（测试计量技术及仪器专业论文）被测材料归一化涡流传感器研究.pdf

t s t u d y n o r m a l f o rt h b y c h e nh u x u n s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rt i a n x i n q i s c h o o lo f e n e r g ya n de n v i r o n m e n t s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1o i t 东南大学学位论文独创性声明 ， 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：日期：翌鱼! 至：步 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名 导师签名：翌日壶日期： 印| o 弓心 摘要 题名：被测材料归一化涡流传感器研究 姓名：陈虎勋 导师：田新启 学校：东南大学 正文： 涡流传感器是一种性能优良的非接触式无损检测仪器，是大型旋转机械状态监测系 统的重要组成部分，其性能的优劣，直接关系到整个机组能否安全可靠稳定运行。对于 被测材料电磁特性的敏感性一直是制约涡流传感器应用的主要因素之一，因此针对如何 解决涡流传感器对被测材料的敏感性问题而展开的研究工作，将会引领涡流传感器发展 的未来。 论文从涡流传感器的基本工作原理着手，设计并进行了涡流传感器对被测材料敏感 性的实验，处理实验数据，设计新型电路、对电路进行仿真并实际调试，设计了印刷电 路板，具体内容如下： 1 涡流传感器对被测材料敏感性的实验设计与数据分析 结合涡流传感器的工作原理，对5 m m 、8 m m 、1 l m m 等三种应用最广泛的探头和铜、 铝、铸铝、不锈钢、4 5 # 钢、a 3 钢、d t 4 电工铁等七种典型的被测材料进行了实验。 实验中测量探头线圈的电阻尺和感抗c o l 两个参数，使用o r i g i n 软件结合最小二乘法原 理处理实验数据，找到了数据的变化规律。 2 消除敏感性的归一化方法提出与电路实现方案 通过分析实验数据的规律，提出了消除敏感性的投影变换理论，并进行了论证，设 计了可以把理论转化为电路的实现方案，阐述了电路的主要组成模块及其各自的功能。 3 新型电路组成模块的设计仿真与实际调试 在电路设计与仿真软件m u l t i s i m 中分别设计并仿真各个电路模块，然后准备组成电 路的电子元器件，对设计的电路进行实际调试，并反馈修正改进。 4 印刷电路板( p c b ) 的设计 针对通过调试的电路模块，采用自下而上的层次式电路设计方法，使用p r o t e ld x p 2 0 0 4 软件设计了电路的原理图和印刷电路板( p c b ) 。 最后对全文的工作进行了总结，提出了后续研究工作的重点方向。被测材料归一化 的涡流传感器的研制成功，将会为旋转机械振动监测系统的发展提供有力的支持。 关键词：涡流传感器；材料敏感性；归一化；电路；振动测量；p c b a bs t r a c t t i t l e ：s t u d yo nt h et e s t e dm a t e r i a l sn o r m a l i z e de d d yc u r r e n ts e n s o r n a m e ：c h e nh u x u n s u p e r v i s o r ：t i a nx i n q i u n i v e r s i t y ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t e x t e d d yc u r r e n ts e n s o r ( e c s ) i sa ne x c e l l e n ta n dc o n t a c t l e s sn o n - d e s t r u c t i v et e s ti n s t r u m e n t , w h i c hi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h el a r g er o t a t i n gm a c h i n e r yc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m a n di t sp e r f o r m a n c ei sd i r e c t l yr e l a t e dt ow h e t h e rt h ew h o l eu n i tc a n r u ns a f ea n ds t a b