一種線性量程可調(diào)的電渦流傳感器

作者 / 劉志昌

　　珠海格力電器股份有限公司(廣東 珠海 519070)

　　劉志昌(1987-)，男，助理工程師，研究方向：磁懸浮用電渦流位移傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與探頭布置方案設(shè)計(jì)、傳感器前置器信號(hào)處理。

摘要：電渦流傳感器由探頭、前置器以及信號(hào)傳輸線纜三部分組成，前置器中高頻振蕩電壓通過(guò)延伸電纜流入探頭線圈，對(duì)前置器部分的高頻小信號(hào)處理，基本上都采用全模擬電路或者結(jié)合軟件校正電路設(shè)計(jì)，該前置器采用模擬電路對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行處理，可通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整電路可調(diào)電阻參數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出電壓信號(hào)的調(diào)節(jié)，特別是對(duì)傳感器輸出量程與電壓零點(diǎn)的調(diào)節(jié)，該方式可以即滿足數(shù)字電路軟件校正調(diào)節(jié)功能，又滿足模擬電路成本低的要求，該方法可實(shí)現(xiàn)電渦流位移傳感器探頭不同電感參數(shù)與線性量程調(diào)節(jié)。

引言

　　電渦流位移傳感器由探頭、延伸電纜、前置器構(gòu)成，本文提供了一種電渦流位移傳感器前置器信號(hào)處理改進(jìn)方案，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整前置器電路中的電阻參數(shù)，能夠有效調(diào)節(jié)傳感器輸出量程與輸出電壓大小，能夠既滿足數(shù)字軟件校正電路調(diào)節(jié)，又滿足模擬電路成本低的要求。

　　該前置器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路包括高頻正弦波產(chǎn)生電路、濾波、檢波、放大以及限幅電路等電路，其中電壓跟隨電路能夠調(diào)節(jié)輸出電壓零點(diǎn)位移，達(dá)到對(duì)輸出信號(hào)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的作用;另外，該信號(hào)調(diào)節(jié)電路還在原有基本的反相器電路中增加一個(gè)放大器模塊和一個(gè)可調(diào)電阻，對(duì)輸出的線性量程與輸出電壓范圍可變的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出需要符合要求的位移-電壓信號(hào)。

1 電渦流位移傳感器原理

　　根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)電渦流位移傳感器探頭線圈通以正弦高頻交變電流i1時(shí)，傳感器線圈必然產(chǎn)生正弦交變的電磁場(chǎng)H1，該交變磁場(chǎng)使置于此磁場(chǎng)中的被測(cè)金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，如圖1中所示。同時(shí)，被測(cè)物體中的電渦流i2又產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)H2;磁場(chǎng)H2與H1方向相反，并對(duì)電磁場(chǎng)H1起到遏制與減弱作用，從而導(dǎo)致探頭檢測(cè)線圈的等效電阻值相應(yīng)地變化。其變化大小取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體中電阻率ρ值，磁導(dǎo)率μ，探頭線圈與被測(cè)導(dǎo)體的距離為x，以及探頭線圈激勵(lì)電流頻率f等參數(shù)數(shù)值。如果只改變其中一個(gè)參數(shù)數(shù)值，而其余參數(shù)數(shù)值保持不變，則阻抗Z參數(shù)就成為該變化參數(shù)的單值函數(shù)，從而確定其該參數(shù)數(shù)值的大小變化情況。

　　電渦流位移傳感器的工作原理，如圖1所示。

2 電渦流傳感器總體設(shè)計(jì)方案

　　電渦流位移傳感器能夠非接觸、高線性度、高分辨力地并且可靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地測(cè)量被測(cè)金屬物體與傳感器探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化測(cè)量?jī)x器。電渦流位移傳感器能夠準(zhǔn)確地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體與傳感器探頭端面之間的相對(duì)位移變化。根據(jù)圖2的組成框圖，構(gòu)成電渦流位移傳感器整體結(jié)構(gòu)。

　　對(duì)組成的框圖(圖2)，具體說(shuō)明每個(gè)組成部分結(jié)構(gòu)：

　　(1)敏感元件：電渦流位移傳感器探頭線圈是通過(guò)與被測(cè)導(dǎo)體之間的渦流場(chǎng)相互作用，從而探頭部分產(chǎn)生了被測(cè)信號(hào)，該探頭是由多股漆包線繞制的成扁平形狀的線圈，并固定在線圈支架上。

　　(2)傳感元件: 傳感器前置器是由一個(gè)能夠屏蔽外界干擾高頻電路信號(hào)的金屬密封盒構(gòu)成，傳感器信號(hào)處理電路裝在該密封盒子中，并用環(huán)氧樹(shù)脂材料進(jìn)行灌封密封。

　　(3)測(cè)量電路：該電路可采用放大器電路、三極管及其外圍電路來(lái)產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)?？紤]到當(dāng)采用運(yùn)算放大器電路和三極管電路構(gòu)成的正弦波高頻振蕩電路，有許多的模擬電路參數(shù)需要處理。

