基于恒頻調(diào)幅式電渦流傳感器的研究

基于恒頻調(diào)幅式電渦流傳感器的研究

0其他測量位移測量電鉻傳感器具有體積小、接觸小、對介質(zhì)敏感等特點。廣泛應(yīng)用于金屬位移測量。盡管用電渦流傳感器非接觸測量位移已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,但是測量位移的線性范圍受到傳感器線圈直徑的限制,位移測量范圍為線圈直徑的1/3～1/5,大直徑的傳感器,其測量范圍最大可以接近到直徑的1/2。在許多領(lǐng)域希望能進一步擴大傳感器的測量范圍,以滿足大位移的非接觸測量。文中采用指數(shù)運算電路作為非線性補償環(huán)節(jié)來改善傳感器原有的傳輸特性,擴大傳感器測量范圍。1流信號激勵系統(tǒng)由電磁感應(yīng)定律可知:閉合金屬導(dǎo)體中的磁通發(fā)生變化時,就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生閉合的感應(yīng)電渦流,阻礙磁通量的變化。如圖1所示,傳感線圈由交流信號激勵,在產(chǎn)生焦耳熱的同時,又要產(chǎn)生磁滯損耗,它們造成交變磁場能量的損失,進而使傳感器的等效阻抗Z發(fā)生變化。影響阻抗Z的因素有被測導(dǎo)體的電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率η、線圈的激勵頻率f及傳感器與被測導(dǎo)體間的位移x等,只要保證這些影響因素只有位移x變化,其他都保持不變,則傳感器的等效阻抗Z將變成位移x的一元函數(shù)Z(x),經(jīng)過線性化處理后用Z的變化就能很好地反映出x的變化,實現(xiàn)測量位移x的目的。2調(diào)幅式電路設(shè)計電渦流傳感器的測量電路可以歸納為調(diào)幅式和調(diào)頻式2種。調(diào)幅式電路又可細分成恒定頻率的調(diào)幅式與頻率變化的調(diào)幅式2種,文中采用恒定頻率調(diào)幅式電路,其特點是輸出可以被調(diào)理為直流電壓,優(yōu)勢在于調(diào)節(jié)為直流電壓后,采用指數(shù)運算電路對傳感器的非線性段進行線性化補償,可最大限度地擴大傳感器測量范圍。如圖2所示,測量電路由電渦流傳感器、信號源電路、前級放大電路、檢波濾波電路、指數(shù)補償電路等5部分構(gòu)成。2.1聯(lián)振幅回路傳感器的主要元件是一支固定于框架上的扁平線圈與一個電容并聯(lián)所構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路。線圈尺寸和形狀關(guān)系到傳感器的靈敏度和測量范圍,采用計算機Matlab計算軟件得到傳感器線圈的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù):外徑為60mm,內(nèi)徑為57mm,軸向厚度為3mm,匝數(shù)為80,線徑為0.25mm.2.2dds測量信號頻率及其穩(wěn)定性對檢測效果的影響非常大,一般來說,若振蕩頻率變化1%,輸出變化大約在10%以上。DDS(DirectDigitalSynthesis)具有相位連續(xù)、轉(zhuǎn)換速度快、信號穩(wěn)定度高等優(yōu)點。采用AD9850與單片機產(chǎn)生正弦信號,經(jīng)濾波、功率放大等處理后送給傳感器。AD9850與單片機組成的信號源電路,在參考時鐘為125MHz下,輸出頻率分辨率可達0.029Hz.2.3放大電路要有足夠的輸入阻抗電渦流位移傳感器是將位移量轉(zhuǎn)化為電信號,由于信號為變化緩慢的非周期信號,而且比較微弱,只有通過放大才能驅(qū)動負載。同時,要求放大電路要有高的輸入阻抗,以減小測量電路的負載,提高LC并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。采用低噪聲、精密集成運算放大器OP37搭建同相輸入前級放大電路,同時得到1MΩ以上的高輸入阻抗和較低的輸出阻抗。2.4直流電壓信號的模擬采用二倍壓檢波電路與有源二階低通濾波電路,如圖3所示,得到與交流電壓信號幅值變化相對應(yīng)的直流電壓信號。電路還具有電壓的調(diào)節(jié)作用,即調(diào)節(jié)反饋電阻RW1獲取傳感器線圈與被測位移為0處所對應(yīng)的輸出電壓,為后面的指數(shù)非線性補償?shù)忍幚碜鰷蕚洹?.5d704指數(shù)運算電路當位移x在50mm以外變化時,電渦流傳感器輸出電壓仍有變化,只是變化十分緩慢。為增大測量范圍,需要一個補償環(huán)節(jié),其傳輸特性如圖4第三象限中曲線2所示,它與第一象限中傳感器輸出特性(曲線1)一起,實現(xiàn)最終第四象限的線性結(jié)果。在第三象限較遠處,當輸入(橫軸方向)逐漸增大變化時,輸出(縱軸方向)的變化率不斷增大,這種曲線類似指數(shù)運算。故利用2支雙極型晶體管與精密、低噪聲運放AD704設(shè)計一個指數(shù)運算電路,可以達到上述要求。如圖5所示,在進行指數(shù)補償之前,通過運算放大器A3的減法運算得到位移x的對應(yīng)變化電壓V2,運算放大器A4和A5的作用是選擇指數(shù)補償?shù)钠瘘c電壓。5V電壓基準Vref1、Vref2及后面Vref3均由低噪聲、低漂移、精密電壓基準MAX6250提供;開關(guān)二極管D3保證輸出電壓的單一方向,即V3>0,對指數(shù)補償電路起保護作用。指數(shù)補償電路如圖6所示,放大器A6、A7與三極管Q1、Q2組成指數(shù)補償電路,放大器A8與A9組成豪蘭德(Howland)電流源電路,為指數(shù)運算電路提供如圖所示的恒定電流:Iref≈Vref3/R20(1)V4=IC2R16=IseVBF2UTR16=IseVBE1UTe?R14R14+R13?V3UTR16=Irefe?[R14/(R14+R13)]?[V3/UT]R16(2)V4=ΙC2R16=ΙseVBF2UΤR16=ΙseVBE1UΤe-R14R14+R13?V3UΤR16=Ιrefe-[R14/(R14+R13)]?[V3/UΤ]R16(2)由于指數(shù)運算電路只對較遠處起作用,對較近的距離反而具有衰減的負面效應(yīng),為解決此問題,將指數(shù)運算電路輸出V4與圖5中通過A3減法運算得到位移x的對應(yīng)變化電壓V2相加得到最終的輸出電壓Vout。3鋼板內(nèi)表達電壓值把電渦流位移傳感器固定在一方,在另一方放置一塊厚度為2cm,面積為(200×200)mm2的鋼板作為被測導(dǎo)體,當鋼板移動時,用游標卡尺讀出位移x,在數(shù)字電壓表上讀出補償前后電壓值Vout1和Vout2,并轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的相對電壓Vob1和Vob2(輸出電壓值Vout與最大輸出電壓Vomax的比值),如表1所示。把這2組數(shù)據(jù)畫成“