l e t h e s e n s i t i v i t yf o re l e c t r i c a la n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h et e s t e dm a t e d a l sh a sa l w a y sb e e no n e o ft h em a i nf a c t o r st h a tr e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o no fe d d yc u r r e n ts e n s o r s o 也er e s e a r c ho nh o w t os o l v et h i ss e n s i t i v i t yw i l ll e a dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fe d d yc u r r e n ts e n s o r a c c o r d i n gt o t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe d d yc u r r e n ts e n s o r , t h ee x p e r i m e n to nt h e s e n s i t i v i t yo fe d d yc u r r e n ts e n s o rt ot h et e s t e dm a t e d a l sw a sd o n e t h ew o r ki n c l u d e d d e s i g n i n ge x p e r i m e n t ，p r o c e s s i n ge x p e r i m e n t a ld a t a , d e s i g n i n gn e wt y p ec i r c u i t , s i m u l a t i n g a n dd e b u g g i n gt h ed e s i g n e dc i r c u i t ，a n dd e s i g n i n gt h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) t h ed e t a i l s a r ea sf o l l o w s ： 1 d e s i g n e dt h ee x p e r i m e n to nt h es e n s i t i v i t yo fe d d yc u r r e n ts e n s o rt ot h et e s t e d m a t e r i a l sa n da n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe d d yc u r r e n ts e n s o r , t h r e ek i n d so ft h em o s tw i d e l y u s e dp r o b e ss u c ha s5 m m ，8 m ma n d1lm m a n ds e v e nk i n d so ft y p i c a l l ym a t e d a l ss u c ha s c o p p e r , a l u m i n u m , e a s ta l u m i n u m , s t a i n l e s ss t e e l ，4 5 # s t e e l ，a 3s t e e la n dd t 4e l e c t r i ci r o n w e r et e s t e d t w op a r a m e t e r s r e s i s t a n c era n di n d u c t i v er e a c t a n c ec o lo fp r o b e sw e r e m e a s u r e di nt h ee x p e r i m e n t , a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ep r o c e s s e db yt h eo r i g i ns o f t w a r e i nc o m b i n a t i o no f 也el e a s t s q u a r em e t h o dt of i n dt h ec h a n g el a w s 2 p r o p o s e dt h en o r m a l i z a t