電渦流式振動(dòng)位移傳感器檢定技術(shù)的研究

林喜鑒

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

1 引言

根據(jù)《JJG 644-2003 振動(dòng)位移傳感器檢定規(guī)程》 6.2.2檢定方法，對(duì)電渦流式振動(dòng)位移傳感器（以下簡稱“傳感器”）的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行檢定。在檢定中發(fā)現(xiàn)，國家檢定規(guī)程未對(duì)試件盤材料規(guī)格、傳感器的安裝進(jìn)行規(guī)范性說明；以及6.2.2檢定方法只對(duì)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的檢定進(jìn)行了文字說明，未給出合理具體的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢定裝置原理框圖。

鑒于此，文中將基于電渦流式振動(dòng)位移傳感器的工作原理，圍繞檢定用試件盤、傳感器安裝對(duì)傳感器輸出特性影響展開研究，對(duì)試件盤、傳感器的安裝提出規(guī)范性、指導(dǎo)性意見，以提高對(duì)傳感器測量的準(zhǔn)確性和量值的統(tǒng)一性。并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的儀器配備，以及對(duì)傳感器的實(shí)踐檢定，提出一種合理具體的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢定裝置原理框圖，為計(jì)量行業(yè)對(duì)傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢定提供參考。

2 電渦流式振動(dòng)位移傳感器的工作原理

電渦流式振動(dòng)位移傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移振動(dòng)傳感器，系統(tǒng)主要由電渦流探頭、延伸線纜（須連接）、前置器和試件盤(金屬導(dǎo)體)組成。見下圖1所示。

圖1 傳感器系統(tǒng)組成圖

圖2 傳感器輸出特性曲線圖

由上述可知，電渦流式振動(dòng)位移傳感器是基于電磁感應(yīng)原理而工作的，試件盤（金屬導(dǎo)體）的物理性能、幾何形狀及尺寸對(duì)傳感器輸出有影響。但又完全不同于電磁感應(yīng)，并且在實(shí)際測量中要避免電磁感應(yīng)對(duì)其的干擾。

3 檢定用試件盤的技術(shù)要求

3.1 試件盤的材料

試件盤材料：42CrMo鋼材料（或可用廠家出廠所提供的其他材料）。

在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器大多數(shù)的測量對(duì)象為汽輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等，故在檢定時(shí)，選用與汽輪機(jī)等設(shè)備的轉(zhuǎn)軸相同或相近的42CrMo鋼材料作試件盤。因此在檢定時(shí)，傳感器系統(tǒng)選用42CrMo鋼材料的試件盤作檢定用，能適合大多數(shù)的測量對(duì)象，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用有指導(dǎo)意義。

3.2 試件盤的形狀

（1）試件盤直徑：Φ100mm的圓盤。

因傳感器線圈產(chǎn)生的磁場范圍是一定的，故試件盤材料表面形成的渦流場也是一定的。在檢定使用時(shí)，試件盤直徑應(yīng)大于傳感器線圈直徑的2倍，否則傳感器輸出靈敏度會(huì)下降。目前實(shí)際應(yīng)用中的探頭最大直徑為50mm，故試件盤的直徑可制作為100mm。

（2）試件盤厚度：2mm。

選取厚度大于0.1mm的42CrMo鋼材料試件盤，則不會(huì)造成電渦流作用不夠，不會(huì)引起傳感器輸出靈敏度降低。考慮到材料加工工藝，一般選用厚度為2mm的試件盤作檢定用。

3.3 試件盤表面的加工狀況

試件盤表面：試件盤表面應(yīng)保持光潔，無生銹、凹凸槽、劃痕、洞眼等缺陷。

不光潔、不規(guī)則的試件盤表面會(huì)給傳感器的輸出造成影響，因此檢定用試件盤表面必須進(jìn)行精加工拋光處理[1]。

4 傳感器安裝的影響

（1）檢定傳感器時(shí)，應(yīng)將傳感器的軸線對(duì)與試件盤平面垂直度控制在±2℃內(nèi)[2]。

（2）檢定傳感器時(shí)，應(yīng)盡量將傳感器的軸線對(duì)準(zhǔn)試件盤盤面中心。

（3）檢定時(shí)應(yīng)只對(duì)單只傳感器進(jìn)行檢定，避免多只傳感器相互間通過電磁場互相干擾。同時(shí)應(yīng)盡量減少周圍電磁干擾對(duì)傳感器的影響。

（4）傳感器的輸出電纜及延伸電纜應(yīng)固定合適，防止檢定時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)、碰撞和摩擦現(xiàn)象。

5 靜態(tài)特性的檢定

《JJG 644-2003振動(dòng)位移傳感器檢定規(guī)程》6.2.2.2靜態(tài)靈敏度的檢定：把位移傳感器安裝在相應(yīng)的位移靜校器上，改變傳感器的測量距離以每10%量程為1個(gè)測量點(diǎn)，在整個(gè)測量范圍內(nèi)，包括上、下限值共測11個(gè)點(diǎn)，順序在各個(gè)測量點(diǎn)測量傳感器的輸出值和傳感器的移動(dòng)距離，以上、下兩個(gè)行程為一個(gè)測量循環(huán)，一共測3個(gè)循環(huán)[3]。

