LVDT传感器在爆炸环境地运动测量中的应用

 1 引言

   随着国民经济的高速发展，一些关系到国计民生的大工程纷纷上马，如三峡工程、南水北调工程、西气东输工程以及铁路、城市地铁、高速公路等。因为工程建设进度的需要和现代工程爆破技术水平的突飞猛进，在这些工程度实施过稗中，为了满足大规模、大断面作业，往往会采用爆破的方法来实现既定目标。然而采用工程爆破会给周边建筑和设施造成什么影响．以及周边的爆破会对这些工程造成什么影响，为了评估这些影响，国内外通行的做法就是考察炸药在地下结构附近或地下爆炸时产生的地冲击对结构的威胁。地下爆炸产生的地冲击应力通常大于其在空气中爆炸的应力，且作用时间更长，地运动也得到增强。进行爆炸环境下的地运动测量，可以为工程安全及其防护设计提供合理有效的数据和依据。

2 位移传感器技术现状

     地运动参数包括应力、加速度、速度和位移等，地运动位移测量是力学测量的一项重要内容。传统的位移测量分为直接测量和间接测量。直接位移测量是利用相应的位移传感器，通过测量与位移相关的电学或光学等参数来直接得出位移。而间接位移测量通常是先利用相应的传感器测出运动物体的速度、加速度或者力等力学参数，然后通过积分等处理方法得到运动物体的位移。由于间接测量方法不能直接给出运动物体的位移值，还需要建模分析和处理等中间环节，往往造成误差积累等，不能反应运动物体的真实位移情况，因而在需要监测位移时较少采用。

    对于直接位移测量，提取与位移相关的信息量的传感器是位移测量系统的关键。目前，可用于位移测量的传感器主要有下面几大类：电感式、磁电式、电容式和光纤式等。

    电感式传感器根据实际应用情况，通常分为自感式和瓦感式两大类。自感式又细分为变磁阻式和电涡流式两种；互感式就是常用的差动变压器式。

 变磁阻式电感传感器是利用线圈电感变化来实现测量的一种装置。根据实际应用情况，变磁阻式电感位移传感器是通过测量位移引起的电感的变化来确定位移的一种传感器。有气隙型、截面型及螺管型三种。目前，使用较多的是螺管型电感传感器。该传感器简单呵靠，寿命长，灵敏度很高，分辨率可达0.1μm。线性误差约为满量程0.1％～0.5％，频率响应低，常用于接触式静态测量，不宜用于快速动态测量。抗干扰能力强，对工作环境要求不高，稳定性好，输出功率大，输出阻抗小。

  电涡流式电感传感器是根据涡流效应来测量位移的一种装置。当金属导体置于变化着的磁场中，导体中就会产生感应电流，称之为涡流。涡流的大小与金属的电阻率、磁导率、厚度及线圈与金属体的距离等有关。电涡流传感器结构简单，体积小，灵敏度较高，量程为几个毫米，分辨率为满量程的0.1％，线性误差为满量程的3％～4％。频牢响应宽，易于进行非接触动态及静态测量，抗干扰能力强。

       差动变压器式电感传感器是把位移的变化转换为互感系数的变化的一种装置。传感器本身是其互感系数可变的变压器。这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式是差动的，故称为差动变压器式传感器。该传感器结构简单，工作可靠，寿命长，灵敏度很高。最高分辨率可达0.1 μm，非线性误差约为0.05％～0.1％。频响范围小，可用于接触式静态测量，不宜用于高频动态测量，使用温度范围为-20～+120℃。磁电式位移传感器包括巨磁阻式位移传感器和磁致伸缩式位移传感器。巨磁阻式传感器是利用巨磁阻效应来测量位移的一种装置。巨磁阻效应是指流过由两个强磁层中间夹着数纳米厚导电层的电流依赖于两强磁层磁化方向。一般强磁层与物体相连，当物体移动时强磁层的位置发生变化，导电层的磁阻跟着变化，根据测量导电层中的电流便可测量出物体的位移。恶劣环境会影响传感器的精度。

        磁致伸缩式传感器是基于磁致伸缩效应来测量位移的一种装置。磁致伸缩是指一些金属在磁场作用下具有伸缩的能力。磁致伸缩式传感器是利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号，然后计算这个脉冲信号被探测所需时间，便能换算出准确的位置。两个磁场一个来源于传感器外面的活动磁铁，另一个来自于传感器内波导管的电流脉冲。一般物体与传感器外的活动磁铁相连。磁致伸缩的效果是非常细微的，其测量精度极高，其重复性和分辨率最高可达2μm，而非线性误差最高0.02％。传感器所需电量非常低，可使用于易爆等危险环境。传感器安装简单，非接触式测量，一个传感器可配装多个活动磁铁，因此能够用于测量大位移。