i o na n dc i r c u i tr e a l i z i n gm e t h o do fe l i m i n a t i n gt h es e n s i t i v i t y a p r o j e c t i o nt r a n s f o r mt h e o r yt oe l i m i n a t et h es e n s i t i v i t yw a sp r o p o s e db ya n a l y z i n gt h e c h a n g el a w so fe x p e r i m e n t a ld a t a 1 1 1 ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fc h a n g i n gt h et h e o r yt o c i r c u i tw a sd e s i g n e d a n dt h em a i nc o m p o n e n t so ft h ec i r c u i ta n dt h e i rf u n c t i o n sw e r e d e s c r i b e dr e s p e c t i v e l y 3 s i m u l a t e da n da c t u a ld e b u g g e dt h em o d u l e so ft h en e w t y p ec i r c u i t u s e dt h em u l t i s i ms o f t w a r et od e s i g na n ds i m u l a t ee a c hc i r c u i tm o d u l e ，a n dp r e p a r e dt h e e l e c t r o n i cc o m p o n e n t sn e e d e d a n dt h e nd e b u g g e da n di m p r o v e dt h ea c t u a lc i r c u i t 4 d e s i g n e dt h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) i u s i n gt h ep r o t e ld x p 2 0 0 4s o f t w a r e t l l ec i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a ma n dt h ep r i n t e d c i r c u i tb o a r d ( p c b ) w e r ed e s i g n e dw i t ht h eb o r o m - t o t o pm e t h o d f i n a l l y , t h ek e yd i r e c t i o no ft h ef u t u r ew o r k sw a sp u tf o r w a r da f t e rt h ec o n c l u s i o no ft h e 6 l l i s h e dw o r k t h es u c c e s so nt h en o r m a l i z e de d d yc u r r e n ts e n s o rw i l ls t r o n g l ys u p p o r tt h e d e v e l o p m e n to ft h er o t a t i n gm a c h i n e r yv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m i i i k e y w o r d s ： e d d yc u r r e n ts e n s o r ； c i r c u i t ； m a t e r i a l ，s e n s i t i v i t y ； v i b r a t i o n - m e a s u r e ； i v n o r m a l i z a t i o n ； p c b 目录 摘要i a b s t r a c t “i i i 符号、变量、缩略词等本论文专用术语的注释表”v i i 第一章绪论一l 1 1 立题背景2 ，1 2 涡流传感器技术的国内外研究现状”2 1 3 涡流传感器的不足和发展趋势。