【TSI系统传感器的检测原理(上)】
汽轮机监测仪表系统（TSI）是以测量机械位移量为基础的仪表，用于汽轮机测量机械位移量的传感器有三种：
（1）电涡流传感器；
（2）螺管式差动变压器（LVDT）；
（3）磁电式速度传感器；
采用电涡流传感器的监测的项目有：
（1）汽机转速；
（2）转子轴向位移；
（3）转子与汽缸间的相对膨胀；
（4）转子偏心及键相位；
（5）转轴振动。
采用螺管式差动变压器（LVDT）的监测项目有：
（1）转子与汽缸间的相对膨胀；
（2）汽缸的绝对膨胀。
采用磁电式速度传感器的监测项目有：
轴承座振动或瓦振。
此外还有采用磁电式速度传感器和电涡流探头组成的复合式传感器监测转子相对于机座的绝对振动。
可见，除汽缸绝对膨胀以及轴承瓦振这二个监测项目外，几乎所有的其它监测项目均可采用电涡流传感器作为测量的一次元件。因此，电涡流传感器是系统中测量位移的主要测量元件。其最大特点是采用非接触测量，测量的位移量虽然不大，但分辨率能达到0.01米的级别，并能保证一定精度。
一、电涡流传感器：
电涡流传感器是利用高频电磁场与被测物体间的涡流效应原理制成的一种非接触式的位移传感器。具有线性范围大，灵敏度高，频响范围宽，抗干扰性和温度特性好，安装和调整方便，测量值不受油污等介质影响等优点，能满足现场使用要求。整个传感器包括电涡流探头，接长电缆和前置器，如图1所示：
图1 涡流探头，接长电缆和前置器
涡流传感器测量涡流探头与被测金属表面间的间隙，间隙随被测金属表面的移动而改变，涡流探头检测到间隙的变化，并在前置器中转换成与其成正比的电压。前置器输出的电压传送到监控模件，监控模件经数据处理后输出与被测间隙相关的标准电量，显示被测表面与探头之间的位移值大小。
视测量的位移大小不同，常用的涡流探头按其直径大小分有8mm，11mm，14mm，25mm和35mm等几种， 35mm目前已经很少使用，探头的直径越大测量的位移有效值也越大，通常涡流探头直接测量的位移值不大于12mm。
探头直径大小与直接测量的位移有效值的大致关系如下：
探头直径 8mm 11mm 14mm 25mm
测量位移 ±1mm ±2mm ±4mm ±6mm
探头尾部一般带有1米长的高频同轴电缆，可直接连接到前置器的信号输入口，为使前置器尽可能地远离涡流探头的位置，也可加装接长电缆。接长电缆有4米和8米两种，连同涡流探头上的1米电缆，传感器高频同轴电缆的总长为5米和9米两种。因为高频同轴电缆直接参与高频振荡电路的工作，电缆的电气参数直接影响高频振荡频率，故此长度在使用中不允许改变，一经选定，在现场就不准再加长或缩短。
前置器内部具有高频振荡器，检波器，滤波器，线性补偿电路和电平转换/放大电路等，如图2所示：
图2 前置器内部电路原理
前置器的-24V直流电源由监控模件提供，其输出与电源共地，输出电压范围为-2~-18V，并与输入变量—探头与被测金属表面的间隙d呈线性关系，-10V是线性区的中点。
图3是8mm探头典型的输入/输出特性关系：
8mm探头检测的有效位移为±1mm，公差带±1%；灵敏度为8V/mm。
图3 8mm探头输入/输出特性关系
涡流式位移传感器的工作原理如下：
涡流式位移传感器中的前置器，其内部的振荡器，向涡流探头提供频率f0 （一般为1-2MHz）的交变电压Usr，并在探头线圈内形成交变电流i。，如果探头线圈平面附近有导体表面存在，由于线圈磁链ψ穿过导体，即在导体表层感应出涡流ie。此涡流ie所形成的磁链ψe又穿过原线圈。这样，在探头线圈与导体内感应生成的涡流“线圈”间，形成了有一定耦合的互感。耦合系数的大小与两者间的距离及导体材料等有关，电涡流传感器的原理图及其等效电路如图4，5所示：
图4 电涡流传感器原理图
图5 电涡流传感器等效电路图
在等效电路图中R和L为探头线圈的电阻和电感；Re和Le为相应的涡流“线圈”的电阻和电感；M为互感系数。L’为与互感耦合有关的当量电感，R’为涡流“线圈”的当量电阻。
当被测表面的金属材料确定后，与互感系数有关的耦合系数K与距离有关，即K是d的函数：
K = f (d) （1-1）
K值在0-1间变化。当距离增加时，耦合减弱，K值减小。因此其变化关系如下：
d↑→K↓→L’↑ （1-2）
这样，d的变化反映为当量电感L’的变化，测定L’的变化，也就测定了d的变化。
为了测定L’的变化，可采用谐振法，即在等效电路R’L’上并联一个电容C，构成电容-电感谐振电路。此谐振电路的谐振频率为：
（1-3）
谐振频率随当量电感L’的减小而增加，图6的左图所示为谐振频率fsr与自振电路输出电压Usc间的关系。
可见，随着d的减小，L’减小，f谐将随着增加，自振回路的输出电压Usc随之减小，这样就得到了间隙d与输出Usc的关系，见图6的右图。在自振频率f0与谐振频率fsr合拍时，输出电压Usc达到最高。
图6 测量间隙d与输出电压Usc的关系
右图所示的间隙d与输出电压Usc呈非线性，只有中段非常接近直线，我们感兴趣的就是这段线性区，希望能得到尽可能宽的线性范围，即利用小直径的探头线圈，得到大量程的测量范围。
自谐振回路测得的Usc是频率为f0的调幅信号，经过前置器中的检波器和滤波器处理成与间隙变化相应的直流电压输出，并经前置器的线性补偿电路、电平转换、放大电路处理，最终使涡流传感器得到线性的输出特性曲线。