    电容式传感器是把位移的变化转换为电容器电容量的变化的一种装置。电容传感器结构简单，可动部分可以做得很小很薄，质量很轻，灵敏度很高，量程小，一般不超过300 μm，分辨率很高可达0.01μm，一般线性误差为1.5％。频率响应很宽，能实现非接触动态或静态检测。需要作用能量很小，特别适宜用来解决输入能量低的测量问题，但输出阻抗高，负载能力差。

    光纤式位移传感器是利用光纤传输光信号的功能，在多模光纤束组合而成的光纤探头贴近待测物体，物体位移改变，反射回光纤探头的光强改变，从而在出射端输出的光强发生相应的变化。其测试精度决定于物体的反射率，测量范围小。光纤传感器不受电磁场干扰，且耐高温，绝缘性能好，可用于易燃、易爆等环境中。    

  此外，在位移测量中有时还用到应变片式位移传感器和图像式位移传感器等。根据国内外有关文献，可以看出：电涡流式、电容式和磁致伸缩式传感器最适用于非接触测量，但电涡流式和电容式传感器量程太小；变磁阻式和变压器式传感器二者均为接触式测量，必须进行改进才能用于非接触式测量；电容式位移传感器分辨率高，但量程太小；变压器式位移传感器的线性最好。虽然位移传感器种类很多，但在爆炸环境地运动测量中没有可用的现成产品，必须研制或改制。差动变压式位移传感器是基于变压器原理，通过一次线圈与二次线圈弱电磁耦合，使得铁芯的位移变化量与输出电压(电流)变化量呈精密线性关系。具有行程大、精度高、稳定性好、安装方便等优点。利用该型传感器进行改造，可以获得在爆炸环境地运动位移测量用的传感器。需要解决定两个关键技术是：测试原理的合理解释、传感器的抗冲击能力和传感器不同于常规应用的安装技术。

 3 LVDT传感器工作原理与改进

 3.1 基本原理

  电感式位移传感器实质上就是一个由弹簧、惯性质量体和空气阻尼组成的单自由度二阶系统。传感器的外壳与被测地介质紧紧固定在一起，当被测地介质由于外力作用产生运动时，传感器外壳与被测介质一起运动，而惯性质量体由于惯性将保持静止状态，在这种情况下，被测介质的运动能量几乎全部被弹簧吸收，而弹簧本身的压缩量也就等于被测介质的运动位移，这就是位移测量的物理方法。

   电感式位移传感器主要由外壳、弹簧、作为惯性体的铁芯和线圈组成，外壳和线圈为一个整体，壳体固定在测点介质上。弹簧和惯性体磁芯组成的振动系统作为位移参考系，惯性体磁芯与线圈的相对运动改变线圈的电感量，检测传感器线圈的电感量变化就可得出在传感器轴心方向上的位移。作为参考坐标的惯性体磁芯在应力的作用下应该是不动的，它的位移量就是传感器的测量误差。假设惯性体系统是一个单自由度无阻尼简谐振动系统，地介质位移是一个半正弦波脉冲，此时惯性体磁芯的绝对位移可表示为：当t=0～τ时地介质位移为d(t)=dsinπ(t/τ)。

惯性体磁芯位移为 ；当t≥τ时地介质位移d（t）=0，惯性体磁芯位移为 。式中：d是地介质位移峰值；τ是岩石介质位移脉冲宽度；T和ω是惯性体系统的固有振动周期和角频率。根据上面的计算公式，当了T／τ=4时，位移峰值测量误差为-14％，当T／τ=8时，位移峰值测量误差为-3.6％。可以认为，当T／τ选择足够大时，地介质位移峰值和波形都可以测得足够准确。根据电感式传感器的工作原理，传感器在应力波的作用下，造成惯性体磁芯与线圈间的相对运动，线圈的电感量将发生相应的变化。通过测量电感量的变化就可以得到位移量。差动变压器式传感器本身是其互感系数可变的变压器。这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式是差动的，故称为差动变压器式传感器。传感器示意图及其测量原理如图1所示。

