基于MAX1452的電渦流傳感器設(shè)計(jì)

作者簡介：鹿文龍（1985—），男，工程師，主要研究方向：傳感器及調(diào)理電路設(shè)計(jì)、測試測量、信號(hào)采集與處理。

傳統(tǒng)的電渦流傳感器普遍沒有溫度補(bǔ)償功能，通常溫度特性較差。即便進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，效果也很有限，只能通過放置一個(gè)與探頭線圈溫度特性相反的電感進(jìn)行粗略補(bǔ)償，且補(bǔ)償溫度范圍很窄，無法取得良好的補(bǔ)償效果。為了提高電渦流傳感器的溫度特性，減小溫度對電渦流傳感器的影響。本文提出一種基于MAX1452 的電渦流傳感器設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)電渦流測量的同時(shí)，可以對電渦流傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)可以在（-40~125）℃范圍內(nèi)對電渦流傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并可多個(gè)溫度點(diǎn)補(bǔ)償。在保證電渦流傳感器輸出性能的基礎(chǔ)上，改善了電渦流傳感器的溫度特性。MAX1452采用數(shù)字化補(bǔ)償方式，補(bǔ)償精度高，操作方便，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的批量補(bǔ)償。

圖1 電渦流傳感器結(jié)構(gòu)

1   電渦流傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1 所示，電渦流傳感器由探頭、電路板、外殼和線纜組成^[1]。探頭內(nèi)部是1 個(gè)線圈，可等效為電感L。電路板包括振蕩電路、諧振電路、檢波電路、補(bǔ)償放大電路和濾波電路，其中諧振電容C 與探頭線圈L 組成LC 諧振電路，其諧振頻率f 為。外殼用于保護(hù)和固定內(nèi)部元件，線纜用于傳感器供電和信號(hào)輸出。電渦流傳感器采用非接觸式測量原理^[2]，通常用于測量距離。圖2 為電渦流傳感器工作原理，當(dāng)金屬板置于探頭線圈附近，它們之間的間距為δ，線圈輸入交變電流i1 時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量Φ₁。金屬板在此交變磁場中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i₂，這個(gè)電流在金屬板內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦流”。這個(gè)渦電流也將產(chǎn)生交變磁場Φ₂，與線圈的磁場變化方向相反，Φ₂ 總是抵抗Φ₁ 的變化，由于渦流磁場Φ₂ 的作用使探頭線圈的等效阻抗發(fā)生變化。利用這種渦流效應(yīng)，電渦流傳感器通過將距離變化轉(zhuǎn)換為阻抗變化來進(jìn)行測量。

圖2 電渦流傳感器工作原理

2   電渦流傳感器溫度誤差分析

分析的電渦流傳感器基于調(diào)幅式原理，由振蕩電路、諧振電路和信號(hào)處理電路組成。其中諧振電路由探頭線圈^[3]和諧振電容組成，是電渦流傳感器的敏感元件。由振蕩電路產(chǎn)生固定頻率的振蕩信號(hào)注入諧振電路，諧振電路構(gòu)成的LC 振蕩電路產(chǎn)生諧振。當(dāng)被測距離發(fā)生變化時(shí)，探頭線圈的阻抗會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起其端電壓發(fā)生變化，測量此端電壓便可間接測量距離。

如圖3 所示，R 為探頭線圈的等效電阻^[4]，L 為探頭線圈的等效電抗。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，探頭金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生改變，探頭線圈也會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s而改變幾何尺寸。因此，環(huán)境溫度對探頭線圈的電阻和電抗都會(huì)產(chǎn)生影響。

R = R(T )   （1）

L = L(T，d )   （2）

式中：T 為環(huán)境溫度，d 為待測距離。

當(dāng)傳感器工作時(shí)，整個(gè)測量電路的工作頻率位于諧振頻率附近。當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)時(shí)，諧振回路的等效阻抗Z 可以表示為：