6 1 4 论文的主要研究内容”7 1 5 论文研究的意义7 1 6 论文的创新点8 1 7 论文的技术路线9 1 8 论文的课题来源”9 1 9 论文的总体结构安排9 第二章涡流传感器基本原理“1 3 2 1 涡流传感器工作原理1 3 2 2 涡流传感器参数计算与分析1 6 2 3 涡流传感器的类型1 9 2 4 涡流传感器的测量转化电路2 0 2 5 涡流传感器设计要点及静态标定2 1 2 6 涡流传感器的应用2 3 2 7 本章小结2 4 第三章涡流传感器材料敏感性实验及数据处理”2 5 3 1 实验原理2 5 3 2 实验设备2 5 3 3 实验步骤2 6 3 4 实验数据2 6 3 5 数据处理2 8 3 6 实验结论3 2 3 7 本章小结3 2 第四章消除材料敏感性的方法论证及其电路实现方案一3 3 4 1 消除材料敏感性的方法提出3 3 4 2 消除敏感性方法的论证3 3 4 3 新型电路的总体构成“3 5 4 4 本章小结3 7 第五章新型电路的设计与仿真3 9 5 1 仿真软件简介”j 3 9 5 2 振荡器设计与仿真”3 9 5 3 换流器电路的设计与仿真4 l 5 4 移相器电路的设计与仿真4 3 5 5 放大器电路仿真4 5 5 6 乘法器电路的仿真4 6 v 5 7 低通滤波器设计一4 8 5 8 电路供电电源设计与仿真4 9 5 9 综合仿真5 0 5 1 0 本章小结5 1 第六章实际电路调试“一5 3 6 1 振荡器电路调试5 3 6 2 换流器电路调试5 6 6 3 移相器电路调试5 7 6 4 放大器电路调试5 8 6 5 乘法器电路调试5 9 6 6 电源模块的调试6 l 6 7 本章小结6 2 第七章传感器前置器p c b 设计6 3 7 1 电子设计自动化软件p r o t e ld x p2 0 0 4 简介”6 3 7 2 层次电路设计6 4 7 3 自下而上的层次式原理图设计”6 5 7 4 新型前置器电路p c b 设计6 7 7 5 焊接以后的电路板“7 0 7 6 本章小结7 0 第八章总结与展望7 3 参考文献7 5 附勇之a 7 9 附录b 8 1 作者攻读硕士学位期间撰写和发表的论文8 5 鸣谢8 7 v l 符号、变量、缩略词等本论文专用术语的注释表 放大器增益 线圈或短路环的宽度 回路单元环内的磁感应强度 线圈或短路环的径向厚度 电容 线圈或短路环平均直径 涡流回路感应电势有效值 e d d yc u r r e n ts e n s o r ：涡流传 感器 e d d yc u r r e n tt r a n s d u c e r ：涡流 传感器 电流频率 涡流贯穿深度 交变磁场 交变电流 换流器输出电流 线圈外半径处涡流密度 导体表面距线圈轴厂处涡流密 度 传感器线圈的长度 电感 互感系数 槽数或齿轮数 匝数 涡流损耗功率 v i l 品质因数 短路环等效外半径 传感器线圈外半径 短路环等效内半径 电阻 线圈激励电压 探头输出电压 实验测量获得的复合阻抗 吃在蟛方向上投影后的矢量饿 移相器输出参考电压 投影方向上的参考矢量 振荡器正弦波输出电压 乘法器输出电压 线圈与导体的距离 线圈等效复阻抗 根据实验测量获得的角度 空气磁导率 相对磁导率 导体电阻率 测量获得的矢量吃的相位 投影角度，吃与露之间的夹 角 ： 投影方向的矢量矿的相位 回路单元所在链磁通 激励电流的角频率 q h n r 纱 圪一圪一k一巧 圪 x z 秒 肋 雎 p 体 e i 国 ： ： ： ： ： ： ： & n ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： 丘 6 口 c c d f 厂 珏 如 ， 三 膨 栉 r t 第一章绪论 第一章绪论 根据中华人民共和国国家标准( g b7 6 6 5 8 7 ) ，传感器( s e n s o r t r a n s d u c e r ) 的定义是：能感 受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转 换元件组成。其中，敏感元件( s e n s i n ge l e m e n t ) 是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 转换元件( t r a n s d u c f i o ne l e m e n t ) 是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于 传输或测量的电信号的部分【l j 。 一般说来，传感器是指将感受到的物理量、化学量等信息，按照一定规律，转换成便于 测量和传输的信号的装置。由于电信号易于传输和处理，所以一般概念上的传感器是指将非 电量转换成电信号输出的元件或装置【2 】。 传感器是信息时代信息获取处理传输链条的源头技术，是信息技术的关键和基 础，在科学研究和工业生产中扮演着越来越重要的角色。它与工业的发展紧密相连，其发展 水平决定着一个国家的工业化水平【3 1 。 