一种电涡流式摆度监测传感器温度综合补偿方法

罗孝兵，王建勇，蓝 彦，郑水华

（1．国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211116；2．新安江水电厂，浙江省建德市 311600）

一种电涡流式摆度监测传感器温度综合补偿方法

罗孝兵1，王建勇2，蓝 彦1，郑水华1

（1．国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211116；2．新安江水电厂，浙江省建德市 311600）

发电机组摆度监测传感器要求越来越趋向一体化和小型化，现在主要使用的电涡流式摆度监测传感器，需要进行温度补偿才能达到准确测量。本文提出了一种适用于电机组摆度监测使用的一体化电涡流位移传感器的温度综合补偿方法，其在线性校正网络中增加一个温度综合补偿网路，能够对传感器全要素温度飘移进行补偿，其特点是使用器件极少，方法简单巧妙。

温度漂移；综合补偿；电涡流；摆度监测

0 引言

目前市场上实现发电机组摆度监测主要采用电涡流式位移传感器，这种传感器的优点是可以实现非接触式测量、灵敏度高、响应快，但是其缺点是容易受到温度的影响。

本文根据发电机组摆度监测传感器实际应用要求，在开发一体化、小型化的电涡流式摆度监测传感器过程中，巧妙的在线性调节网络中增加温度综合补偿网络，既达到综合温度补偿效果，又实现传感器一体化、小型化之目的。

1 电涡流传感器温漂因素

电涡流传感器是载流线圈与被测金属体的统一体，根据克西荷夫定律，可以推导出线圈受金属导体影响后的等效阻抗Z为[1]：

由此得等效电感为：

等效损耗电阻为：

其温度稳定性主要取决于以下几个因素：

（1）传感器探头电学特性的温度漂移，它主要使探头线圈电阻R1变化，其将引起损耗电阻R的变化。线圈骨架机械结构的材料温度特性，导致电感L1的变化。

由于铜导线电导率ρ随温度升高而增大传感器探头线圈电阻R1随温度升高而增大，R1∝ρ1（1+a1T）。

（2）被测体短路环损耗电阻R2的温度特性。因被测金属体在电涡流效应下产生的短路环同样存在电阻率的温度影响，导致短路环电阻R2随温度而变化，R2∝ρ2（1+a2T）。

被测体短路环损耗电阻R2的变化将引起等效电感L和等效损耗电阻R的变化，对于调幅调频式测量电路，这些变化将引起品质因数和输出频率变化，最终影响输出电压变化。传感器输出电压的高低要看电感L和电阻R升高程度的比值大小[2]。

（3）振荡回路及其附属电路参数的漂移使振荡电路的品质因素发生变化，使输出电压峰值出现漂移[3]。

2 现有补偿温度方法及缺点

由以上分析此可知，电涡流位移传感器受温度影响的因素几乎包括传感器系统的所有部件和材料。

目前这类传感器现有的温度补偿硬件方法主要有：双路差动补偿的方法、线圈串联负温度系数（NTC）电阻补偿、无感线圈补偿法、采用多股辫线降低线圈电阻法等。这种采用传统的单一参数温度补偿，只能满足一般的要求，若要精确测量，很难达到理想的效果。

如果采用温度综合补偿法, 既能提高系统的稳定性和抑制温漂的能力，同时改善传感器的线性关系。但是，目前已知的综合补偿方法主要采用源反馈电路、取样电路，配套补偿线圈的补偿方法，原理较复杂，使用器件较多。在机组摆度监测传感器要求趋向一体化、小型化，最小一体化外形要求探头直径小于8mm，电路尺寸仅有6mm宽，长度不超过60mm，因此，已有综合温度补偿方法方法不能用于制造体积要求小的机组摆度监测传感器，必须需找新的适用的小型化温度补偿方法。

3 机组振摆综合温度补偿原理

图1所示的发电机组摆度传感器电路结构，由温度综合补偿网络、线性校正网络、振荡器、检波器、滤波器、输出级温度补偿网络、放大电路、探头线圈和被测体等构成统一的整体（其中除被测金属体和探头线圈外，其余部分构成前置检测器）。

相对一般的前置检测器，其在前置检测器的线性校正网络中增加了温度综合补偿网络，而线性校正网络是振荡器的负反馈网络，能够综合传感器探头的温漂、被测金属体的电磁参数温漂以及前置检测器振荡器的温度漂移等各种因素。

图1 具有温度综合补偿网络的摆度传感器电路框图

线性校正网络的特性是当电阻增大时，振荡器的负反馈增强，传感器输出电压减小；而当电阻减小时，振荡器的负反馈减弱，传感器输出电压增大（如图2所示）。

图2 线性校正网络阻值对输出影响趋势

而传感器的输出因各种参数的温度漂移而发生变化（如图3所示），当温漂升高时，输出电压增大，相当于线性校正网络的电阻减小；当温度降低时，输出电压减小，相当于线性校正网络的电阻增大。

图3 温度对输出影响趋势

结合以上线性调节网络电阻值及温度变化影响输出电压趋势关系，当温漂升高时，通过将温度综合补偿网络的电阻增大，使线性校正网络电阻增大；反之，当温度降低时，通过将温度综合补偿网络的电阻减小，使线性校正网络的电阻减小；适当调节温度综合补偿网络的温度补偿系数，就可以补偿传感器的各位移点的温度漂移，实现温度综合补偿。

