一種大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)電渦流位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)電渦流位移傳感器，包括交流諧振升壓電橋、穩(wěn)幅電路、幅度補(bǔ)償與加法電路、正交采樣觸發(fā)信號生成電路和高速采樣處理器；所述交流諧振升壓電橋，由諧振器、與諧振器并聯(lián)的電阻(R2)及與諧振器串聯(lián)的電容(C1)和電阻(R1)組成；所述諧振器由電感探頭(Lx)、兩個串聯(lián)電容(C2、C3)組成；穩(wěn)幅電路，由可變增益放大器(4)、同步檢波電路(3)、幅度平均電路(6)和比較調(diào)節(jié)器(7)組成；幅度補(bǔ)償與加法電路，由運(yùn)放與電阻組成；正交采樣觸發(fā)信號生成電路，由高速比較器組成，該比較器設(shè)置有兩個輸入端，其中一端連接在同步檢波電路(3)的輸出端上，另一端輸入直流電壓(S_ut)。
【專利說明】
一種大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)電渦流位移傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及電渦流位移傳感器，尤其涉及一種大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)的電 渦流位移傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 該類傳感器的基本原理是發(fā)射交變電磁場的線圈靠近金屬時會出現(xiàn)渦流效應(yīng)，線 圈到金屬面距離越近，損耗越大。在其他因素不變的情況下，可以通過測量損耗來測量傳感 器與金屬面的距離。
[0003] 目前，電渦流位移傳感器的線性范圍只有探頭直徑的一半;在測量量程內(nèi)，電感探 頭輸出信號的變化范圍小，靈敏度低;采用二極管式的絕對值檢波，抗干擾性低;并且內(nèi)部 集成大量的模擬器件，造成溫飄嚴(yán)重，系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)的 電渦流位移傳感器，傳感器為高可靠性，低溫漂的電渦流位移傳感器;該傳感器廣泛用于位 移、振動測量、也適用于生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控。
[0005] 本實(shí)用新型的目的通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)電渦流位移傳感器，包括:交流諧振升壓電橋、穩(wěn)幅 電路、幅度補(bǔ)償與加法電路、正交采樣觸發(fā)信號生成電路和高速采樣處理器;所述
[0007] 交流諧振升壓電橋，由諧振器、與諧振器并聯(lián)的電阻（R2)及與諧振器串聯(lián)的電容 (C1)和電阻(R1)組成;所述諧振器由電感探頭(Lx)、兩個串聯(lián)電容(C2、C3)組成；
[0008] 穩(wěn)幅電路，由可變增益放大器(4)、同步檢波電路(3)、幅度平均電路(6)和比較調(diào) 節(jié)器(7)組成；
[0009] 幅度補(bǔ)償與加法電路，由運(yùn)放與電阻組成；
[0010]正交采樣觸發(fā)信號生成電路，由高速比較器組成，該比較器設(shè)置有兩個輸入端，其 中一端連接在同步檢波電路(3)的輸出端上，另一端輸入直流電壓(S_ut)。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的一個或多個實(shí)施例可以具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0012] 采用幅度補(bǔ)償技術(shù)，可以增加傳感器的輸出范圍，提高靈敏度；
[0013] 采用高速比較器，對穩(wěn)幅的同步檢波信號B進(jìn)行幅度比較，從而產(chǎn)生正交采樣觸發(fā) 信號;這種方法結(jié)構(gòu)簡單，能可靠的產(chǎn)生相位差為90度的正交采樣觸發(fā)信號(S_t);
