器位移與輸出特性要進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，計算復(fù)雜，將采集到的數(shù)據(jù)全部寫入EXCEL表格，利用EXCEL表格強大的計算能力完成各種計算，不失為良好選擇。程序要完成兩大任務(wù)即采集數(shù)據(jù)與將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到EXCEL表格。

本次采用WindowsXP環(huán)境下的VC++編程，要用到Windows通信控制CMSComm類，由于要對兩個串口進(jìn)行控制，在程序開發(fā)環(huán)境中引入兩個該控件，并關(guān)聯(lián)兩個控制變量后，采用CMSComm類的方法進(jìn)行串口設(shè)置，編寫引發(fā)CMSComm類的事件函數(shù)接收串口的測量數(shù)據(jù)。對于連接COM1的HP34401A，采用自動方式，由于儀器按一定的時間間隔不斷地向外傳數(shù)據(jù)，為了正確接收數(shù)據(jù)，引入1個控制變量，每次啟動采樣函數(shù)（按采樣命令鍵）時使該變量為真，可以采集讀數(shù)并將變量置假，不再記錄數(shù)據(jù)，1個測回要采集正返行程共測量22個點，每個測量點同時記錄電表和測長計的讀數(shù)。一共測量3個測回。所有數(shù)據(jù)測量完畢后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入到EXCEL表格。程序的流程如圖1。

電渦流傳感器的計算做成一個EXCEL模版文檔，該文檔包含4個表格，第一個表接收測量原始數(shù)據(jù)，第二個表根據(jù)第一表的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，第三個表當(dāng)原始記錄，第四個表作為證書打印，設(shè)文件名為Template并建立在C盤的根目錄下。

通過VC++將測量的數(shù)據(jù)寫入到EXCEL表格之前，要人工加入新類 _Application、Workbooks、_Workbook、 Worksheets、_Worksheet、Range，并加入頭文件Excel.h。做完這些輔助工作后，就可以進(jìn)行EXCEL表格操作了。

語句wb My Book.Attach Dispatch (wbs My Books.Add(_variant_t(＂C:\ Template＂))) 可得到 Worksheets，進(jìn)而控制直接將某測量數(shù)據(jù)寫到第一個表格的第幾行第幾列的某單元。這部分的具體程序，可以參考文獻(xiàn)[2]。

電渦流傳感器的動態(tài)參數(shù)如動態(tài)頻率響應(yīng)與幅值線性度采用標(biāo)準(zhǔn)振動臺來檢測，由于數(shù)據(jù)不多，則直接由人工讀數(shù)并輸入相應(yīng)表格，也一起轉(zhuǎn)入到EXCEL進(jìn)行處理。

圖1 程序流程圖

4 測量可靠性分析

根據(jù)電渦流傳感器輸出值電壓Ui和傳感器的給定的位移Li，按最小二乘法計算出電渦流傳感器的回歸值與給定位移之間的關(guān)系見式(1)，截距U0和斜率S的的計算分別見式(2)和式(3)。為評價測量結(jié)果的可靠性，下文估算在最大行程處電壓輸出也為最大測量點的不確定度。

對于式（1），U0與S是相關(guān)的，要考慮相關(guān)項，對式（1）進(jìn)行偏微分后，電壓 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按式(4)來估算。

式（4）中的u(Li)為測長計示值誤差（MPE：±0.2 μm）引入的不確定度分量，u(Li)=0.12 μm。u(Ui)為 HP34401A示值誤差（MPE：±0.004%）引入的不確定度分量，在電渦流的最大量程處，輸出為 17.5 V，則 u(Ui)=0.001 V。 按式（3）計算得到S=7.9 V/mm，Li取最大行程為 1 mm，代入式（4）得到 =0.0144V。

取置信水準(zhǔn)95%, 包含因子k=2, 則擴(kuò)展不確定度 U=2 =0.0288 V。電渦流位移傳感器量程為15 V，轉(zhuǎn)化為相對不確定度為Urel=0.19%FS。電渦流傳感器的最大允許誤差一般為±1.0%FS～±2.0%FS，這表明采用本自動檢測系統(tǒng)來檢定電渦流位移傳感器具有很高的可靠性。

5 結(jié)束語

本檢測系統(tǒng)綜合采用了串口自動采集數(shù)據(jù)與EXCEL表格數(shù)據(jù)處理，已正式應(yīng)用于日常的電渦流傳感器檢定。采用本系統(tǒng)，只要檢測完畢，證書、記錄及合格情況就全部完成，工作效率已大大提高。

[1]龔建偉.Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐 [M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[2]劉 波.VC++ 中實現(xiàn)EXCEL自動化編程[J].電腦編程與維護(hù),2007 (6).

[3]全國振動沖擊轉(zhuǎn)速計量技術(shù)委員會.JJG644-2003[S].北京: 中國計量出版社, 2003.

[4]葉德培.測量不確定度理解評定與應(yīng)用 [M].北京: 中國計量出版社, 2007.