CN108917571B - 一种能使涡流传感器的探头和前置放大器进行互换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能使涡流传感器的探头和前置放大器进行互换的方法，采用双层屏蔽高频同轴电缆，在前置放大器中加装了一个高频运算放大器，将高频运算放大器设计成跟随器方式，并在放大器的输入端进行输入阻抗自举电路处理，确保跟随器的放大倍数为1。使延长电缆的外屏蔽层和内屏蔽层之间进行电路隔离，在外屏蔽层和延长电缆的芯线之间进行物理隔离，消除了延长电缆分布电容C对传感器测量回路的影响，从而保证了可以选用任意长度的延长电缆，探头和前置放大器之间可以完全互换。

Description

一种能使涡流传感器的探头和前置放大器进行互换的方法

技术领域

本发明涉及一种能使涡流传感器的探头和前置放大器进行互换的方法，属于汽轮机监视保护仪表（TSI）产品的技术领域。

背景技术

对汽轮机监视保护仪表（TSI）产品的常规如下所述：

目前大型汽轮发电机组都安装了汽轮机监视保护仪表（TSI），汽轮机监视保护仪表（TSI）是保证汽轮机安全运行的关键设备之一，主要包括在线连续监视保护汽轮机组的振动、轴向位移、胀差、偏心、转速、零转、键相速等重要参数，以确保汽轮机组的安全、可靠运行。

汽轮机监视保护仪表（TSI）使用了许多类型的传感器，主要包括：涡流式位移传感器、磁电式速度传感器、压电式加速度传感器、磁阻式速度传感器、压电式速度传感器、霍尔传感器、线性可变差动变压式传感器等多种类型。但使用最多的是涡流式位移传感器。

涡流式位移传感器可根据探头线圈直径的不同大小和被测参数的量程不同，可以分为Φ5mm、Φ8mm、Φ11mm、Φ25mm、Φ50mm 等多种规格，可分别用于检测汽轮机组的振动、偏心、转速、零转速、键相和轴向位移、胀差等参数。

涡流传感器有探头和前置放大器二部分组成，传统的涡流传感器其探头和前置放大器不能互换。涡流式位移传感器的原理如图1所示。如果有一个很高的频率（一般取1MHz）的电流从振荡器流入传感器线圈中，那么传感器线圈就产生一个高频率振荡磁场，如果有一片金属接近这个磁场，那么在此金属的表面就会产生电涡流。电涡流的强度是随着传感器线圈与金属之间的距离的变化而变化的，这是因为这个距离影响了传感器线圈的阻抗，所以可以用测量阻抗的方法来实现距离的测量。使涡流式位移传感器输出一个与距离成单值函数的直流电压信号。

从图1中可以看出，我们把振荡器、桥式电路（电桥）、检测电路、放大器、线性化等电子检测原件放在一个称之为前置放大器的盒中，将传感器线圈放在一个主体材料为不锈钢的金属螺杆中，中间通过一根称之为延长电缆的同轴电缆相连，实现将机械的位移量转换为电量的非电量转换检测功能，即所谓的传感器功能。

通常使用的延长电缆，采用的是单屏蔽的同轴电缆，如图2所示。如图3所示的是采用单屏蔽同轴电缆时的接线方式，即将前置放大器中所产生的高频振荡信号电流通过延长电缆接到传感器线圈的二头，即传感器线圈的一端接延长电缆的芯线，另一端接延长电缆的屏蔽层。延长电缆的屏蔽层既是整个传感器电路的信号公共线，又是振荡器交流回路的参考零线。传感器线圈通过延长电缆的连接，此线圈参与了前置放大器中的振荡器回路，在设计振荡器回路的振荡频率时，应该统筹考虑传感器线圈的电感和延长电缆的分布电容的大小。延长电缆的分布电容与延长电缆的长度有关，延长电缆越长，分布电容越大，所以目前市场上的涡流式位移传感器的延长电缆是规定长度的，不同的延长电缆长度配置了不同型号的前置放大器，也就是某规格的前置放大器，必须使用该规格所规定的延长电缆，不能随便混用使用，在现场使用时，如果延长电缆长度太长时，必须将多余的延长电缆放置在现场安放前置放大器的接线盒中，或者重新选择延长电缆短的前置放大器规格型号，在没有改变前置放大器规格时，绝对不允许改变延长电缆的长度，否则严重地影响传感器的测量精度。即使使用同样规格和型号的探头，由于同轴电缆的分布电容的分散性，造成的互换性误差也很大，所以在实际使用时，基本上都是前置放大器和探头配套使用，不到迫不得已不会互换使用。