根據(jù)上述檢定方法，設(shè)計(jì)開發(fā)出一套振動(dòng)位移傳感器靜態(tài)特性檢定裝置。裝置結(jié)構(gòu)原理框圖如下圖3所示。將KK8610P直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)安裝在龍門架上，然后將試件盤固定安裝在龍門架一端的定快平臺(tái)的夾具上，被檢傳感器安裝在直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)塊平臺(tái)的夾具上，其中動(dòng)塊平臺(tái)上的夾具可以調(diào)整，以配套探頭直徑為Φ5、Φ10、Φ25、Φ50的電渦流式振動(dòng)位移傳感器。

圖3 振動(dòng)位移傳感器靜態(tài)特性檢定裝置框圖

該裝置通過計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)，對(duì)動(dòng)快平臺(tái)的速度和位移進(jìn)行控制，且在運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)采集光柵尺反饋的位置信息，并用來控制輸出脈沖，使動(dòng)快平臺(tái)準(zhǔn)確定位，從而實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)控制。該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩部分組成。硬件平臺(tái)由PC機(jī)+DMC2210運(yùn)動(dòng)控制卡+MD-18-D交流伺服驅(qū)動(dòng)器+FRAC10202201伺服電機(jī)等組成，PC機(jī)發(fā)出位置和軌跡指令給運(yùn)動(dòng)控制卡，指令經(jīng)轉(zhuǎn)化處理發(fā)給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器處理再發(fā)給伺服電機(jī)執(zhí)行；MII 1630S-40光柵尺+DMC2210數(shù)據(jù)采集卡+PC機(jī)作為實(shí)時(shí)位移反饋裝置，從而實(shí)現(xiàn)高精度的全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。軟件平臺(tái)采用VC++編程開發(fā)出三模塊：上位機(jī)界面設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理界面設(shè)計(jì)。該裝置主要技術(shù)性能指標(biāo)如下表1。

表1 振動(dòng)位移傳感器靜態(tài)特性檢定裝置的主要技術(shù)性能指標(biāo)

實(shí)際檢定中，通過控制并監(jiān)測安裝在定快平臺(tái)上的試件盤、動(dòng)快平臺(tái)上的被檢傳感器之間的位移，且根據(jù)傳感器在各測量位移上的輸出值，根據(jù)《JJG 644-2003振動(dòng)位移傳感器檢定規(guī)程》6.2.2.2中的計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器靜態(tài)特性的檢定。

6 動(dòng)態(tài)特性的檢定

《JJG 644-2003振動(dòng)位移傳感器檢定規(guī)程》6.2.2.7動(dòng)態(tài)參考靈敏度的檢定：對(duì)于測量中用支架固定的傳感器，在檢定中要用適合的支架將被檢傳感器固定在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面垂直方向上的合適位置，并確保支架及傳感器非活動(dòng)部分與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體之間不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[3]。

根據(jù)上述檢定方法，利用現(xiàn)有的中頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置，精加工兩套安裝支架，改造出一套振動(dòng)位移傳感器動(dòng)態(tài)特性檢定裝置。裝置結(jié)構(gòu)原理框圖如下圖4所示。

圖4 振動(dòng)位移傳感器動(dòng)態(tài)特性檢定裝置框圖

其中一套用于安裝標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)和試件盤，將試件盤剛性地安裝于標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上方。另一套通過螺母將被檢傳感器的固定支架緊固在中頻標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)體上，確保支架整體與中頻標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。將被檢傳感器安裝在支架中的上下高度調(diào)整滑塊上，并確保傳感器軸線位于標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的垂直方向，調(diào)整傳感器與試件盤的初始間隙，使被檢傳感器工作于線性區(qū)的中點(diǎn)。

在實(shí)際檢定中，通過標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)控制和監(jiān)測振動(dòng)臺(tái)，使試件盤產(chǎn)生某頻率的動(dòng)態(tài)位移Di，并確保Di位于被檢傳感器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，且根據(jù)傳感器在各動(dòng)態(tài)位移上的輸出值，根據(jù)《JJG 644-2003振動(dòng)位移傳感器檢定規(guī)程》6.2.2.7中的計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)特性的檢定。

7 結(jié)束語

文中對(duì)試件盤的材料規(guī)格、傳感器的安裝等提出具體的規(guī)范性、指導(dǎo)性意見，以提高對(duì)傳感器測量的準(zhǔn)確性和量值的統(tǒng)一性。并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的儀器配備，以及對(duì)傳感器的實(shí)踐檢定，提出一種合理具體的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢定裝置原理框圖，為計(jì)量行業(yè)對(duì)傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢定提供參考。

[1]劉敏，孫長生.電渦流式振動(dòng)位移傳感器應(yīng)用和運(yùn)行分析[J].浙江電力,2009, (02):52-54.

[2]羅承剛.電渦流位移傳感器線圈電磁場仿真分析[J].傳感器與微系統(tǒng), 2008,27(03):24-26.

[3]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.振動(dòng)位移傳感器檢規(guī)程(JJG 644-2003) [M].北京:中國計(jì)量出版社,2008.