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(cè)量位移測(cè)量電鉻傳感器具有體積小、接觸小、對(duì)介質(zhì)敏感等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于金屬位移測(cè)量。盡管用電渦流傳感器非接觸測(cè)量位移已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,但是測(cè)量位移的線性范圍受到傳感器線圈直徑的限制,位移測(cè)量范圍為線圈直徑的1/3～1/5,大直徑的傳感器,其測(cè)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(jìn)一步擴(kuò)大傳感器的測(cè)量范圍,以滿足大位移的非接觸測(cè)量。文中采用指數(shù)運(yùn)算電路作為非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)來(lái)改善傳感器原有的傳輸特性,擴(kuò)大傳感器測(cè)量范圍。1流信號(hào)激勵(lì)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(shí),就會(huì)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(hào)激勵(lì),在產(chǎn)生焦耳熱的同時(shí),又要產(chǎn)生磁滯損耗,它們?cè)斐山蛔兇艌?chǎng)能量的損失,進(jìn)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(cè)導(dǎo)體的電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率η、線圈的激勵(lì)頻率f及傳感器與被測(cè)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(guò)線性化處理后用Z的變化就能很好地反映出x的變化,實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移x的目的。2調(diào)幅式電路設(shè)計(jì)電渦流傳感器的測(cè)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(xì)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(diǎn)是輸出可以被調(diào)理為直流電壓,優(yōu)勢(shì)在于調(diào)節(jié)為直流電壓后,采用指數(shù)運(yùn)算電路對(duì)傳感器的非線性段進(jìn)行線性化補(bǔ)償,可最大限度地?cái)U(kuò)大傳感器測(cè)量范圍。如圖2所示,測(cè)量電路由電渦流傳感器、信號(hào)源電路、前級(jí)放大電路、檢波濾波電路、指數(shù)補(bǔ)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(gè)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(cè)量范圍,采用計(jì)算機(jī)Matlab計(jì)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(cè)量信號(hào)頻率及其穩(wěn)定性對(duì)檢測(cè)效果的影響非常大,一般來(lái)說(shuō),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(hào)穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。采用AD9850與單片機(jī)產(chǎn)生正弦信號(hào),經(jīng)濾波、功率放大等處理后送給傳感器。AD9850與單片機(jī)組成的信號(hào)源電路,在參考時(shí)鐘為125MHz下,輸出頻率分辨率可達(dá)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(hào),由于信號(hào)為變化緩慢的非周期信號(hào),而且比較微弱,只有通過(guò)放大才能驅(qū)動(dòng)負(fù)載。同時(shí),要求放大電路要有高的輸入阻抗,以減小測(cè)量電路的負(fù)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(yùn)算放大器OP37搭建同相輸入前級(jí)放大電路,同時(shí)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(hào)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(hào)幅值變化相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)。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(cè)位移為0處所對(duì)應(yīng)的輸出電壓,為后面的指數(shù)非線性補(bǔ)償?shù)忍幚碜鰷?zhǔn)備。2.5d704指數(shù)運(yùn)算電路當(dāng)位移x在50mm以外變化時(shí),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(cè)量范圍,需要一個(gè)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)最終第四象限的線性結(jié)果。在第三象限較遠(yuǎn)處,當(dāng)輸入(橫軸方向)逐漸增大變化時(shí),輸出(縱軸方向)的變化率不斷增大,這種曲線類似指數(shù)運(yùn)算。故利用2支雙極型晶體管與精密、低噪聲運(yùn)放AD704設(shè)計(jì)一個(gè)指數(shù)運(yùn)算電路,可以達(dá)到上述要求。如圖5所示,在進(jìn)行指數(shù)補(bǔ)償之前,通過(guò)運(yùn)算放大器A3的減法運(yùn)算得到位移x的對(duì)應(yīng)變化電壓V2,運(yùn)算放大器A4和A5的作用是選擇指數(shù)補(bǔ)償?shù)钠瘘c(diǎn)電壓。5V電壓基準(zhǔn)Vref1、Vref2及后面Vref3均由低噪聲、低漂移、精密電壓基準(zhǔn)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(duì)指數(shù)補(bǔ)償電路起保護(hù)作用。指數(shù)補(bǔ)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(bǔ)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(yùn)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(yùn)算電路只對(duì)較遠(yuǎn)處起作用,對(duì)較近的距離反而具有衰減的負(fù)面效應(yīng),為解決此問題,將指數(shù)運(yùn)算電路輸出V4與圖5中通過(guò)A3減法運(yùn)算得到位移x的對(duì)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(dá)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(cè)導(dǎo)體,當(dāng)鋼板移動(dòng)時(shí),用游標(biāo)卡尺讀出位移x,在數(shù)字電壓表上讀出補(bǔ)償前后電壓值Vout1和Vout2,并轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的相對(duì)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“