式中：Q₀為并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。

當(dāng)傳感器的環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，線圈電阻的變化量^[5]為：

ΔR = ΔT ? kR   （5）

諧振頻率下諧振回路等效輸出阻抗的最大變化量為：

當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，諧振回路的等效阻抗發(fā)生變化，引起探頭端電壓發(fā)生變化，引起傳感器輸出信號(hào)發(fā)生變化，產(chǎn)生溫度誤差。要提高傳感器的測量精度，必須采取措施對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償^[6]。

圖3 諧振電路原理

3   基于MAX1452電渦流傳感器電路設(shè)計(jì)

電渦流傳感器的電路^[7]基于MAX1452 設(shè)計(jì)，由振蕩電路、諧振電路、檢波電路、補(bǔ)償放大電路和濾波電路組成，分別實(shí)現(xiàn)振蕩源信號(hào)、諧振振蕩、信號(hào)檢波、信號(hào)放大、溫度補(bǔ)償和信號(hào)濾波的功能。

3.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路對外部供電進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波處理，可將電壓精確穩(wěn)定至5 V，為MAX1452 電路供電。穩(wěn)壓源選擇高精度電壓基準(zhǔn)源LT1461-5，其電壓輸入范圍為（7~20）V，輸出電壓為5 V DC±0.04%，溫度系數(shù)小于2×10-5/℃，工作溫度范圍為（-40~125）℃。在LT1461-5 穩(wěn)壓電路的輸入端和輸出端分別設(shè)計(jì)有低通濾波器和高頻濾波電容，可進(jìn)一步對電源進(jìn)行濾波處理，消除外界電磁干擾，提高電路的電磁兼容性。

圖4 電渦流傳感器電路原理

3.2 振蕩電路設(shè)計(jì)

振蕩電路的振蕩源使用MAX1452 內(nèi)部集成的1 MHz 振蕩器，該振蕩器振蕩頻率穩(wěn)定，占空比為50%，帶載能力不小于1 mA，可為探頭感應(yīng)線圈提供穩(wěn)定可靠的振蕩源信號(hào)。

諧振電路由感應(yīng)線圈L1 和諧振電容C7 組成LC 諧振器，振蕩頻率設(shè)計(jì)約為1 MHz。當(dāng)給LC 諧振器施加震蕩源時(shí)，LC 諧振器可等效為阻性元件。諧振器中的諧振電容C7 為固定容值，那么當(dāng)感應(yīng)線圈L1 的電感量發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)LC 諧振器的阻抗將發(fā)生變化。感應(yīng)線圈的阻抗變化與金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離δ 以及線圈激勵(lì)振蕩源頻率f 有關(guān)，可用函數(shù)關(guān)系式Z = F（ρ、δ、μ、f）表示。

電渦流傳感器的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、線圈振蕩源頻率f 為固定值，則感應(yīng)線圈的阻抗變?yōu)榫€圈與金屬導(dǎo)體之間的距離δ 的單值函數(shù)。當(dāng)線圈與金屬導(dǎo)體間的距離δ 增大時(shí)，電渦流效應(yīng)減弱，感應(yīng)線圈的阻抗Z 變小，諧振器電感L 端電壓變小。那么就可以通過檢測電感L的端電壓實(shí)現(xiàn)間接測量探頭感應(yīng)線圈與金屬導(dǎo)體之間距離的目的。

3.3 檢波電路設(shè)計(jì)

諧振電路輸出的是交變電壓信號(hào)，需要經(jīng)過檢波處理后才能被后續(xù)電路處理。檢波電路基于峰值檢測原理，由1 個(gè)二極管和檢波電容組成。檢波電路的仿真如圖5所示，其中二極管選擇1N4148 整流二極管，利于二極管的單向?qū)щ娦?，可將交流信?hào)整形為正半周的直流信號(hào)。檢波電容則選擇小容值的陶瓷電容，該電容的端電壓為直流信號(hào)的峰值，可以實(shí)現(xiàn)對整形后直流信號(hào)的檢波功能。

圖5 檢波電路原理

3.4 放大和濾波電路設(shè)計(jì)

