一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器及实现方法

摘要

本发明公开了一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器及实现方法。该传感器包括交流谐振升压电桥、稳幅电路、幅度补偿与加法电路、正交采样触发信号生成电路和高速采样处理器；所述方法包括：通过双路采样方法进行双路采样数据，根据双路采样数据(S1、S2)计算谐振电路损耗电阻；根据电路损耗电阻计算线圈位移；根据温度S3，计算温度补偿后的位移温飘。本发明通过线圈升压，稳幅激励，幅度补偿的方法提高了传感器的灵敏度和测量范围；通过正交采样，数字处理的方法减小了外界干扰，提高了动态响应与稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器，该传感器广泛用于 位移、振动测量、也适用于生产线状态监控。

背景技术

该类传感器的基本原理是发射交变电磁场的线圈靠近金属时会出现涡流效应，线 圈到金属面距离越近，损耗越大。在其他因素不变的情况下，可以通过测量损耗来测量传感 器与金属面的距离。

目前，电涡流位移传感器的线性范围只有探头直径的一半；在测量量程内，电感探 头输出信号的变化范围小，灵敏度低；采用二极管式的绝对值检波，抗干扰性低；并且内部 集成大量的模拟器件，造成温飘严重，系统复杂等缺点。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种大量程高精度高动态响应电涡流 位移传感器及实现方法，所述传感器为高可靠性，低温漂的电涡流位移传感器。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器，包括：

所述传感器包括交流谐振升压电桥、稳幅电路、幅度补偿与加法电路、正交采样触 发信号生成电路和高速采样处理器；所述

交流谐振升压电桥，由谐振器、与谐振器并联的电阻(R2)及与谐振器串联的电容 (C1)和电阻(R1)组成；所述谐振器由电感探头(Lx)、两个串联电容(C2、C3)组成；

稳幅电路，由可变增益放大器(4)、同步检波电路(3)、幅度平均电路(6)和比较调 节器(7)组成；

幅度补偿与加法电路，由运放与电阻组成，用于调节幅度补偿的大小，并将补偿信 号和稳幅电路输出信号相加，相加后得到的信号作为交流谐振升压电桥的激励信号(S1)；

正交采样触发信号生成电路，由高速比较器组成，该比较器设置有两个输入端，一 端连接在同步检波电路(3)输出端上，另一端输入为特定值的直流电压(S_ut)。

一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器的实现方法，包括：

通过双路采样方法进行双路采样数据，根据双路采样数据(S1、S2)计算谐振电路 损耗电阻；

根据电路损耗电阻计算线圈位移；

根据温度S3，计算温度补偿后的位移温飘。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

采用幅度补偿技术，可以增加传感器的输出范围，提高灵敏度；

采用高速比较器，对稳幅的同步检波信号B进行幅度比较，从而产生正交采样触发 信号；这种方法结构简单，能可靠的产生相位差为90度的正交采样触发信号(S_t)；

采用测量探头线圈与两个电容串联，并从一个电容两端输入激励；在相同的激励 电压条件下，相比从线圈两端输入激励信号，可以显著提高电感线圈两端的激励电压，增大 测量范围；

采用高速比较器和高速模拟开关组成同步检波器，相比用二极管组成的绝对值电 路，具有速度快、精度高、稳定性好的优点；

采用相位差为90度的正交采样方法，降低了采样速率，并且可以简便的求得探头 电感线圈的阻抗；同时采用数字信号处理的方法比用模拟电路进行信号处理稳定性好、结 构简单、重构方便的优点。

传感器做一次测量时，采样个数n可以调整，调整采样个数可以改变系统的动态响 应；每次测量时采样个数n越小，动态响应越高，并且由于采集电桥的激励信号S1与输出信 号S2作为测量位移的依据，传感器的动态响应不受限于稳幅电路的动态响应；系统的动态 响应仅和采样频率和采样个数n有关。

采用拟合多项式来校正传感器的测量温飘的方法，比一般采用的查表法速度更 快，存储容量更小，提高了传感器的频率响应性能。

附图说明

图1是大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器结构图；

图2是稳幅电路；

图3是幅度补偿与加法电路；

图4是正交采样触发信号生成电路；

图5是电桥信号(S1与S2)的波形；

图6a和6b是稳幅信号(A)与同步检波输出信号(B)的波形；

图7是正交采样触发信号(S_t)与同步检波输出信号(B)的波形。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发 明作进一步详细的描述。

如图1所示，为大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器结构，包括：交流谐振 升压电桥、稳幅电路、幅度补偿与加法电路、正交采样触发信号生成电路和高速采样处理 器；所述

交流谐振升压电桥，由谐振器、与谐振器并联的电阻R2及与谐振器串联的电容C1 和电阻R1组成；所述谐振器由电感探头Lx、两个串联电容C2、C3组成；

稳幅电路，由可变增益放大器4、同步检波电路3、幅度平均电路6和比较调节器7组 成；

幅度补偿与加法电路，由运放与电阻组成，用于调节幅度补偿的大小，并将补偿信 号和稳幅电路输出信号相加，相加后得到的信号作为交流谐振升压电桥的激励信号S1；

正交采样触发信号生成电路，由高速比较器组成，该比较器设置有两个输入端，一 端连接在同步检波电路3输出端上，另一端输入特定值的直流电压S_ut。

本实施例采用幅度补偿技术可以增加传感器的输出范围，提高灵敏度。其原因如 下：假设电感探头在测量位移最大和最小之间，其损耗电阻Rx的值域为{R_x|R_min≤R_x≤R_max}，