在TSI系统中，大量地使用了涡流传感器，作为一种工业用安全监视保护仪表，安装使用在大型旋转机械上。作为连续在线运行的产品，在机组正常服役期间，如果涡流传感器的某个部件发生故障，不能进行部件更换，而需要进行整体更换，其麻烦程度可想而知，有时候经过检查，确定前置放大损坏了，而机组正在运行，不能进行探头的拆装，没法进行更换。

通过对目前涡流式位移传感器的测量原理分析发现：目前前置放大器必须与探头相对应，不能随便混用的原因是因为延长电缆中存在着分布电容，由于分布电容参与了振荡器的振荡回路，分布电容的大小会影响振荡器的共振频率和振荡器的品质因素，而分布电容在同轴电缆中是一定存在的，其大小又与延长电缆的长度有关，通常我们在TSI系统中使用的涡流传感器，所选用的高频同轴电缆的标称分布电容为：72pF/米，所以延长电缆的长度不能随便改变。另外，高频同轴电缆的分布电容又有一定的分散性，所以既是使用相同长度的延长电缆，由于延长电缆分布电容存在的分散性，其总的分布电容也相差很大，所以在更换探头时，即使采用相同长度的延长电缆的探头时，更换后，其传感器的性能也变化相当大，造成国产的涡流传感器需要单独调试，配套使用，不能互换。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提供了一种可以使用任意长度延长电缆并且能使涡流传感器的探头和前置放大器进行互换的方法，改变目前前置放大器与探头必须相对应和匹配，不能随便混用的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种能使涡流传感器的探头和前置放大器进行互换的方法，包括选用双层屏蔽高频同轴电缆作为延长电缆，将传感器线圈的一头接到延长电缆的芯线，传感器线圈的另一头接到延长电缆的外屏蔽层，采用高频接头，使高频接头能够连接双层屏蔽同轴电缆的目的，选用高频运算放大器，其高频截止频率要达到1.667MHz以上，将高频运算放大器设计成跟随器方式，并在放大器的输入端进行输入阻抗自举电路处理，确保跟随器的放大倍数为1。将延长电缆的外屏蔽层连接到高频运算放大器的输入端，其高频运算放大器输出端连接到延长电缆的内屏蔽层。

优选地，所述的传感器线圈固定在一个不锈钢的螺杆内，通过双层屏蔽高频同轴电缆将高频接头连接到前置放大器。

优选地，所述的高频运算放大器设计成跟随器方式，放置在前置放大器中，并通过高频接头与传感器线圈相连。

经过本发明的设计改进，使用新的设计方法所生产的涡流式位移传感器，其延长电缆的长度不需要再进行指定长度，并能够实现探头和前置放大器之间的互换，这样方便了用户，解决了用户的实际问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明巧妙的进行了电路隔离和物理隔离的双重隔离，使同轴电缆分布电容C对振荡器回路的影响降到了最低，解决了任意长度电缆，以及探头和前置放大器之间的互换。本发明，在实现非电量转换过程中，即将位移量转换为电压的输出过程中，不必规定延长电缆的长度，也就是可以根据现场实际的需要，选用任意的电缆长度，当探头出现损坏时，可以方便更换探头，而不必像传统的涡流传感器那样，在更换探头时，必须将前置放大器一起更换，而不会影响传感器的线性范围、线性度、灵敏度、灵敏度误差、线性度误差等传感器的主要性能指标。