諧振電路的端電壓幅值較小，需要對檢波后的信號(hào)進(jìn)行放大處理，以滿足傳感器輸出要求。放大電路使用MAX1452 內(nèi)部自帶的可調(diào)增益放大器，可通過數(shù)字化配置將傳感器輸出信號(hào)調(diào)整至目標(biāo)值。濾波電路使用阻容器件和MAX1452 內(nèi)部集成的運(yùn)算放大器構(gòu)成1 個(gè)二階低通濾波器，對設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行頻率特性仿真，可得出該濾波器的通帶截止頻率約為200 Hz，可有效濾除高頻噪聲信號(hào)，保留低頻有效信號(hào)，提高輸出信號(hào)的信噪比。

圖6 濾波電路頻率響應(yīng)

4   電渦流傳感器溫度補(bǔ)償

電渦流傳感器的溫度補(bǔ)償是通過MAX1452 的溫度補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)的，MAX1452 是一種高度集成的模擬傳感器信號(hào)處理器，具有放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能。如圖7 所示，MAX1452 內(nèi)部包含1 個(gè)可編程傳感器激勵(lì)、1 個(gè)16 級(jí)可編程增益放大器（PGA）、1 個(gè)768 字節(jié)（6 144位）內(nèi)部EEPROM、4 個(gè)16 位DAC、1 個(gè)通用運(yùn)算放大器以及1 個(gè)內(nèi)嵌溫度傳感器。除偏移量和跨度補(bǔ)償外，MAX1452 還利用偏移量的溫度系數(shù)（TC）和跨度溫度系數(shù)（FSOTC）提供獨(dú)特的溫度補(bǔ)償。

具體補(bǔ)償方法為，把OFF 和FSO 查找表當(dāng)做1 個(gè)

DAC，以MAX1452 內(nèi)部溫度傳感器建立溫度查找表，在不同溫度下，通過調(diào)整FSODAC 和OFFSETDAC 的值校準(zhǔn)電渦流傳感器的滿程輸出和零位輸出，從而實(shí)現(xiàn)對電渦流傳感器溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。具體的補(bǔ)償步驟包括系數(shù)初始化、FSO 校準(zhǔn)、FSO 和FSOTC 補(bǔ)償、OTC補(bǔ)償和OFF 補(bǔ)償。使用MAX1452 對電渦流傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，當(dāng)電渦流傳感器在不同溫度工作時(shí)，MAX1452 內(nèi)部溫度傳感器感應(yīng)環(huán)境溫度，以溫度值作為補(bǔ)償數(shù)據(jù)查找表的索引指針。MAX1452 利用該指針?biāo)饕鼺SODAC 和OFFSETDAC 值，通過累加器對原始信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，處理后的數(shù)據(jù)存入輸出數(shù)據(jù)寄存器，最終輸出補(bǔ)償后的電壓值。

圖7 MAX1452功能框圖

5   傳感器性能測試

在-40 ℃、常溫、100 ℃環(huán)境下，使用MAX1452對電渦流傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并測試電渦流傳感器性能^[8-9]，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 電渦流傳感器性能測試數(shù)據(jù)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，該電渦流傳感器具有輸出穩(wěn)定、誤差小的特點(diǎn)。在低溫、常溫、高溫環(huán)境下最大非線性誤差為0.15%，具有輸出線性好的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算，傳感器的最大總誤差小于0.2%，最大溫度誤差小于0.002%FS/℃，指標(biāo)均達(dá)到了較高水平，可見MAX1452對傳感器的輸出校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償均取得了良好的效果。

6   結(jié)束語

基于MAX1452 設(shè)計(jì)的電渦流傳感器具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能，補(bǔ)償效果良好。該設(shè)計(jì)不僅改善了電渦流傳感器的溫度特性，還可以對傳感器進(jìn)行數(shù)字化校準(zhǔn)，對實(shí)現(xiàn)電渦流傳感器的批量化生產(chǎn)具有重要意義。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）