目前，传感器从技术角度而言发展极为迅速，已经逐渐形成一门新的学科。现在，以传 感器为核心逐渐外延，和测量学、微电子学、材料科学、信息处理技术以及计算机技术相互 结合而形成一种新的综合、密集型技术。有的传感器不仅具有测量功能，而且还具有根据输 入的多种信息加以选择和判断的功能。这种发展趋势的特点表现为以传感器为核心，同时结 合了各种先进技术和方法，从而形成了一个新的技术领域。所以，用“传感器技术 这一用 语更能恰当地表示其技术内涵【l l 。 传感器技术是2 0 世纪8 0 年代来以令人瞩目的速度迅猛发展起来的高新技术之一，也是 当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成现代信息产业的三大支 柱。传感器作为测控系统中的信号获取元件，其性能指标直接影响到整个系统的测控精度。 随着我国经济的高速发展，电力、能源等国民经济命脉行业部门的安全稳定将直接关系 到国家的经济建设。汽轮机、发电机、燃气轮机、压气机、风机、泵等都属于旋转机械，是 电力、石化和冶金等行业的关键设备。这些设备出现故障后，大多会带来严重的经济损失。 振动在设备故障占了很大比重，是影响设备安全、稳定运行的重要因素。振动是设备的“体 温计 ，直接反映了设备的健康状况，是设备安全评估的重要指标之一【4 】。无论是新机组调试 还是已投入运行的机组，或是服役多年的机组，都必须掌握机组振动状况，尤其是当机组振 动出现异常情况时，对机组振动的测试更为重要【5 】，而要获得正确可靠的测试结果，就要有 高质量的振动测试传感器。 涡流传感器( e d d yc u r r e n ts e n s o r t r a n s d u c e r , e c s e c t ) 是一种非接触的无损检测传感器。 它可以直接测量转轴振动，而且能作静态和动态测量，适用于绝大多数机组的环境条件；输 出信号与振动位移成正比，对于采用振幅描述振动状态的大多数机组来说，它可以获得较高 的输出信号；结构简单、尺寸小，对于旋转机械机组振动来说，具有合适的频响范围，标定 容易；除测量振动和部件静态位置外，还可测量轴中心的位置，启动过程中轴中心的移动轨 迹，轴承中心的变化等，此外，还可以作为转速测量和振动相位测量的键相信号【5 】。因此， 涡流传感器广泛应用于电力、石化、机械等行业部门。 ： 本章首先说明了本文的立题背景，总结了涡流传感器技术的国内外研究现状，指出i 目 前涡流传感器技术存在的问题和不足，以及未来的发展趋势；其次指出了本论文研究的意义； 然后介绍了论文的主要研究内容、创新点和技术路线、课题来源等；最后介绍了论文的总体 结构安排。 东南人学硕士学位论文 1 i 立题背景 在我国为了满足同益增长的电力需求，同时缓解由火力发电而引起的环境问题，发电机 组朝着大型化、高参数、高效率的方向发展。这些设备出现故障后，大多会带来严重的经济 损失。以1 0 0 6 0 0 m w 汽轮发电机组为例，出现故障后，多启动一次的直接经济代价( 仅考 虑燃油和厂用电消耗) 约为5 万3 0 万元。机组容量越大，经济损失越大【4 j 。另一方面，机 组能否安全运行不但关系到经济效益问题，更重要的是可能危及工作人员的人身安全。对于 机组运行情况的监测，在很大程度上取决于所使用的振动仪器的性能、功能等1 5 j 。这就要求 与机组配套的状态监测系统实时准确的对机组的运行状态进行监督。 在旋转机械在线振动监测系统当中，涡流传感器因其具有非接触、体积小、结构紧凑坚 固、耐腐蚀、耐湿热等优点而被广泛采用。涡流传感器在旋转机械的状态监测中举足轻重， 是检测振动位移不可或缺的传感器【l 】。涡流传感器应该做到实时并准确的监测机组运行时的 振动位移状况，对于超限的振动要及时报警，防止发生重、特大安全事故。 然而，在我国的旋转机械在线振动监测系统中的涡流传感器有相当大一部分都是进口的 传感器，甚至可以说进口涡流传感器处于垄断地位【6 】。从而导致进口涡流传感器价格十分昂 贵，安装调试等十分不便，从一定程度上制约了我国电力事业的发展。这就迫切要求开发出 拥有自主技术、知识产权的产品，打破垄断格局【3 j 。 现有的涡流传感器，都是由探头、前置器、电缆组成。前置器到涡流传感器探头之间的 电缆是由制造厂精心调配好的，不同型号或不同系列的传感器不能互换，而且不能延长和截 短。另外，涡流传感器在使用时，必须考虑被测物体是何种金属材料，因为同一传感器测量 不同材质的物体时，其输出灵敏度也不相同，因此，制造厂用某种标定材料给出的标准曲线， 在实际使用时如果不是标定材料，最好用实际使用中的材料重新标定博】。但是，对于不同类 型、不同时代、不同国家、不同企业生产的旋转机械来说，其制造材料、材料成分是不一样 的【7 1 。