[0014] 采用測量探頭線圈與兩個電容串聯(lián)，并從一個電容兩端輸入激勵;在相同的激勵 電壓條件下，相比從線圈兩端輸入激勵信號，可以顯著提高電感線圈兩端的激勵電壓，增大 測量范圍；
[0015] 采用高速比較器和高速模擬開關(guān)組成同步檢波器，相比用二極管組成的絕對值電 路，具有速度快、精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)；
[0016] 采用相位差為90度的正交采樣方法，降低了采樣速率，并且可以簡便的求得探頭 電感線圈的阻抗；同時采用數(shù)字信號處理的方法比用模擬電路進(jìn)行信號處理穩(wěn)定性好、結(jié) 構(gòu)簡單、重構(gòu)方便的優(yōu)點(diǎn)。
[0017] 傳感器做一次測量時，采樣個數(shù)η可以調(diào)整，調(diào)整采樣個數(shù)可以改變系統(tǒng)的動態(tài)響 應(yīng);每次測量時采樣個數(shù)η越小，動態(tài)響應(yīng)越高，并且由于采集電橋的激勵信號S1與輸出信 號S2作為測量位移的依據(jù)，傳感器的動態(tài)響應(yīng)不受限于穩(wěn)幅電路的動態(tài)響應(yīng);系統(tǒng)的動態(tài) 響應(yīng)僅和采樣頻率和采樣個數(shù)η有關(guān)。
[0018] 采用擬合多項(xiàng)式來校正傳感器的測量溫飄的方法，比一般采用的查表法速度更 快，存儲容量更小，提高了傳感器的頻率響應(yīng)性能。
【附圖說明】
[0019] 圖1是大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)電渦流位移傳感器結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖2是穩(wěn)幅電路；
[0021] 圖3是幅度補(bǔ)償與加法電路；
[0022]圖4是正交采樣觸發(fā)信號生成電路；
[0023]圖5是電橋信號(S1與S2)的波形；
[0024]圖6a和6b是穩(wěn)幅信號(Α)與同步檢波輸出信號(Β)的波形；
[0025]圖7是正交采樣觸發(fā)信號(S_t)與同步檢波輸出信號(B)的波形。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合實(shí)施例及附圖對 本實(shí)用新型實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0027] 如圖1所示，為大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)電渦流位移傳感器，所述傳感器包括交流 諧振升壓電橋、穩(wěn)幅電路、幅度補(bǔ)償與加法電路、正交采樣觸發(fā)信號生成電路和高速采樣處 理器;所述
[0028] 交流諧振升壓電橋，由諧振器、與諧振器并聯(lián)的電阻(R2)及與諧振器串聯(lián)的電容 (C1)和電阻(R1)組成;所述諧振器由電感探頭(Lx)、兩個串聯(lián)電容(C2、C3)組成；
[0029] 穩(wěn)幅電路，由可變增益放大器(4)、同步檢波電路(3)、幅度平均電路(6)和比較調(diào) 節(jié)器(7)組成；
[0030] 幅度補(bǔ)償與加法電路，由運(yùn)放與電阻組成；
[0031]正交采樣觸發(fā)信號生成電路，由高速比較器組成，該比較器設(shè)置有兩個輸入端，其 中一端連接在同步檢波電路(3)的輸出端上，另一端輸入直流電壓(S_ut)。
[0032] 上述交流諧振升壓電橋包含的諧振器中設(shè)置有抽頭，該抽頭設(shè)置在電容(C3)的兩 端。
[0033] 上述比較調(diào)節(jié)器的輸入端分別是幅度平均電路的輸出信號（C)與基準(zhǔn)電壓（S_ ua) 〇
