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構設計與探頭布置方案設計、傳感器前置器信號處理。

摘要：電渦流傳感器由探頭、前置器以及信號傳輸線纜三部分組成，前置器中高頻振蕩電壓通過延伸電纜流入探頭線圈，對前置器部分的高頻小信號處理，基本上都采用全模擬電路或者結合軟件校正電路設計，該前置器采用模擬電路對高頻信號進行處理，可通過實時調(diào)整電路可調(diào)電阻參數(shù)，實現(xiàn)傳感器輸出電壓信號的調(diào)節(jié)，特別是對傳感器輸出量程與電壓零點的調(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、前置器構成，本文提供了一種電渦流位移傳感器前置器信號處理改進方案，通過實時調(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)輸出電壓零點位移，達到對輸出信號電壓進行實時調(diào)節(jié)的作用;另外，該信號調(diào)節(jié)電路還在原有基本的反相器電路中增加一個放大器模塊和一個可調(diào)電阻，對輸出的線性量程與輸出電壓范圍可變的電壓信號進行調(diào)節(jié)，輸出需要符合要求的位移-電壓信號。

1 電渦流位移傳感器原理

　　根據(jù)法拉第電磁感應定律可知，當電渦流位移傳感器探頭線圈通以正弦高頻交變電流i1時，傳感器線圈必然產(chǎn)生正弦交變的電磁場H1，該交變磁場使置于此磁場中的被測金屬導體表面產(chǎn)生感應電渦流，如圖1中所示。同時，被測物體中的電渦流i2又產(chǎn)生交變電磁場H2;磁場H2與H1方向相反，并對電磁場H1起到遏制與減弱作用，從而導致探頭檢測線圈的等效電阻值相應地變化。其變化大小取決于被測金屬導體中電阻率ρ值，磁導率μ，探頭線圈與被測導體的距離為x，以及探頭線圈激勵電流頻率f等參數(shù)數(shù)值。如果只改變其中一個參數(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計方案

　　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)和動態(tài)地測量被測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量儀器。電渦流位移傳感器能夠準確地測量被測金屬導體與傳感器探頭端面之間的相對位移變化。根據(jù)圖2的組成框圖，構成電渦流位移傳感器整體結構。

　　對組成的框圖(圖2)，具體說明每個組成部分結構：

　　(1)敏感元件：電渦流位移傳感器探頭線圈是通過與被測導體之間的渦流場相互作用，從而探頭部分產(chǎn)生了被測信號，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能夠屏蔽外界干擾高頻電路信號的金屬密封盒構成，傳感器信號處理電路裝在該密封盒子中，并用環(huán)氧樹脂材料進行灌封密封。

　　(3)測量電路：該電路可采用放大器電路、三極管及其外圍電路來產(chǎn)生高頻振蕩信號?？紤]到當采用運算放大器電路和三極管電路構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 信號處理電路

　　信號處理電路采用如圖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，該前置器電路由一個頻率及幅值電壓可調(diào)的振蕩電路來提供一個高頻激勵諧振回路信號。LC諧振回路的輸出幅值電壓為 ，其中i0為電路中的激勵電流，Z為電路的等效阻抗。當傳感器測量時，傳感器探頭線圈遠離被測物時，LC諧振回路處于諧振狀態(tài)，諧振回路上的輸出激勵電壓幅值最大;當傳感器探頭線圈接近于被測物時，探頭線圈中的等效電感L發(fā)生變化，從而導致諧振回路失諧，等效阻抗值發(fā)生變化，使輸出信號電壓幅值下降。輸出的電壓信號經(jīng)過檢波電路、放大電路、濾波電路處理后，輸出與位移相對應的電壓信號。從而實現(xiàn)了將傳感器中的L-x之間關系轉(zhuǎn)換成了V-x之間關系，通過對輸出信號電壓數(shù)值的測量，可確定電渦流傳感器探頭端面與被測金屬導體之間的非接觸距離x。如，將電渦流位移傳感器探頭檢測量程設計為0~2mm，在該量程范圍內(nèi)，LC隨著L與被測物位移量變化而幅值相應的變化，經(jīng)過檢波、放大、濾波后，位移傳感器輸出電壓信號為0~5V，實現(xiàn)傳感器前置器高頻信號處理與信號調(diào)理。電渦流傳感器就是利用渦流效應，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進行測量的。

4 前置器電路改進方案

　　圖4所示電路為前置器信號處理過程中的電壓跟隨電路，該電路能夠?qū)ζ漭敵龅碾妷盒盘栠M行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)線性量程調(diào)節(jié)與電壓信號輸出調(diào)節(jié);通過調(diào)節(jié)不同變化的激勵信號，能夠輸出相對應的電壓反饋信號，通過調(diào)節(jié)輸出零點電壓與不同范圍電壓值，從而調(diào)整輸出線性量程范圍;該電路由兩個運算放大器組成，電位器R52與放大器U2B組成電壓跟隨電路，輸出可變電壓，通過調(diào)節(jié)R52電位器數(shù)值大小，可調(diào)節(jié)輸出電壓零點位移;電位器R31與放大器U2C組成反相器電路，通過調(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)過運算放大器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，經(jīng)過兩組電位器大小調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對線性量程與輸出電壓范圍可調(diào)功能。

　　圖4中信號調(diào)節(jié)電路放在圖3的濾波器信號輸出位置，信號調(diào)節(jié)電路輸入濾波后電壓信號，通過信號調(diào)節(jié)電路中兩個電位器參數(shù)調(diào)節(jié)，實現(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)進行調(diào)節(jié)，輸出滿足要求的線性量程位移變化量，該信號調(diào)節(jié)電路方案與調(diào)試方法簡單、成本低，使用者僅需要對前置器兩個電位器參數(shù)進行調(diào)節(jié)即可。

5 結論

　　當電渦流位移傳感器前置器配合不同電感參數(shù)的探頭，對前置器進行調(diào)試與校準后，傳感器線性量程輸出的位移信號可以調(diào)節(jié)，經(jīng)過實際測量，探頭電感參數(shù)從10μH~70μH變化范圍內(nèi)，均可通過該設計方案的前置器進行信號處理，輸出所要求的線性量程與電壓信號。

　　本文設計的前置器電路可以通過實時調(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處理電路的改進，能夠簡化電渦流位移傳感器電路調(diào)節(jié)的難度，對傳感器靜態(tài)校準與位移調(diào)零具有明顯改善。

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