要想对每一旋转机械都进行振动位移监测，就要求分别针对不同的材料对涡流传感器 进行设计、制造、标定、安装、调试等。这样不但对于大规模的生产建设十分不便，而且严 重影响涡流传感器的统一标准化，限制了传感器的广泛应用婵】，大大降低了生产效率。综合 以上各方面的因素，研制开发无材料敏感性的高精度涡流位移传感器已经成为当务之急剀。 1 2 涡流传感器技术的国内外研究现状 涡流位移传感器问世以来，针对涡流传感器的量程、温漂、线性补偿、材料敏感性等问 题，各种研究开发的方法不断涌现。总体说来，主要的研究方法可以分为六个方面：探头线 圈的改进设计、前置器的硬件电路改进设计、采用软件对传感器进行补偿、采用仿真方法对 传感器进行仿真研究、传感器与d s p 的结合、传感器与计算机的结合。下面分别介绍一下国 内和国外对涡流传感器的研究动态。 1 2 1 国内研究动态 。 ；1 为了说明国内对涡流传感器的研究动态，分为硬件和软件两方面来介绍。并且以各个科 研院所为段落，分别说明其研究成果。 2 第一章绪论 1 2 1 1 硬件方面的研究 上海交通大学：为了提高普通涡流传感器的灵敏度和增大检测距离，改进探头线圈的几 何参数、采用重叠双线圈和同轴三线圈的结构【l0 1 ，该方法使得远距离测量的涡流传感器设计 变得容易，线圈调整比较方便。与普通涡流传感器相比，该传感器的测量距离远，灵敏度高。 浙江大学：为了抑制涡流传感器温漂及测量性能，改变探头线圈充磁介剧1 1 】，总结出不 同的介质对温漂的影响。特别提出，当线圈中充满铁磁质以后，不但会降低抑制阻抗温漂的， 效果，而且铁磁质产生的涡流和待测体产生的涡流混在一起，严重影响测量精度。对于一些 涡流效应不显著的待测体而言，可以使用片状铁芯，片间涂以绝缘漆，这样可以使得待测体 的涡流效应显著增强，并且不会影响精度。为了使涡流传感器小型化，可以在线圈内加铁磁 质，提高q 值，减少线圈匝数，扩大待测体的测量范围。另外，对于氧化铁填充材料，由于 其电阻率很高，所以，可以直接以整块的形式作为铁芯，从而简化了制作工艺。 沈阳航空工业学院：为保证使同一涡流传感器测量不同材料的线性度和灵敏度一致，改 变探头线圈的励磁频率【l 引。该文指出，为了保证使同一传感器测量不同材料的线性度和灵敏 度一致，可以采用改变激励频率的方法，这为传感器的广泛应用开辟了一条新的途径； 东南大学：为了对涡流传感器的温漂和线性度进行综合补偿，以及扩大量程，设计合理 的前置器电路，研制开发的s e 系列涡流传感器【1 3 1 。该论文分析了影响探头线圈温度变化的 主要因素，主要包括线圈的交流电阻、直流电阻、电流密度等，并且给出了温漂补偿函数， 通过硬件电路设计对温漂进行综合补偿。该传感器测量范围宽、线性精度高，温漂小，长期 工作稳定性好，耐油、防水及抗化学腐蚀性能力强。 航空工业总公司第6 0 8 研究所：针对涡流传感器的互换性问题进行了研究，并于1 9 9 6 年 发表一篇论文【1 4 j 对互换性问题作了探讨。 。： 1 2 1 2 软件方面的研究 上海交通大学：( 1 ) 为了对涡流传感器进行线性补偿，采用人工神经网络对传感器进行 动态补偿l l 引。讨论了递归神经网络模型在传感器非线性动态补充中的应用，给出了模型和训 练算法，简化了动态补偿器的结构设计。该方法采用递推预报误差算法训练神经网络，收敛 速度快，进度高。经过补偿后的传感器符合期望值。应用递归神经网络对传感器的非线性进 行动态补偿是一种行之有效的方法；( 2 ) 为了研制防水性电子数显卡尺，为涡流传感器的实 际应用提供有利手段，应用a n s y s 进行建模分析，采用有限元的方法进行仿真研究【1 6 1 。应 用有限元技术和a n s y s 软件对空心平面线圈的三维电磁模型进行了仿真分析，建立了以空 心平面线圈为特征的涡流传感器数学模型，并且将线圈分解为多个导线，分别独立仿真，最 终进行合成，结果表明有限元分析可以较好地模拟电涡流效应的非线性变化规律。同时，由 实验结果可知，线圈导线之间的互感影响较弱，在精度要求不是特别高的情况下可以忽略。 把有限元的分析仿真方法引入到涡流传感器的领域，将成为今后研究涡流传感器的重要内容 之一。 电子科技大学：采用有限元理论仿真分析与实验相结合的方法【3 1 【1 7 1 ；首先应用有限元建 立涡流传感器模型，使用a n s y s 进行仿真，找出影响涡流传感器的主要因素，然后通过实 验进行验证。仿真包括改变频率，改变模型，改变尺寸等。分别使用二维模型和三维模型详 细的对探头线圈进行分析，最后制作了处理电路，并且使用e w b 对电路的各个部分仿真， 使用p r o t e l 绘制了电路板，最终焊接实物。 清华大学：( 1 ) 研制新概念涡流传感器，开发配套软件，软件与硬件结合的方法【9 】。