[0034] 本實(shí)施例采用幅度補(bǔ)償技術(shù)可以增加傳感器的輸出范圍，提高靈敏度。其原因如 下:假設(shè)電感探頭在測量位移最大和最小之間，其損耗電阻Rx的值域?yàn)閧R X I RminSRxSRmx}，
[0036] 可假設(shè)
[0038] 則Krx的值域?yàn)閧Krx I Krx_min彡KKrx_max};
[0039] 假設(shè)電橋穩(wěn)幅激勵(S1=A)時，傳感器的輸出（S2)范圍為：
[0040 ] Dran l - ( Krx max-Krx min ) j
[0041]當(dāng)電橋帶幅度補(bǔ)償，補(bǔ)償方式為:S1=K*S2+A，其輸出（S2)范圍為：
[0045 ]所以 Dran_2〉Dran_l，
[0046] 幅度補(bǔ)償技術(shù)可以提高傳感器的輸出范圍，同時也提高了靈敏度。
[0047] 上述電感Lx是電渦流傳感器探頭的線圈，該線圈發(fā)射高頻的電磁場，當(dāng)線圈靠近 金屬面時，產(chǎn)生渦流效應(yīng)，出現(xiàn)渦流損耗；并且距離越近，損耗越大。電阻R1是比例分壓電 阻；電阻R2是衰減匹配電阻，通過調(diào)整R2電阻，可調(diào)整電橋的衰減比；電容C2、C3為諧振電 容；電容C1為隔直流電容。電橋的激勵信號為S1、輸出信號為S2,且該電橋和外部的放大器 形成可控的自激電路，自激的頻率由探頭Lx的電感量，電容C2、C3的大小確定。幅度補(bǔ)償與 加法電路中：輸入信號由諧振器輸出信號S2和穩(wěn)幅信號A組成，外部可控的自激電路確定了 電橋信號的大小關(guān)系為:S1=K*S2+A，其中"K"為補(bǔ)償系數(shù)，A為穩(wěn)幅信號，該信號與電橋輸 出信號S2同頻同相。從交流電橋((：1、02、03、1?1、1?2、1^)自身來看，如果分壓系統(tǒng)為1^，可以 得到S2 = Krx*Sl;S2的大小由外部的放大電路和交流電橋自身的分壓關(guān)系共同決定。使用幅 度補(bǔ)償?shù)姆椒蓴U(kuò)大電渦流位移傳感器的量程和靈敏度;不過環(huán)路的總增益(K*K rx)要控制 在小于1的范圍內(nèi)，否則環(huán)路將失去控制。同時，通過改變穩(wěn)幅電路的給定，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅疊加 信號的幅度的修改，最終能改變交流電橋上的激勵信號S1和輸出信號S2。
[0048]上述可變增益放大器的輸入信號來自電橋的輸出信號S2,輸出信號A是穩(wěn)幅信號， 該穩(wěn)幅信號由同步檢波3、幅度平均6、比較調(diào)節(jié)器7組成閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。具體過程是： 同步檢波相當(dāng)于對需要穩(wěn)幅的信號取絕對值;然后對取絕對值的信號B進(jìn)行幅度平均，相當(dāng) 于穩(wěn)幅信號的幅度信息轉(zhuǎn)化成了直流電壓C;該電壓C與給定的直流電壓S_ua進(jìn)行比較，并 做負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使得輸出信號A的絕對值的平均值始終等于給定的直流電SS_ua，達(dá)到穩(wěn)幅 的目的。
[0049] 在圖2中，高速比較器U7在信號的過零點(diǎn)觸發(fā)，形成一個方波信號。該方波信號控 制高速模擬開關(guān)U5;當(dāng)輸入信號A小于零時，模擬開關(guān)U5輸出信號A的反相信號;該反相信號 由運(yùn)放U4A、電阻R11、R15組成的反相放大器實(shí)現(xiàn)。由于在信號小于零時輸出的是反向信號， 大于零時輸出的是正相信號，這樣實(shí)現(xiàn)了對輸入信號A取絕對值的運(yùn)算。
