电涡流传感器输出特性自动检测系统

/广东省计量科学研究院

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。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。

2 检测要求与检测系统的组成

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。

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11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，以上、下两个行程为一个测量循环，一共测量3个循环, 采用最小二乘法计算输出特性即电压与位移的比例值。

按JJG644-2003 对电涡流传感器进行检测,不但测量的数据多，而且计算复杂，发电厂每次送检量都很大，为了提高工作效率，设计了一套自动化数据采集系统，很好地满足了要求。

检测系统：选用带RS232串口的 HP34401A数字多用表测量电压，该表能显示到6位半，直流电压测量的准确度达 ±0.004%；选用德国HEIDENHAIN公司的CT2501测长计配ND281B显示单元作为位移检测标准，该测长计的量程为 25.4 mm，测量准确度达 ±0.2 μm，并具有RS232 串口功能便于自动化采集数据。

3 准备工作与程序编制

3.1 通信协议

根据HP34401A的说明书，RS232串口的通信协议为：9600,N,8,1，即波特率为9600 b/s,数据为8 位有效数据和1个停止位, 无校验位。HP34401A的串口有两种获取数据方式，一种为自动方式，每自动测量一个数据，就从串口输出；另一种为手动触发测量并送一个数据到串口。根据ND281B的说明书，串口的通信协议为：9600,E,7,2，即波特率为9600 b/s, 数据为7位有效数据和2个停止位, 偶校验。ND281B串口是采用字符控制方式，当ND281B接收到ASCII码 02的字符时，就通过串口发送一个测量数据。

3.2 数据接线

根据说明书的要求制作数据连接线，HP34401A是9针串口，每个接线端都要使用；ND281B是25针串口，用到6个接线端，转换到9针串口。考虑到目前计算机只有一个串口，要同时采集两个仪器的数据，需要再使用一个计算机USB口。购买了RS232串口转换成USB的连接器，装上其Windows驱动程序后，在计算机的硬件设备管理器上看到USB口对应的串口号为COM3，此口接ND281B。计算机自带的串口COM1接HP34401A。

3.3 程序编制

本自动检测系统要完成数据采集功能和计算功能，再加上电涡流传感器位移与输出特性要进行数据拟合，计算复杂，将采集到的数据全部写入EXCEL表格，利用EXCEL表格强大的计算能力完成各种计算，不失为良好选择。程序要完成两大任务即采集数据与将数据转换到EXCEL表格。

本次采用WindowsXP环境下的VC++编程，要用到Windows通信控制CMSComm类，由于要对两个串口进行控制，在程序开发环境中引入两个该控件，并关联两个控制变量后，采用CMSComm类的方法进行串口设置，编写引发CMSComm类的事件函数接收串口的测量数据。对于连接COM1的HP34401A，采用自动方式，由于仪器按一定的时间间隔不断地向外传数据，为了正确接收数据，引入1个控制变量，每次启动采样函数（按采样命令键）时使该变量为真，可以采集读数并将变量置假，不再记录数据，1个测回要采集正返行程共测量22个点，每个测量点同时记录电表和测长计的读数。一共测量3个测回。所有数据测量完毕后，数据转入到EXCEL表格。程序的流程如图1。

电涡流传感器的计算做成一个EXCEL模版文档，该文档包含4个表格，第一个表接收测量原始数据，第二个表根据第一表的数据进行计算处理，第三个表当原始记录，第四个表作为证书打印，设文件名为Template并建立在C盘的根目录下。

通过VC++将测量的数据写入到EXCEL表格之前，要人工加入新类 _Application、Workbooks、_Workbook、 Worksheets、_Worksheet、Range，并加入头文件Excel.h。做完这些辅助工作后，就可以进行EXCEL表格操作了。

语句wb My Book.Attach Dispatch (wbs My Books.Add(_variant_t(＂C:\ Template＂))) 可得到 Worksheets，进而控制直接将某测量数据写到第一个表格的第几行第几列的某单元。这部分的具体程序，可以参考文献[2]。

电涡流传感器的动态参数如动态频率响应与幅值线性度采用标准振动台来检测，由于数据不多，则直接由人工读数并输入相应表格，也一起转入到EXCEL进行处理。

图1 程序流程图

4 测量可靠性分析

根据电涡流传感器输出值电压Ui和传感器的给定的位移Li，按最小二乘法计算出电涡流传感器的回归值与给定位移之间的关系见式(1)，截距U0和斜率S的的计算分别见式(2)和式(3)。为评价测量结果的可靠性，下文估算在最大行程处电压输出也为最大测量点的不确定度。

对于式（1），U0与S是相关的，要考虑相关项，对式（1）进行偏微分后，电压 的标准不确定度可按式(4)来估算。

式（4）中的u(Li)为测长计示值误差（MPE：±0.2 μm）引入的不确定度分量，u(Li)=0.12 μm。u(Ui)为 HP34401A示值误差（MPE：±0.004%）引入的不确定度分量，在电涡流的最大量程处，输出为 17.5 V，则 u(Ui)=0.001 V。 按式（3）计算得到S=7.9 V/mm，Li取最大行程为 1 mm，代入式（4）得到 =0.0144V。

取置信水准95%, 包含因子k=2, 则扩展不确定度 U=2 =0.0288 V。电涡流位移传感器量程为15 V，转化为相对不确定度为Urel=0.19%FS。电涡流传感器的最大允许误差一般为±1.0%FS～±2.0%FS，这表明采用本自动检测系统来检定电涡流位移传感器具有很高的可靠性。

5 结束语

本检测系统综合采用了串口自动采集数据与EXCEL表格数据处理，已正式应用于日常的电涡流传感器检定。采用本系统，只要检测完毕，证书、记录及合格情况就全部完成，工作效率已大大提高。

[1]龚建伟.Visual C++/Turbo C串口通信编程实践 [M].北京: 电子工业出版社, 2007.

[2]刘 波.VC++ 中实现EXCEL自动化编程[J].电脑编程与维护,2007 (6).

[3]全国振动冲击转速计量技术委员会.JJG644-2003[S].北京: 中国计量出版社, 2003.

[4]叶德培.测量不确定度理解评定与应用 [M].北京: 中国计量出版社, 2007.