该 传感器量程非常大，最高可达探头直径的5 倍，探头与放大器之间的连接电缆的长度不影响 东南人学硕 学位论文 使用，不需要特殊电缆，而且从很短到几十米任意变化，决不影响测量结果，r 这种传感器的 发展将开辟一个涡流传感器测量领域的新天地，但遗憾的是，其具体的技术及其实现方法并 未公开；( 2 ) 为了优化设计涡流传感器探头线圈，对激励线圈的电磁场分布进行性能分析测 试，从而简化了目标函数【1 8 】。“根据简化后的目标函数求解得到的优化参数绕制平面线圈进行 传感器特性实验，由于所绕制的线圈尺寸小，电感量小，为了提高振荡电路的起振性能，应 该选取品质因数较高的线圈。所以应在尽量大地提高线圈包含的面积的同时缩短线条长度。 采用圆形渐开线的形式，结果表明在2 m m 的线性量程范围内，通过最d x - - 乘法进行直线拟合 得到灵敏度为7 9 4 h z 0 0 1 m m ，非线性度为0 6 9 ，可见灵敏度高，线性误差小。这种通过分 析磁场分布对线圈性能进行预测的设计方法可以简单有效地获得参数设计的优化值来满足所 要求的技术指标，在其他测量情况下，只要根据具体的测试条件作相应的修正来求出磁场分 布的表达式，同样能通过求导和取极限的方法求取目标函数中的灵敏度和线性测试范围的表 达式【1 8 】 ，这种方法对于设计绕制探头线圈具有重要的指导意义。 浙江大学：为了更好的对传感器进行线性标定，分析遗传算法的基本原理，并将其应用 于实践f 1 9 】。结果表明，对遗传算法在涡流传感器的在线标定中具有应用价值，是一种有效的 在线标定处理方法。 1 2 1 3 其他研究方法 另外一些科研院所、大专院校，采用了插值法【2 0 】【2 1 1 【2 2 】【2 3 1 【2 4 】、最小二乘法【2 5 】【2 6 1 1 2 7 】 2 8 】，0 6 1 8 优选法【2 9 】【3 川等其他分析方法和理论研究，能够很好的达到预期的效果【3 l 】 3 2 】f 3 3 】。 1 2 2 国外研究动态 国外对于涡流传感器的研究开始得比较早【3 4 】【3 5 3 6 1 ，现在的技术3 7 1 3 引、工艺【3 9 】【加】等都比 较成熟。这里主要介绍一下国外比较知名的涡流传感器品牌公司及其主要产品，包括美国通 用能源集团本特利- 内华达公司( g ee n e r g y b e n t l yn e v a d a t m ) 、德国米铱公司m i c r o - e p s i l o n 的 主要研究现状。 1 2 2 1 美国通用能源集团本特利内华达公司1 4 1 j 1 4 2 l 二十世纪六十年代初，本特利的电涡流探头问世，自此开创了在线机械状态监测的新领 域。本特利在该领域一直处于前沿地位，不断开发出高技术的仪表、软件和服务，用于提供 资产状态信息，确保机器以及其它工厂设备资产安全运行。目前本特利的涡流传感器主要有 3 3 0 0 、3 3 0 0x l 两个系列。 3 3 0 0 系列传感器是3 3 0 0x l 系列传感器的前身。3 3 0 0 系列传感器在全球机械应用中的表 现久经考验，年复一年地提供可靠、无障碍服务。该系列传感器主要产品有3 3 0 05 m m 接近 式传感器系统、3 3 0 01 6 m m 高温接近式传感器系统、3 3 0 0r e b a m 传感器系统。 3 3 0 05 m m 接近式探针系统在各种温度范围内提供精确稳定的信号输出，具备最高2 m m 的线性范围，输出值为2 0 0 m y r a i l 。它同时胜任静态( 位置) 和动态( 振动) 测量，并且主 要用于针对液体薄膜轴承机器的振动和位置测量应用，以及k e y p h a s o r 蝴j 量和速度应用。 3 3 0 01 6 m m 高温接近式传感器系统。这种接近式探针系统旨在承受最高3 5 0 * ( 2 的高温环 境，例如某些燃气和蒸汽涡轮机应用，那里的温度可能超过标准接近式探针和电缆所能承受 的限值。探针的圆顶直径为1 6m l n ，并且系统提供最高4m i l l 的线性范围。 3 3 0 0r e b a m 传感器系统。这种高增益接近式探针系统旨在测量滚动元件轴承外环的微 4 第一章绪论 英寸偏差。它提供轴承条件的更直接测量，与外壳安装的地震传感器( 例如加速计) 相比敏 感度更高，并且信噪比更好。系统提供两种线性范围选项：4 0 0 比m ，输出为4 0v m m ，或2 0 0 9 m ， 输出为8 0 v m m 。 3 3 0 0x l 系列传感器系统是表现出色、使用寿命长的传感器。以在各种严酷环境中的卓 越表现为特色，x l 系列是5 0 余年传感器系统设计的成果，这也是为何b e n t l yn e v a d a t m 成 为出类拔萃的电涡流传感器系统的代名词的原因。