令则K_rx的值域为

可假设

$K_{rx\_\min }=\frac{R_{\min }}{R_{\min }+R1},K_{rx\_\max }=\frac{R_{max}}{R_{max}+R1},$

则K_rx的值域为{K_rx|K_{rx_min}≤K_rx≤K_{rx_max}}；

假设电桥稳幅激励(S1＝A)时，传感器的输出(S2)范围为：

D_{ran_1}＝A*(K_{rx_max}-K_{rx_min})，

当电桥带幅度补偿，补偿方式为：S1＝K*S2+A，其输出(S2)范围为：

$D_{ran\_2}=\frac{A*\left(K_{rx\_\max }-K_{rx\_\min }\right)}{\left(1-K*K_{rx\_\max }\right)*\left(1-K*K_{rx\_\min }\right)},$

当K*K_rx＜1时，

$\frac{1}{(1-K*K_{rx\_max})*(1-K*K_{rx\_\min })}>1,$

所以D_{ran_2}＞D_{ran_1}，

幅度补偿技术可以提高传感器的输出范围，同时也提高了灵敏度。

上述电感Lx是电涡流传感器探头的线圈，该线圈发射高频的电磁场，当线圈靠近 金属面时，产生涡流效应，出现涡流损耗；并且距离越近，损耗越大。电阻R1是比例分压电 阻；电阻R2是衰减匹配电阻，通过调整R2电阻，可调整电桥的衰减比；电容C2、C3为谐振电 容；电容C1为隔直流电容。电桥的激励信号为S1、输出信号为S2，且该电桥和外部的放大器 形成可控的自激电路，自激的频率由探头Lx的电感量，电容C2、C3的大小确定。幅度补偿与 加法电路中：输入信号由谐振器输出信号S2和稳幅信号A组成，外部可控的自激电路确定了 电桥信号的大小关系为：S1＝K*S2+A，其中“K”为补偿系数，A为稳幅信号，该信号与电桥输 出信号S2同频同相。从交流电桥(C1、C2、C3、R1、R2、Lx)自身来看，如果分压系统为K_rx，可以 得到S2＝K_rx*S1；S2的大小由外部的放大电路和交流电桥自身的分压关系共同决定。使用幅 度补偿的方法可扩大电涡流位移传感器的量程和灵敏度；不过环路的总增益(K*K_rx)要控制 在小于1的范围内，否则环路将失去控制。同时，通过改变稳幅电路的给定，可实现稳幅叠加 信号的幅度的修改，最终能改变交流电桥上的激励信号S1和输出信号S2。

上述交流谐振升压电桥中谐振器的抽头设置在电容C3的两端。

上述比较调节器的输入端分别是幅度平均电路的输出信号C与基准电压S_ua。

可变增益放大器的输入信号来自电桥的输出信号S2，输出信号A是稳幅信号，该稳 幅信号由同步检波3、幅度平均6、比较调节器7组成闭环控制网络来实现。具体过程是：同步 检波相当于对需要稳幅的信号取绝对值；然后对取绝对值的信号B进行幅度平均，相当于稳 幅信号的幅度信息转化成了直流电压C；该电压C与给定的直流电压S_ua进行比较，并做负 反馈调节，使得输出信号A的绝对值的平均值始终等于给定的直流电压S_ua，达到稳幅的目 的。

在图2中，高速比较器U7在信号的过零点触发，形成一个方波信号。该方波信号控 制高速模拟开关U5；当输入信号A小于零时，模拟开关U5输出信号A的反相信号；该反相信号 由运放U4A、电阻R11、R15组成的反相放大器实现。由于在信号小于零时输出的是反向信号， 大于零时输出的是正相信号，这样实现了对输入信号A取绝对值的运算。

在图3中，运放U2A和电阻R3、R4、R9和R12组成了幅度补偿与加法电路；作用是对电 桥输出信号S2进行补偿，并加上固定的激励信号A。该电路1的输出作为交流电桥的激励信 号S1，其中一个例子是，当R3＝5K、R4＝10K、R9＝5K、R12＝10K时，可实现S1＝2*S2+A的信号 输出，相当于对输出信号S2放大两倍然后叠加稳幅信号A作为电桥的激励信号；此时电桥的 最大分压系数K_rx接近并小于0.5时，可获得最大的灵敏度。

在图4中，使用高速比较器对稳幅信号A的绝对值信号B进行电压比较(稳幅信号A 与同步检波输出信号B的波形如图6a和图6b所示)；设定的比较电压S_ut为信号A幅度的倍，即在相位为和相位为时比较器各动作一次，产生信号S_t的一次上升沿和一次下 降沿，之间的相位差为用该信号S_t的边沿触发ADC采样，可实现正交采样；具体波形在 图7中。