   传感器在不锈钢壳内布置一个初级线圈，并在其左右各布置一个次级线圈，呈对称分布。一个可动的棒状铁芯在线圈组内穿梭，为线圈的磁通量的提供路径。当通过外部交流电源给初级线圈通电后，两个反相连接的次初级线圈中将产生级性相反的电压。因此，两个电压之差即为净输出值，当铁芯位于中间或零位，净输出为零。当铁芯离开零位，铁芯所趋向的次级线圈的电压相应增加。同时，另一侧线圈的感应电压相应降低。铁芯的运动产牛随它的位置变化而变化的线性压差输出值。当铁芯从零位的一侧移至另一侧时，此时输出电压的相位将出现180°的突变。该传感器结构简单，工作可靠，寿命长，灵敏度很高，非线性误差小。但频响范刚小，不宜用于高频动态测量。 

 3/5 该传感器由线圈及其骨架(钢体)、铁芯及其拉杆、取样电阻和变送器组成。一般位移传感器是用作相对位移测量的。而要测量的是绝对位移，故对商业位移传感器进行了改造。原来的铁芯依靠一个拉杆带动在传感器线圈内移动，去掉了拉杆，尽量减小铁芯与线圈壁间的摩擦，让铁芯依靠惯性相对于线圈运动，这样就可测得传感器外围介质的位移。

 3.2 位移传感器的标定及安装

 传感器的适配器频率响应为200 Hz，出厂时给出的灵敏度是每毫米输出的电流值，而传感器的电压灵敏度取决于取样电阻大小，取样电阻大小由用户自定。根据记录仪器和量程预估情况，选择取样电阻为300 Ω。反复测量传感器铁芯在不同位置时，取样电阻两端的电压。根据测得的多组数据，对传感器的输出电压与位移进行线性拟合，得到的位移计算公式如表1所示。为了提高测量的可靠性和测量精度，在位移传感器安装中采取了以下几项措施。①对传感器进行电磁屏蔽。原传感器是一个直径约5 cm的钢棒体，前端有开口。本文设计了一个棒状铝套筒，将传感器固定在其内，两端完全密封。②保证铁芯灵活运动。首先减小铁芯与线圈壁间的摩擦，其次是保证铁芯两端气流回路通畅。③位移传感器与外剧介质阻抗匹配。没计两块50 cm×50 cm的铝板，固定在传感器外套筒的两端，增大了传感器外壳与介质的接触面积，保证传感器与介质一起运动。④对传感器信号线进行保护。在传感器前端15 m范围内对信号引出线采用铝塑管保护，15 m以后的信号引出线用塑料管保护。信号引出线沿传感器轴向平走2 m后进人电缆槽。⑤传感器安装保护。

4 工程应用与结果分析

为了保证能可靠地测到位移数据，每个测点均布设了两个位移传感器。传感器变送器和取样电阻放置在前置仪器间，经过取样电阻的位移电压信号经电缆传输至控制仪器间，由数据采集卡记录。设置采集卡采样率5 kHz。位移测量结果如图2所示。

 0 从上图可以得出实测位移值，测点1处F1713平稳部分为3.50 mm，F1714平稳部分为3.50 mm；测点2处F1710平稳部分为2.85 mm，F1711平稳部分为3.27 mm。其中测点2的起跳首峰值分别为F1710为3.36 mm，F1711为2.82 mm，测点1的起跳首峰值均约0.8 mm。根据上面的测量结果可以得出，位移测量系统工作正常，测得了位移信号波形。从实测位移信号波形可以看出，F1713和 F1714两个位移传感器基线的噪声很大，这是由于传感器量程大、灵敏度低，分辨率低，当实际位移很小时，输出电压幅度就很低，而相比之下传感器的本底电压幅度并未比低量程、高灵敏度的传感器有明显减少，与其相应的本底噪声位移值就相对放大突出了，即表现为信噪比很低。传感器位移信号到达前的尖锐毛刺是爆炸零时的电磁干扰，它通过电缆和变送器被记录下来了。所有的4个位移传感器波形均显示出当地运动经历的初期和后期两个阶段，预制块中的F1710，F1711两个位移传感器信号初期幅度与后期的最终幅度送别不很明显，而散料中的F1713,F1714两个位移传感器的初期幅度与后期幅度的最终幅度差别很明显；预制块中的两个位移传感器信号起跳时间略早于散料中的两个位移传感器，这与传感器、外围介质与冲击波传播路径有关。 5 结论从上述实际应用中可以看到，经过改进的LVDT位移传感器虽然在地运动测量中得到了应用，但仍只是一个尝试，还有问题需要进一步研究：（1）将铁芯作为测量系统的惯性参考系从理论上将是没有问题的，但由于工艺水平的限制，传感器铁芯与线圈骨架之间存在磨擦力，磨擦力对传感器的性能影响情况以及对测量不确定度的评定影响情况如何。（2）改进后的LVDT位移传感器的频率响应情况如何。（3）在地运动测量中传感器安装时的力学阻抗匹配问题。