電渦流傳感器在盾構(gòu)滾刀磨損監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李東利，孫志洪，任德志，孫　偉

(1.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州　450016；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽　471003)

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電渦流傳感器在盾構(gòu)滾刀磨損監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李東利1，孫志洪1，任德志2，孫偉1

(1.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州450016；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽471003)

摘要：為了在盾構(gòu)掘進過程中實時監(jiān)測滾刀的磨損和工作情況，建立一套基于電渦流傳感器的滾刀磨損實時監(jiān)測系統(tǒng)，將滾刀刀圈與傳感器之間的距離變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)計算處理后得到滾刀刀圈的磨損量。重點探討電渦流傳感器的檢測機制，并設(shè)計制作結(jié)構(gòu)緊湊、測量精度較高的非接觸式電渦流傳感器。結(jié)合某工程現(xiàn)場試驗結(jié)果進行溫度補償，實現(xiàn)了滾刀磨損的實時監(jiān)測，試驗結(jié)果表明了電渦流傳感器在該系統(tǒng)中的有效性。

關(guān)鍵詞：電渦流傳感器；盾構(gòu)；滾刀；磨損監(jiān)測；溫度補償

0引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，盾構(gòu)已成為我國資源開發(fā)及基礎(chǔ)建設(shè)中必不可少的重要裝備。由于工作環(huán)境惡劣，盾構(gòu)在掘進時滾刀極易磨損，進而可影響設(shè)備的工作性能。根據(jù)滾刀磨損的形態(tài)特征和程度，其磨損狀況可分為正常磨損、刀圈偏磨、刀圈崩裂、刀圈移位或脫落等形式[1-2]。滾刀以磨損為主的各種失效狀態(tài)都會使盾構(gòu)主驅(qū)動扭矩增大，從而影響掘進速度，此時要檢查滾刀磨損情況,否則會進一步加大對滾刀的磨損，情節(jié)嚴重時將造成軸承、端蓋、刀轂等部件的報廢和刀盤的磨損[3-4]。目前，刀具磨損主要依靠液壓系統(tǒng)的壓力變化完成檢測，無法實時監(jiān)測并且檢測精度較低。為了能夠有效地解決滾刀磨損檢測的問題，設(shè)計基于電渦流傳感器的滾刀磨損實時監(jiān)測系統(tǒng)[5-6]。

盡管市場上的電渦流傳感器很多，但由于其尺寸限制以及線性范圍與傳感器尺寸的矛盾等因素而不適用于該系統(tǒng)。另外，在傳統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，引入LabVIEW 虛擬儀器控件[7]，用軟件對電渦流傳感器設(shè)計的結(jié)果進行計算和補償，可以尋求到最佳的線性工作關(guān)系。因此，開發(fā)設(shè)計適用于該系統(tǒng)的電渦流傳感器勢在必行。文獻[5-6]介紹了滾刀磨損檢測系統(tǒng)及軟硬件設(shè)計，本文側(cè)重于對電渦流傳感器在該系統(tǒng)中的應(yīng)用展開研究，設(shè)計制作適用于該系統(tǒng)的電渦流傳感器，并進行工業(yè)試驗。

1滾刀磨損的實時監(jiān)測系統(tǒng)

滾刀磨損的實時監(jiān)測系統(tǒng)由終端節(jié)點、中繼路由和上位機監(jiān)控系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

終端節(jié)點安裝于相應(yīng)的滾刀刀箱內(nèi)，中繼路由安裝于密封艙隔板上，上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置在盾構(gòu)的主控制室。終端節(jié)點的采樣模塊對滾刀狀態(tài)進行檢測，獲取相應(yīng)的信號并傳送給微控單元，經(jīng)微控單元進行分析處理后的數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)格式傳送給無線收發(fā)模塊，無線收發(fā)模塊對接收的數(shù)據(jù)包進行調(diào)制后發(fā)送給中繼路由。中繼路由接收到終端節(jié)點的信號后，通過無線收發(fā)模塊進行相應(yīng)的放大解調(diào)后將數(shù)字信號以有線通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控系統(tǒng)。上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行相應(yīng)的處理，將信號轉(zhuǎn)化為方便操作人員觀測的圖、表等形式，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)測功能。當需要切換終端節(jié)點的工作模式或工作狀態(tài)時，上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過有線通信向中繼路由發(fā)送命令，中繼路由通過無線通信將命令下發(fā)給終端節(jié)點，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時控制功能。