附图说明

图1为涡流式位移传感器原理示意图；

图2为现有技术中单层高频同轴电缆结构示意图；

图3为现有技术中双层高频同轴电缆结构示意图；

图4为现有技术中单层高频同轴电缆连接前置放大器的结构示意图；

图5为本发明探头和前置放大器能进行互换的涡流传感器的结构示意图；

图6为延长电缆为4米时的涡流传感器数据和特性曲线；

图7为延长电缆为6米时的涡流传感器数据和特性曲线；

图8为延长电缆为8米时的涡流传感器数据和特性曲线。

其中：线圈1、延长电缆2、前置放大器3、屏蔽层2.0、外屏蔽层2.1、内屏蔽层2.2、芯线2.3、外层保护层2.4、绝缘层2.5、内绝缘层2.6、外绝缘层2.7、高频运算放大器K3.1。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图4所示，传统的涡流传感器电路结构示意图，使用如图2所示的单层同轴电缆，传感器线圈通过同轴电缆连接到前置放大器中的振荡器回路，前置放大器中的振荡器，采用电容三点式振荡回路，传感器线圈在电路中可以等效为一个电感L，延长电缆中的分布电容可以等效为一个电容C，此电感L和电容C直接参与振荡器的振荡回路，所以此电感L和电容C一定要保持一致，才能确保传感器的主要性能保持不变，实际上，传感器线圈的电感L可以保持一致，容易做到，但延长电缆的分布电容C保持一致，不可能做到的，这是因为延长电缆的分布电容具有分散性，即使同样长度的延长电缆，其分布电容C也相差很大，很难一样，如果是不同长度的延长电缆，那其分布电容C肯定不一样。所以国产的涡流式位移传感器基本上不具有互换性，进口的大品牌产品，也只能在相同规格和型号的产品之间进行互换，但互换后其涡流传感器的性能指标也会下降，会产生互换性误差。

从上面的分析，我们可以得出这样一个结论：规定探头的电缆长度，主要就是因为同轴电缆存在分布电容，而同轴电缆中一定存在分布电容的，我们不可能消除同轴电缆的分布电容，只能采用技术的处理方法，使同轴电缆的分布电容对传感器性能的影响降低，甚至做到同轴电缆的分布电容不影响涡流传感器的性能，这样就解决了传感器的探头和前置放大器的互换问题。

如图5所示，本发明一种能使涡流传感器的探头和前置放大器进行互换的方法，选用双层屏蔽高频同轴电缆作为延长电缆，将传感器线圈的一头接到延长电缆的芯线，传感器线圈的另一头接到延长电缆的外屏蔽层，采用高频接头，使高频接头能够连接双层屏蔽同轴电缆的目的，在前置放大器中设置一个高频运算放大器K（高频运算放大器K设置在前置放大器的电桥前），在延长电缆的外屏蔽层和内屏蔽层之间采用电路隔离，延长电缆的芯线和外屏蔽层之间采用物理隔离。

选用高频运算放大器K，其高频截止频率要达到1.667MHz以上，将高频运算放大器K设计成跟随器方式，并在放大器的输入端进行输入阻抗自举电路处理，确保跟随器的放大倍数为1。将延长电缆的外屏蔽层连接到高频运算放大器K的输入端，其高频运算放大器K输出端连接到延长电缆的内屏蔽层。

探头和前置放大器可以互换的涡流式位移传感器：它包括线圈1、延长电缆2和前置放大器3；

所述延长电缆2为双层高频同轴电缆；所述双层高频同轴电缆从内至外依次包括：芯线2.3、内绝缘层、内屏蔽层2.2、外绝缘层、外屏蔽层2.1和外层保护层；

所述前置放大器包括振荡器、桥式电路（电桥）、检测电路、放大器和线性化，所述前置放大器中还设置有高频运算放大器K3.1；

在延长电缆2的外屏蔽层2.1和内屏蔽层2.2之间采用电路隔离，延长电缆2的芯线2.3和外屏蔽层2.1之间采用物理隔离。

所述高频运算放大器K其高频截止频率要达到1.667MHz以上，将高频运算放大器K设计成跟随器方式，并在高频运算放大器K的输入端进行输入阻抗自举电路处理，确保跟随器的放大倍数为1。

将延长电缆2的外屏蔽层2.1接入到高频运算放大器K的输入端，将高频运算放大器K的输出接到延长电缆2的内屏蔽层2.2，使延长电缆2的外屏蔽层2.1与内屏蔽层2.2之间电路隔离。