3 信號(hào)處理電路

　　信號(hào)處理電路采用如圖3所示的LC諧振電路處理傳感器探頭反饋的高頻振蕩信號(hào)，該前置器電路由一個(gè)頻率及幅值電壓可調(diào)的振蕩電路來(lái)提供一個(gè)高頻激勵(lì)諧振回路信號(hào)。LC諧振回路的輸出幅值電壓為 ，其中i0為電路中的激勵(lì)電流，Z為電路的等效阻抗。當(dāng)傳感器測(cè)量時(shí)，傳感器探頭線圈遠(yuǎn)離被測(cè)物時(shí)，LC諧振回路處于諧振狀態(tài)，諧振回路上的輸出激勵(lì)電壓幅值最大;當(dāng)傳感器探頭線圈接近于被測(cè)物時(shí)，探頭線圈中的等效電感L發(fā)生變化，從而導(dǎo)致諧振回路失諧，等效阻抗值發(fā)生變化，使輸出信號(hào)電壓幅值下降。輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波電路、放大電路、濾波電路處理后，輸出與位移相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)了將傳感器中的L-x之間關(guān)系轉(zhuǎn)換成了V-x之間關(guān)系，通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)電壓數(shù)值的測(cè)量，可確定電渦流傳感器探頭端面與被測(cè)金屬導(dǎo)體之間的非接觸距離x。如，將電渦流位移傳感器探頭檢測(cè)量程設(shè)計(jì)為0~2mm，在該量程范圍內(nèi)，LC隨著L與被測(cè)物位移量變化而幅值相應(yīng)的變化，經(jīng)過(guò)檢波、放大、濾波后，位移傳感器輸出電壓信號(hào)為0~5V，實(shí)現(xiàn)傳感器前置器高頻信號(hào)處理與信號(hào)調(diào)理。電渦流傳感器就是利用渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進(jìn)行測(cè)量的。

4 前置器電路改進(jìn)方案

　　圖4所示電路為前置器信號(hào)處理過(guò)程中的電壓跟隨電路，該電路能夠?qū)ζ漭敵龅碾妷盒盘?hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)線性量程調(diào)節(jié)與電壓信號(hào)輸出調(diào)節(jié);通過(guò)調(diào)節(jié)不同變化的激勵(lì)信號(hào)，能夠輸出相對(duì)應(yīng)的電壓反饋信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)電壓與不同范圍電壓值，從而調(diào)整輸出線性量程范圍;該電路由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成，電位器R52與放大器U2B組成電壓跟隨電路，輸出可變電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)R52電位器數(shù)值大小，可調(diào)節(jié)輸出電壓零點(diǎn)位移;電位器R31與放大器U2C組成反相器電路，通過(guò)調(diào)節(jié)R31電位器數(shù)值與U2B放大器輸出大小調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器U2C比較后，輸出可調(diào)節(jié)的線性量程與輸出電壓范圍可變的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩組電位器大小調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)線性量程與輸出電壓范圍可調(diào)功能。

　　圖4中信號(hào)調(diào)節(jié)電路放在圖3的濾波器信號(hào)輸出位置，信號(hào)調(diào)節(jié)電路輸入濾波后電壓信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)電路中兩個(gè)電位器參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電渦流位移傳感器可變線性量程與輸出電壓范圍的功能，該前置器信號(hào)調(diào)節(jié)電路滿足探頭電感參數(shù)L從10μH到70μH范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出滿足要求的線性量程位移變化量，該信號(hào)調(diào)節(jié)電路方案與調(diào)試方法簡(jiǎn)單、成本低，使用者僅需要對(duì)前置器兩個(gè)電位器參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)即可。

5 結(jié)論

　　當(dāng)電渦流位移傳感器前置器配合不同電感參數(shù)的探頭，對(duì)前置器進(jìn)行調(diào)試與校準(zhǔn)后，傳感器線性量程輸出的位移信號(hào)可以調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，探頭電感參數(shù)從10μH~70μH變化范圍內(nèi)，均可通過(guò)該設(shè)計(jì)方案的前置器進(jìn)行信號(hào)處理，輸出所要求的線性量程與電壓信號(hào)。

　　本文設(shè)計(jì)的前置器電路可以通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整其電路電阻參數(shù)，能夠有效調(diào)節(jié)傳感器輸出量程與輸出電壓大小，可以即滿足數(shù)字軟件校正電路調(diào)節(jié)，又滿足模擬電路成本低的要求，可對(duì)電渦流位移傳感器探頭不同電感參數(shù)與線性量程。

　　電渦流位移傳感器前置器電路信號(hào)處理電路的改進(jìn)，能夠簡(jiǎn)化電渦流位移傳感器電路調(diào)節(jié)的難度，對(duì)傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)與位移調(diào)零具有明顯改善。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第69頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。