2電渦流傳感器的檢測機制

由于滾刀工作時處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，該系統(tǒng)必須為非接觸式測量；考慮滾刀的工作環(huán)境，該系統(tǒng)需要對油污、塵埃、水、泥土等不敏感；由于更換不方便，該系統(tǒng)的傳感器必須可以長期工作且可靠性高。因此，該系統(tǒng)采用電渦流傳感器測量傳感器探頭和滾刀刀圈的距離變化，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測滾刀刀圈的磨損。

2.1電渦流傳感器的工作原理

電渦流傳感器是一種無損檢測法，基本結(jié)構(gòu)包括被測的金屬導(dǎo)體和傳感器探頭中的激勵線圈，其工作原理如圖2所示。激勵線圈是由一組同心圓導(dǎo)線所繞成的線圈繞組，傳感器工作時在傳感器的激勵線圈中通以一定頻率的高頻交變電流[8-10]。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當傳感器的激勵線圈中通以正弦交變電流i1時，線圈周圍空間將產(chǎn)生正弦交變磁場H1，它使置于此磁場中的被測金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流i2(即電渦流)，電渦流i2又會產(chǎn)生新的交變磁場H2。H2與H1方向相反，并力圖削弱H1，從而導(dǎo)致激勵線圈的等效阻抗相應(yīng)地發(fā)生變化。影響阻抗的參數(shù)是由線圈的物理性質(zhì)決定的，包括磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈尺寸因子、線圈與金屬導(dǎo)體的距離、激勵電流強度和頻率等。線圈的阻抗

z=F(μ,σ,r,x,I,f)[10]。

(1)

由式(1) 可知，當上述參數(shù)中只有一個參數(shù)變化而保持其他參數(shù)不變時，線圈阻抗成為該參數(shù)的單值函數(shù)。如當改變激勵線圈與金屬導(dǎo)體的間距并保持其他參數(shù)不變，則可通過相應(yīng)的測量電路通過測得值的變化來實現(xiàn)傳感器探頭與金屬表面間距的測量。

圖2　電渦流傳感器的工作原理

2.2電渦流傳感器的檢測方案

電渦流傳感器安裝于滾刀刀圈前側(cè)，隨著滾刀的磨損，滾刀刀圈與電渦流傳感器探頭的間距逐漸增大，導(dǎo)致電渦流傳感器的輸出電壓變化，從而實現(xiàn)滾刀的磨損監(jiān)測。此種方法安裝方便，對滾刀工作狀態(tài)影響較小，其安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　安裝結(jié)構(gòu)

3電渦流傳感器的研制

3.1感應(yīng)線圈的設(shè)計

感應(yīng)線圈的尺寸和形狀關(guān)系到傳感器的靈敏度和測量范圍，利用Matlab軟件得到傳感器線圈的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)[11]：外徑為45 mm，內(nèi)徑為40 mm，軸向厚度為10 mm，匝數(shù)為60匝，線徑為0.1 mm。

將φ0.1 mm×40股的紗包線纏繞在骨架上，纏繞的同時用黏合劑粘結(jié)，防止線圈松動。纏繞結(jié)束后用萬用表測量線圈的電阻，如果電阻為無窮大，說明線圈斷路，則線圈作廢。將纏繞好的線圈放置于罐型GU48磁芯中，同時將2根引線接到外面，然后用黏合劑粘結(jié)固定線圈在磁芯中的位置。

為了保護感應(yīng)線圈，設(shè)計了一種內(nèi)徑為48 mm、外徑為60 mm的POM保護殼，將裝有感應(yīng)線圈的磁芯放置于保護殼中形成間隙配合，線圈的2根引線用膠棒澆注固定，制成電纜后由磁芯側(cè)面的缺口引出。制作完成的感應(yīng)線圈如圖4所示。