[0050] 在圖3中，運(yùn)放U2A和電阻R3、R4、R9和R12組成了幅度補(bǔ)償與加法電路;作用是對電 橋輸出信號S2進(jìn)行補(bǔ)償，并加上固定的激勵信號A。該電路1的輸出作為交流電橋的激勵信 號S1，其中一個例子是，當(dāng)1?3 = 51(、1?4=101(、1?9 = 51(、1?12 = 101(時，可實(shí)現(xiàn)51 = 2咕2+4的信號 輸出，相當(dāng)于對輸出信號S2放大兩倍然后疊加穩(wěn)幅信號A作為電橋的激勵信號;此時電橋的 最大分壓系數(shù)Krx接近并小于0.5時，可獲得最大的靈敏度。
[0051] 在圖4中，使用高速比較器對穩(wěn)幅信號A的絕對值信號B進(jìn)行電壓比較(穩(wěn)幅信號A 與同步檢波輸出信號B的波形如圖6a和6b所示）；設(shè)定的比較電SS_ut為信號A幅度的
倍，即在相位為和相位為-時比較器各動作一次，產(chǎn)生信號S_t的一次上升沿和一次下

降沿，之間的相位差為
用該信號S_t的邊沿觸發(fā)ADC采樣，可實(shí)現(xiàn)正交采樣;具體波形在 圖7中。
[0052] 溫度傳感器可用精密熱敏電阻實(shí)現(xiàn)，將溫度信息轉(zhuǎn)換為電壓信號，被高速采樣處 理器8采樣得到溫度數(shù)據(jù)S3。
[0053] 高速米樣處理器根據(jù)正交米樣觸發(fā)信號，對交流電橋的激勵信號S1和輸出信號S2 進(jìn)行正交采樣。
[0054] 上述實(shí)施例提供的電渦流位移傳感器實(shí)現(xiàn)大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)電渦流的方 法包括：
[0055] 通過雙路采樣方法對交流電橋的激勵信號S1和輸出信號S2進(jìn)行正交采樣，根據(jù)雙 路采樣數(shù)據(jù)SI、S2計(jì)算諧振電路損耗電阻；
[0056] 根據(jù)電路損耗電阻計(jì)算線圈位移；
[0057] 根據(jù)溫度S3,計(jì)算溫度補(bǔ)償后的位移溫飄。
[0058]上述諧振電路損耗電阻的計(jì)算包括：
[0059]采樣系列：
[0060] Slx(Sio Sn S12 S13......)為S1 的采樣信號；
[0061] S2x(S2〇 S21 S22 S23......)為S2的采樣信號；
[0062]根據(jù)采樣系列，激勵信號(S1)，電橋輸出信號(S2)可用復(fù)數(shù)表示為：
[0065]其中η為采樣個數(shù)，且為偶數(shù)；
[0067] 取諧振電路復(fù)阻抗的實(shí)部:R = Re(Rx)
[0068]作為探頭損耗電阻；
[0069] 所述采樣個數(shù)η在程序中可調(diào)，可以通過調(diào)整一次測量過程中采樣個數(shù)的大小來 改變傳感器的動態(tài)響應(yīng)，采樣個數(shù)越小，動態(tài)響應(yīng)越高。
[0070] 圖1中電容(C1)僅為隔直流作用，阻抗可忽略。
[0072]取諧振電路復(fù)阻抗的實(shí)部:R = Re(Rx)作為探頭損耗電阻。
[0073] 用實(shí)驗(yàn)法獲得探頭損耗電阻和傳感器位移之間的函數(shù)關(guān)系，并用多項(xiàng)式函數(shù)表示 出來;可用以下的方式加以實(shí)施。
[0074] 首先使用精密位移平臺改變傳感器與被測金屬面之間的位移Do,同時記錄損耗電 阻R;得到二維數(shù)組：
[0075] RD={(Ro,Do),(Ri,Di),(R2,D2),......};
[0076] 然后根據(jù)該數(shù)組，以R為自變量，Dx為因變量，做多項(xiàng)式擬合得:Dx = fdr(R)。
[0077] 根據(jù)DX = fdr(R)在程序中用計(jì)算得到的損耗電阻R代入該多項(xiàng)式"fdr(R)"得到位移 量Dx。
[0078] 此時得到的Dx受到溫度的影響；用以下的方式，實(shí)現(xiàn)對位移量Dx的溫度補(bǔ)償。主要 思想是用實(shí)驗(yàn)的方法獲取傳感器的溫度特性，并擬合成多項(xiàng)式函數(shù)，最后在傳感器測量過 程中根據(jù)擬合得到的函數(shù)，補(bǔ)償位移量Dx的溫飄，得到輸出值D。