3 3 0 0x l 系列传感器的主要产品有3 3 0 0x l 8 m m 电涡流传感器系统、3 3 0 0x lll m m 电涡流传感器系统、3 3 0 0x l 陶瓷帽探针、3 3 0 0x l n s v t m 电涡流传感器系统、3 3 0 0x l2 5 m m 电涡流传感器系统、3 3 0 0x l5 0 m m 接近式系统。 3 3 0 0x l8 m m 电涡流传感器系统。这种电涡流传感器系统提供最高2r n m 的线性范围， 输出值为2 0 0 m v m i l 。它旨在解决径向振动、轴向( 推力) 位置、速度和相位( k e y p h a s o r ) 测量等机械监控应用的重大问题，并满足美国石油组织( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ) 标准6 7 0 第4 版的要求。 3 3 0 0x ll l m m 电涡流传感器系统。这种电涡流传感器系统提供最高4 m m 的线性范围， 输出值为1 0 0 m v m i l 。它经过特殊设计，以解决轴向( 推力) 位移、汽轮机斜面式差胀、往 复式压缩机杆位或杆沉降、转速计和零转速，以及相位( k e y p h a s o r * ) ；次q 量等机械监控应用的重 大问题。 3 3 0 0x l 陶瓷帽探针。因其具备承受各种破坏性化学品和多种应用的能力，陶瓷帽探针 适合在严酷机器环境中。 3 3 0 0x ln s v t m 电涡流传感器系统。这种接近式探针系统将5 m m 顶圆直径与更短线性范 围1 5r n l n 结合起来，以解决小目标区域、缩减的测试图或沉孔间隙等应用。 3 3 0 0x l2 5 m m 电涡流传感器系统。这种系统适合测量中型到大型蒸汽涡轮发电机上的不 均应膨胀( d e ) 情况，该情况的起因是涡轮转子和定子( 外壳) 之间的增长率不一致。 3 3 0 0x l5 0 m m 接近式系统。b e n t l yn e v a d a t m3 3 0 0x l5 0 m m 传感器系统是一套非常强劲 和可靠的接近式探针系统。它提供比原有系统更高的耐潮湿性以及更广泛的温度范围，并且 不会影响d e 等苛刻应用所需的线性和精确度。 1 2 2 2 德国米铱公司1 4 3 i 德国米铱精密测量技术有限公司( m i c r o e p s i l o nm e s s t e c h n i kg m b h & c o k g ) 在产品的研 发和生产中，有着4 0 年的实践经验。不断的技术革新，使其在精密位移位置测量领域，达到 了国际领先的地位，成为学术界及工业界公认的可靠有力的合作伙伴。m i c r o e p s i l o n 德 国米铱公司非接触式位移传感器e d d y n c d t 系列，是根据电涡流感应的原理设计而成，测量 全过程无磨损，不对被测物体施加任何外力。e d d y n c d t 系列位移传感器可用于对所有金属 材料的测量，无论铁磁材料还是非铁磁材料。该测量原理的抗干扰性极强，即使是油啧、污 物、水或者电磁场等，都不会影响其测量精度。m i c r o e p s i l o n 德国米铱公司独有的温度 补偿技术极大地消除了电涡流传感器温度漂移的缺陷，使其达到极高的温度稳定性。因此， 此产品系列被广泛用于工作环境恶劣却有很高精度要求的工业领域。目前米铱公司的涡流传 感器主要有e d d y n c d t 3 0 1 0 单通道标准型系列、e d d y n c d t 3 3 0 0 单通道智能高精度系列、 e d d y n c d t 3 7 0 0 超高分辨率位移传感器，可单通道或双通道测量系列传感器等三个系列。各 个系列的主要技术参数如表1 1 所示。 总体说来，米铱公司的涡流传感器的特点主要包括：线性精度0 2 ：频响高，可应用于 高速轴旋转轨迹的测量；温度补偿技术先进，一2 0 0 c - - - + 1 5 0 。c ；抗强电磁干扰，重工业环境 亦可用；抗高压，最高1 0 0 0 b a r ；高同步性，多个传感器之间工作频率可同步，无相邻干扰。 5 东南人学硕j ：学位论文 1 3 涡流传感器的不足和发展趋势 作为一般概念的涡流传感器在具有很多优点的同时，也有着其自身不可克服的缺陷。这 些缺陷大大地限制了涡流传感器的使用领域【9 1 。限制涡流传感器发展的主要有涡流传感器对 被测材料具有敏感性】【4 5 】【矧、探头的温度漂移问题【4 7 】【4 8 】【4 9 1 、探头的互换性问题【5 0 】【5 1 1 【5 2 1 。未 来的涡流传感器必然朝着解决这些问题的方向发展【5 3 】【5 4 】【5 5 1 1 5 6 1 。 1 3 1 材料敏感性 对材料的敏感性问题一直制约着涡流传感器的广泛应用。虽然这个问题很早就已经被有 关学者提出，但是至今尚无行之有效的解决办法