圖4　制作完成的感應(yīng)線圈

3.2測量電路的設(shè)計

定頻調(diào)幅式電渦流傳感器的電路原理圖如圖5所示，其特點是輸出可以被調(diào)理為直流電壓，優(yōu)勢在于調(diào)節(jié)為直流電壓后，采用指數(shù)運算電路對傳感器的非線性段進行優(yōu)化補償，可最大限度地擴大傳感器量程[12-13]。作為振蕩的主要元件，電渦流傳感器的線圈與固定電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路。測量時，線圈L的電感值將由于電渦流作用而減小，諧振回路失調(diào)，使回路Q值降低，諧振曲線變鈍，振蕩幅值下降，這種變化對應(yīng)于距離的變化。

圖5　定頻調(diào)幅式電渦流傳感器電路

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

選擇S9013為核心部件構(gòu)建載波發(fā)生器，用于產(chǎn)生幅值穩(wěn)定的各種振蕩信號。由于S9013產(chǎn)生的信號帶負載的能力比較弱，在其輸出信號后面加一級功率放大，讓激勵源的帶負載能力更強，輸出更穩(wěn)定。放大器前面的信號就是電渦流傳感器轉(zhuǎn)換電路后的輸出信號，輸出電壓的幅值會隨檢測線圈和被測物體的距離而有所改變。射級跟隨器的輸出信號需要經(jīng)過檢波、濾波，即可得到所需要的直流信號，為了取得低頻有用信號，還必須使用濾波器濾除高頻分量。

4實驗及性能研究

4.1實驗

在南寧地鐵1號線工程現(xiàn)場進行工業(yè)試驗，考慮到盾構(gòu)施工工況的復(fù)雜性，使用不銹鋼保護殼，并配合使用聚氨酯密封膠確保傳感器的使用壽命。將終端節(jié)點安裝于相應(yīng)的滾刀刀箱內(nèi)，路由安置于密封艙隔板上，開啟盾構(gòu)系統(tǒng)使刀盤旋轉(zhuǎn)。通過數(shù)據(jù)線將信號傳送至PC上位機，通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測滾刀的磨損和工作狀態(tài)。上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用 LabVIEW 編程，實現(xiàn)了 PC 上位機與中繼路由之間的通信，將接收到的數(shù)據(jù)以圖片及表格的形式顯示。同時對電渦流傳感器設(shè)計的結(jié)果進行計算和補償，尋求最佳的線性工作關(guān)系。

系統(tǒng)安裝完成后，調(diào)整傳感器和滾刀之間的距離。傳感器的輸出電壓-位移關(guān)系如表1所示。

表1傳感器的輸出電壓-位移關(guān)系

Table 1Relationship between output voltage and displacement for sensor

位移/mm輸出電壓/V0020.2240.4460.6580.86101.09121.30141.55161.76181.98202.20222.42242.60262.75282.88303.00位移/mm輸出電壓/V323.10343.18363.25383.30403.31423.32443.33463.34483.35503.35523.35543.35563.35583.35603.35

根據(jù)表1的實驗結(jié)果得出電渦流傳感器輸出電壓與距離之間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出，傳感器基本沒有死區(qū)，輸出電壓隨距離的增大而增大，且隨著距離的增大傳感器的靈敏度逐漸降低。當距離在0～25 mm時，電壓隨距離的變化基本呈線性關(guān)系；當距離在25～40 mm時，電壓隨距離的變化呈非線性關(guān)系；當距離大于40 mm時，電壓隨距離的變化基本不再變化。由于曲線并非完全呈線性，為盡量擴大傳感器量程，需要通過標定的方式確定相應(yīng)電壓所對應(yīng)的磨損量[14]，將電壓-位移曲線存入數(shù)據(jù)庫中，當采集到相應(yīng)的電壓時，通過插補的方式計算出磨損量即可。