[0079] 首先在傳感器量程范圍內(nèi)獲取10個位移的溫飄數(shù)據(jù)，每個位移記錄10個不同溫度 下的位移數(shù)據(jù)。得到1 〇個二維數(shù)組：
[0080] TDo= {(To,Doo), (Ti,Doi), (T2,D〇2),......，（T9，D09)} ;
[0081] TDi={(To,Dio),(Ti,Dn),(T2,Di2),......，（T9，D19)} ;
[0082] TDg= {(To ,Dg〇), (Ti ,Dgi), (T2 ,D92),......，（T9，D99)};
[0083] 對二維數(shù)組，TDo，TDi......TD9分別以溫度(T)為自變量，位移(D)為因變量，用多 項(xiàng)式擬合的方法，得到10個函數(shù)關(guān)系式：
[0084] Do = fdt〇(T)；Di = fdti(T)；......;D9 = fdt9(T);
[0085] 然后通過溫度傳感器(5)，獲取當(dāng)前的溫度值(S3);代入上一步擬合得到的10個函 數(shù)關(guān)系，可得到二位數(shù)組：
[0086] DDx = {(Do,Dxo), (Di,Dxi), (D2,Dt2),......(D9，DT9)};根據(jù)二維數(shù)組DD T，以Dtx為自 變量，標(biāo)準(zhǔn)位移D為因變量做在線分段線性擬合得到擬合方程D = fddt(DTX)。
[0087] 最后把Dx代入D = fddt(DTX)，求得溫度補(bǔ)償后的位移D。
[0088] 雖然本實(shí)用新型所揭露的實(shí)施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本實(shí)用 新型而采用的實(shí)施方式，并非用以限定本實(shí)用新型。任何本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技 術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實(shí)施的形式上及細(xì)節(jié) 上作任何的修改與變化，但本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定 的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)電渦流位移傳感器，其特征在于，所述傳感器包括交 流諧振升壓電橋、穩(wěn)幅電路、幅度補(bǔ)償與加法電路、正交采樣觸發(fā)信號生成電路和高速采樣 處理器;所述 交流諧振升壓電橋，由諧振器、與諧振器并聯(lián)的電阻(R2)及與諧振器串聯(lián)的電容(C1) 和電阻(R1)組成;所述諧振器由電感探頭(Lx)、兩個串聯(lián)電容(C2、C3)組成； 穩(wěn)幅電路，由可變增益放大器(4)、同步檢波電路(3)、幅度平均電路(6)和比較調(diào)節(jié)器 (7)組成； 幅度補(bǔ)償與加法電路，由運(yùn)放與電阻組成； 正交采樣觸發(fā)信號生成電路，由高速比較器組成，該比較器設(shè)置有兩個輸入端，其中一 端連接在同步檢波電路(3)的輸出端上，另一端輸入直流電壓(S_ut)。2. 如權(quán)利要求1所述的大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)電渦流位移傳感器，其特征在于，所述 交流諧振升壓電橋包含的諧振器中設(shè)置有抽頭，該抽頭設(shè)置在電容(C3)的兩端。3. 如權(quán)利要求1所述的大量程高精度高動態(tài)響應(yīng)電渦流位移傳感器，其特征在于，所述 比較調(diào)節(jié)器的輸入端分別是幅度平均電路的輸出信號(C)與基準(zhǔn)電壓(S_ua)。
【文檔編號】G01B7/02GK205642275SQ201620449352
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】李昌, 周松斌, 韓威, 劉憶森, 黃可嘉, 劉偉鑫
【申請人】廣東省自動化研究所