将传感器线圈1二端，分别接到延长电缆2的芯线2.3和外屏蔽层2.1，使外屏蔽层2.1与延长电缆的芯线2.3之间物理隔离。

使用如图3所示的双层同轴电缆，传感器线圈也是通过同轴电缆连接到前置放大器中的振荡器回路，在前置放大器中的振荡器，采用电容三点式振荡回路，传感器线圈在电路中可以等效为一个电感L，此电感L也直接参与振荡器的振荡回路。但从图4和图5相对比可以发现，延长电缆加了一层屏蔽层，新型的涡流传感器将传感器线圈二端，分别接到双层同轴电缆的芯线和外屏蔽层，将外屏蔽层，同时接入到高频信号放大器K的输入端，将高频信号放大器K的输出接到延长电缆的内屏蔽层，如图5所示。从图中5可以知道，由于高频信号放大器K设计成跟随器，其放大倍数为1，这样延长电缆的外屏蔽和内屏蔽是等电平的，尽管在外屏蔽和内屏蔽之间还是有分布电容存在的，但由于高频信号放大器K的放大倍数为1，所以在外屏蔽和内屏蔽之间不存在容性电流，按照有关的电路定律，在二层之间不存在容性电流，就可以忽略分布电容C对电路的影响。在延长电缆芯线与内屏蔽层之间，尽管有分布电容的存在，但屏蔽层与层之间是物理隔离的，中间有绝缘层隔离，在延长电缆的芯线和外屏蔽层之间是物理隔离（中间隔了一层内屏蔽层和二层绝缘层）的，由于在外屏蔽层和内屏蔽层之间也不可能存在容性电流。所以在外屏蔽层和延长电缆芯线之间，也不会存在容性电流，所以同理可以忽略分布电容C对电路的影响。既然延长电缆的分布电容C对振荡器回路不影响，所以从理论上讲延长电缆可以任意长度。如果保证传感器线圈的一致性好（容易满足要求），可以确保各涡流传感器完全互换。

为了验证上述推导的正确性，我们分别用5米、7米、9米的涡流传感器系统做试验，试验用的传感器系统这样组成的：

试验1：探头（带1米电缆）＋延长电缆（4米）＋前置放大器；

探头型号：ZH-T202-1；延长电缆型号：ZH-Y202-4；前置放大器型号：ZH-Q202-5。

其试验数据如表1，结果见图6；

表1：

试验2：探头（带1米电缆）＋延长电缆（6米）＋前置放大器

与试验1 使用相同的探头和前置放大器，延长电缆相同型号电缆，长度6米；

其试验数据如表2，结果见图7；

表2

试验3：探头（带1米电缆）＋延长电缆（8米）＋前置放大器

与试验1 使用相同的探头和前置放大器。

其试验数据如表3，结果见图8；

表3

从试验得出的数据详见表1至表3，可以看出，涡流传感器的主要性能指标：灵敏度、线性度、线性范围、灵敏度误差、线性度误差等关键数据几乎保持不变，试验结果满意。

Claims (3)

1.一种能使涡流传感器的探头和前置放大器进行互换的方法，其特征在于；采用了双层屏蔽高频同轴电缆作为延长电缆，在前置放大器中设置一个高频运算放大器，在延长电缆的外屏蔽层和内屏蔽层之间采用电路隔离，延长电缆的芯线和外屏蔽层之间采用物理隔离；

所述高频运算放大器其高频截止频率要达到1.667MHz以上，将高频运算放大器设计成跟随器方式，并在高频运算放大器的输入端进行输入阻抗自举电路处理，确保跟随器的放大倍数为1；

将外屏蔽层接入到高频运算放大器的输入端，将高频运算放大器的输出接到延长电缆的内屏蔽层，使延长电缆的外屏蔽层与内屏蔽层之间电路隔离。

2.如权利要求1所述的一种能使涡流传感器的探头和前置放大器进行互换的方法，其特征在于，将传感器线圈二端，分别接到延长电缆的芯线和外屏蔽层，使外屏蔽层与延长电缆的芯线之间物理隔离。

3.如权利要求1所述的一种能使涡流传感器的探头和前置放大器进行互换的方法，其特征在于，传感器线圈固定在一个不锈钢的螺杆内，通过双层屏蔽高频同轴电缆将高频接头连接到前置放大器。