4.2性能研究

電渦流傳感器由感應(yīng)線圈和測量電路構(gòu)成。傳感器的感應(yīng)線圈由繞組線繞制而成，其金屬性質(zhì)隨溫度改變，并且機械結(jié)構(gòu)部件的熱膨脹系數(shù)使其尺寸隨溫度發(fā)生變化；構(gòu)成測量電路的電阻、二極管、三極管及電容等特性會受到環(huán)境溫度的影響；制作傳感器時使用的黏合劑等物質(zhì)在溫度較高時其性質(zhì)也會發(fā)生變化。因此，當溫度變化時，傳感器特性會隨之發(fā)生變化[15]。當線圈溫度變高時，傳感器輸出電壓變低；當測量電路溫度變高時，傳感器輸出電壓變高。因此可通過測量電路板上的元器件溫度特性平衡線圈的變化，改善傳感器溫度特性。

圖6　傳感器輸出電壓隨測量距離的變化曲線

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

將硬件溫度補償后的電渦流傳感器置于密閉環(huán)境中加熱，溫度從19 ℃上升至40 ℃，然后取出傳感器自然冷卻至20 ℃，之后再次加熱。測量該電渦流傳感器在空載時不同溫度下的采樣值，其溫度特性如圖7所示，2條曲線分別表示2次測量過程中傳感器采樣值與溫度之間的關(guān)系。在溫度升高的過程中傳感器采樣值隨之增大，溫度從19 ℃上升至40 ℃過程中，傳感器采樣值變化約為25個數(shù)值且具有較好的重復(fù)性，因此可利用軟件補償?shù)姆绞絹頊p小溫度對測量的影響。補償后再次進行溫度試驗，得出傳感器采樣值與溫度之間的關(guān)系如圖8所示。

圖7　傳感器采樣值隨溫度變化曲線(補償前)

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

圖8　傳感器采樣值隨溫度變化曲線(補償后)

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

如圖8所示，溫度補償后傳感器采樣值隨溫度升高略有增大，溫度從25 ℃上升至36 ℃的過程中，傳感器采樣值變化在3個之內(nèi)，與溫度補償前25個數(shù)值的變化相比有明顯改善。由圖8可知，經(jīng)補償過后的傳感器采樣值隨溫度變化大致為每攝氏度0.25個數(shù)字，即每攝氏度0.15 mV的變化，對測量精度影響在可接收范圍內(nèi)。

5結(jié)論與討論

本文在分析介紹滾刀磨損狀況及原因的基礎(chǔ)上，建立了一套基于電渦流傳感器的滾刀磨損實時監(jiān)測系統(tǒng)。針對盾構(gòu)惡劣的工作環(huán)境，設(shè)計制作了探頭直徑48 mm、測量范圍0～25 mm、分辨率1 mm的電渦流傳感器。經(jīng)工程現(xiàn)場試驗和性能優(yōu)化，該電渦流傳感器可應(yīng)用于滾刀磨損的實時監(jiān)測系統(tǒng)，并獲取了大量的試驗數(shù)據(jù)。但由于盾構(gòu)工況的復(fù)雜性，該系統(tǒng)在以下方面有待進一步優(yōu)化：1)無線通信方面。系統(tǒng)在現(xiàn)場工作時偶爾會出現(xiàn)通信不暢的情況，下一步需要對天線的選擇及其保護方案進行優(yōu)化，減小其對無線信號的衰減，以確保無線通信的暢通。2)傳感器精度方面。滾刀發(fā)生磨損時不僅其刀刃與傳感器之間的距離增大，而且其刃寬也會增大，進而影響傳感器的輸出，下一步研究需要制作不同的滾刀模型對傳感器進行標定，從而提高測量精度。

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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

第一作者簡介：李東利(1987—)，男，河南柘城人，2013年畢業(yè)于沈陽航空航天大學(xué)，計算機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事隧道設(shè)備自動化控制系統(tǒng)設(shè)計及科研工作。E-mail：liovzhe@126.com。

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

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0766-05