温度传感器可用精密热敏电阻实现，将温度信息转换为电压信号，被高速采样处 理器8采样得到温度数据S3。

高速采样处理器根据正交采样触发信号，对交流电桥的激励信号S1和输出信号S2 进行正交采样。

本实施例提供了一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器的实现方法，该 方法包括：

通过双路采样方法对交流电桥的激励信号S1和输出信号S2进行正交采样，根据双 路采样数据S1、S2计算谐振电路损耗电阻；

根据电路损耗电阻计算线圈位移；

根据温度S3，计算温度补偿后的位移温飘。

上述电桥信号S1和S2的波形如图5所示。

上述双路正交采样包括双路ADC，该ADC由上升沿和下降沿触发采样；触发采样信 号来源于正交采样触发信号发生电路的输出信号(S_t)。

上述谐振电路损耗电阻的计算包括：

采样系列：

S1x(S₁₀S₁₁S₁₂S₁₃……)为S1的采样信号；

S2x(S₂₀S₂₁S₂₂S₂₃……)为S2的采样信号；

根据采样系列，激励信号(S1)，电桥输出信号(S2)可用复数表示为：

$S1=\frac{\underset{i=0}{\overset{\frac{n}{2}-1}{\Sigma }}\sqrt{\left({S_{1\left(i*2\right)}}^2+{S_{1\left(i*2+1\right)}}^2\right)}}{\left(\frac{n}{2}\right)}\angle \arctan \left(\frac{\underset{i=0}{\overset{\frac{n}{2}-1}{\Sigma }}\left(\frac{S_{1\left(i*2\right)}}{S_{1\left(i*2+1\right)}}\right)}{\left(\frac{n}{2}\right)}\right)$

$S2=\frac{\underset{i=0}{\overset{\frac{n}{2}-1}{\Sigma }}\sqrt{\left({S_{2\left(i*2\right)}}^2+{S_{2\left(i*2+1\right)}}^2\right)}}{\left(\frac{n}{2}\right)}\angle \arctan \left(\frac{\underset{i=0}{\overset{\frac{n}{2}-1}{\Sigma }}\left(\frac{S_{2\left(i*2\right)}}{S_{2\left(i*2+1\right)}}\right)}{\left(\frac{n}{2}\right)}\right)$

其中n为采样个数，且为偶数；

谐振电路复阻抗为：

取谐振电路复阻抗的实部：R＝Re(Rx)

作为探头损耗电阻；

所述采样个数n在程序中可调，可以通过调整一次测量过程中采样个数的大小来 改变传感器的动态响应，采样个数越小，动态响应越高。

图1中电容(C1)仅为隔直流作用，阻抗可忽略。

谐振电路复阻抗为：

取谐振电路复阻抗的实部：R＝Re(Rx)作为探头损耗电阻。

用实验法获得探头损耗电阻和传感器位移之间的函数关系，并用多项式函数表示 出来；可用以下的方式加以实施。

首先使用精密位移平台改变传感器与被测金属面之间的位移D_O，同时记录损耗电 阻R；得到二维数组:

RD＝{(R₀,D₀)，(R₁,D₁)，(R₂,D₂)，……}；

然后根据该数组，以R为自变量，D_X为因变量，做多项式拟合得:D_X＝f_dr(R)。

根据D_X＝f_dr(R)在程序中用计算得到的损耗电阻R代入该多项式“f_dr(R)”得到位移 量D_X。

此时得到的D_X受到温度的影响；用以下的方式，实现对位移量D_X的温度补偿。主要 思想是用实验的方法获取传感器的温度特性，并拟合成多项式函数，最后在传感器测量过 程中根据拟合得到的函数，补偿位移量D_X的温飘，得到输出值D。

首先在传感器量程范围内获取10个位移的温飘数据，每个位移记录10个不同温度 下的位移数据。得到10个二维数组：

TD₀＝{(T₀,D₀₀),(T₁,D₀₁),(T₂,D₀₂),……,(T₉,D₀₉)}；

TD₁＝{(T₀,D₁₀),(T₁,D₁₁),(T₂,D₁₂),……,(T₉,D₁₉)}；

……..

TD₉＝{(T₀,D₉₀),(T₁,D₉₁),(T₂,D₉₂),……,(T₉,D₉₉)}；

对二维数组，TD₀,TD₁……TD₉分别以温度(T)为自变量，位移(D)为因变量，用多项 式拟合的方法，得到10个函数关系式：

D₀＝f_dt0(T)；D₁＝f_dt1(T)；……；D₉＝f_dt9(T)；

然后通过温度传感器(5)，获取当前的温度值(S3)；代入上一步拟合得到的10个函 数关系，可得到二位数组：

DD_T＝{(D₀,D_T0),(D₁,D_T1),(D₂,D_T2),……(D₉,D_T9)}；根据二维数组DD_T，以D_TX为自变 量，标准位移D为因变量做在线分段线性拟合得到拟合方程D＝f_ddt(D_TX)。

最后把D_X代入D＝f_ddt(D_TX)，求得温度补偿后的位移D。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采 用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本 发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化， 但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。