4 综合温度补偿实现

具体补偿电路如图4所示（图中用虚线框将各功能网络/电路分隔开）。

图4 具有温度综合补偿的前置检测器电路

前置检测器电路包括温度综合补偿网络Ⅰ、线性校正网络Ⅱ、振荡器Ⅲ、检波器Ⅳ、滤波器Ⅴ、输出级温度补偿网络Ⅵ、放大电路Ⅶ等。温度综合补偿网络Ⅰ与线性校正电阻R4串联在一起,构成新型线性校正网络Ⅱ，是振荡器的负反馈网络的一部分。

综合温度补偿网络电路如图5所示，线性校正网络由滤波电感L1及可调电阻R4构成，综合温度补偿网络由线性正温度系数热敏电阻R1及温度系数调节电阻R2构成。

为实现发电机组的摆度传感器综合温度补偿，可以下按步骤操作：

（1）首先使R2=0Ω，获取摆度传感器线性校正网络电阻R4与输出电压的非线性调节关系；

（2）通过温度影响实验获取摆度传感器温度与输出关系；

（3）根据线性校正网络的非线性调节关系和温度—输出关系，求出线性校正网络电阻变化值与温度的关系式：

图5 综合温度补偿网络构成

（4）调节R2，使综合温度补偿网络的温漂系数与所求得的值基本一致，如式5所示，即可获得传感器的综合温度补偿网络电阻匹配值；

（5）将综合温度补偿网络与线性校正网络的串联在一起，构成新型线性校正网络；利用其非线性调节特性，即可动态地改变摆度传感器的温度补偿量，达到综合温度补偿目的。

在完成综合温度补偿后，最终进行综合的温度影响度测试，测试数据如表1所示。

表1 温度补偿前后温度影响度测试对比表

由表1中数据可见,利用综合温度补偿网络，可将传感器的温度漂移系数控制在较低的0.05%范围内，优于JJG+644-2003+振动位移传感器检定规程的0.1%/℃要求。

5 综合温度补偿摆度传感器验证

采用综合温度补偿技术所研制的电涡流式发电机组摆度监测传感器于2015年3月5～7日，在新安江水电站进行了国内外传感器对比实验。

具体实验方法是在新安江进行9号机组上导X向安装自制NEJ03002摆度传感器，在上导Y向采用国外申克的摆度传感器，摆度实际监测获得的波形如图6所示，所监测到的波形、波幅基本一致，其

图6 新安江水电厂对比测试结果图

中2.5Hz附近的基频幅度自制NEJ03002摆度传感器为35.5um，申克的摆度传感器为37.2um，满量程为2mm，相互之间互差小于0.1%FS。可见，采用综合温度补偿技术所研制的电涡流式发电机组摆度监测传感器测量效果完全到达国内外相应传感器先进水平。

6 结束语

采用在电涡流传感器的线性校正网络中增加一综合温度补偿网络，综合补偿传感器探头温漂、被测金属体的电磁参数温漂以及前置检测器振荡电路器件温度漂移等情况，解决了发电机组一体化、小型化摆度传感器的综合温度补偿技术难题。

对于不同的被测体，仅需要对综合温度补偿网络有关参数进行适当调整即可达到相应地补偿，因而可适用于各类电涡流传感器的综合温度补偿，具备广泛的实用性。

目前，已在松江河、丰满水电站、富春江水电站等获得实际应用。

[1] 袁希光．传感器技术手册[M]．北京：国防工业出版社,1996．

[2] 王薇，曲昀卿，李娟，等．电涡流传感器的温度补偿．传感器与仪器仪表, 2008，24（6-1）：157-159．

[3] 丛华，张德魁，赵鸿宾．电涡流传感器稳定性研究．清华大学学报（自然科学版）,1999，39（10）：65-68．

[4] 樊树江,吴峻,杨光，等．电涡流传感器温度漂移分析及补偿实现．传感器学报，2004（3）：427-430．

[5] 李其朋,丁凡．一类耐高压电涡流位移传感器的温度补偿研究．传感器学报，2006，19（1）：219-221．

[6] 凌保明，诸葛向彬，等．电涡流传感器的温度稳定性研究 ．仪器仪表学报，1994，15（4）：342．345．

[7] 杜宝强,叶会英．电涡流传感器温漂的综合补偿．半导体技术，2004，29（10）：50-52．

罗孝兵（1973—），男，高级工程师，主要研究方向：监测仪器与电力自动化技术。E-mail：lxbrobin@163．com

王建勇（1963—），男，工程师，主要研究方向：水电厂自动化监控现场检修技术。

蓝 彦（1969—），男，高级工程师，主要研究方向：监测仪器与电力自动化技术。

A method for temperature comprehensive compensation of eddy current type pendulum monitoring sensor

LUO Xiaobing1, WANG Jianyong2, LAN Yan1, ZHENG Shuihua1（1 State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211116,China; 2 Xin’An River Hydropower Plant Jiande Zhejiang 311600，China）

The generator set monitoring sensor requires more and more tend to the integration and miniaturization.Temperature compensation is needed for the eddy current sensor, which is mainly used for pendulum monitoring now, in order to achieve accurate measurement. A new temperature compensation method was proposed in this paper, which can compensate comprehensively the temperature drift for the eddy current displacement sensor. An integrated compensation network is added to the linear correction network. It can compensate all components of the sensor for temperature drift and its characteristics is of minimal use in devices and simple.

temperature drift; comprehensive compensation;eddy current; pendulum monitoring