CN101109652A - 一种电涡流传感器的数字化动态标定系统 - Google Patents

Abstract

一种电涡流传感器数字化动态标定系统，用以对电涡流传感器进行动态标定。此系统主要由高速电机、磁轴承系统、动态标定盘、A/D转换芯片、FPGA芯片、USB总线及上位机组成。磁轴承系统配合高速电机带动动态标定盘高速旋转，产生输入给待测传感器的高频激励信号。光电传感器感应动态标定盘上的基准位置生成一个基准脉冲信号用于触发FPGA芯片控制的A/D转换芯片对传感器的输出信号进行数据采样，传感器输出信号经A/D转换芯片进行模数转换后送入FPGA芯片进行数据采集和处理，通过USB总线传入上位机，最终得到电涡流传感器的动态频率特性指标。它特别适用于对磁悬浮系统用电涡流传感器进行动态标定。

Description

一种电涡流传感器的数字化动态标定系统

技术领域

本发明涉及一种电涡流传感器的动态标定系统，用于对电涡流传感器进行动态测试和标定，特别适用于标定磁轴承系统中对高速转子位移进行非接触测量的电涡流位移传感器的动态频率响应参数，如航天器姿态控制机构磁悬浮飞轮、磁悬浮陀螺用电涡流传感器。

背景技术

电涡流传感器利用涡流效应，使通有高频交流信号的线圈产生交变磁场，置于此交变磁场中的被测导体表面就会产生电涡流，此涡流效应将导致传感器探头线圈的电参数发生改变，配合相应的测量电路即可以对被测体的位移、振动、厚度等等与电参数有关的量进行测量。

磁轴承由于依靠电磁力悬浮转子，所以不存在机械摩擦和磨损，不需要润滑，不存在因磨损和接触疲劳引起的寿命问题，减小了污染和维护，允许转子高速旋转，因此被认为是航天器姿态执行机构的理想支承，用磁轴承代替传统的机械滚珠轴承，可以彻底消除机械摩擦，提高转子的转速，进而提高系统的控制精度，延长姿态控制系统的使用寿命、降低系统功耗。

在磁轴承系统中，需要由位移传感器检测出转子的精确位置，然后将此信息传递给控制系统，再经功率放大器将其转换为控制电流进而控制执行磁铁中的磁力实现对转子的稳定悬浮。磁轴承的结构决定了必须以非接触方式对转子的位移进行检测。由于电涡流位移传感器在结构、频率响应、抗干扰性、成本等方面的优势在磁轴承上获得了广泛的应用。

传感器的动态响应特性用于衡量传感器随着输入量变化快慢的能力，一般用幅值的衰减程度和相位的滞后程度等频域特性指标来表征其动态特性的优劣。任何传感器的响应带宽都是有限的，由于磁悬浮转子可以达到很高的转速，所以对电涡流传感器的动态响应特性要求就很高，这样也就对标定电涡流传感器动态性能的系统提出了更高的要求。现有对电涡流传感器进行动态标定一般使用的是动标器或振动台。动标器是由微电机带动斜面圆盘或者偏心轮旋转以产生频率可调的振动源，而电机带动斜面圆盘或偏心轮旋转一周只能得到一个输入脉冲，又由于此斜面圆盘或偏心轮均是由机械轴承支承，所以旋转速度只能达到几千转/分钟，那么输入给电涡流传感器的信号频率就只有几百赫兹。但对电涡流传感器的动态响应要求为几千赫兹甚至更高时，利用动标器根本无法完成对传感器的动态标定。使用振动台进行动态标定时，利用振动台产生振动源的同时还需要使用一只较待测传感器精度更高的标准电涡流传感器来辅助校准，作为校验外部振动系统的参照标准，所以使整个标定系统的结构复杂，成本增加，与前面提到的动标器的情形类似，这种系统同样也是电机旋转一周只能输出一个脉冲，因此也无法完成动态响应要求几千赫兹及更高的电涡流传感器的动态标定。另外，以上两种方法在数据处理方面，或者是直接利用数字电压表或数字频率表，人为地读取和记录相关数据，最终得到传感器的频率特性曲线；或者是利用单片机或DSP通过RS-232串口进行数据的处理和传输，最终得到频率特性指标。这两种方法对数据的采样频率，数据的传输速度及数据的处理精度都有很大的影响，而且RS-232串口并非通用的串口设备，导致整个系统的通用性和可扩展性都受到限制。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有电涡流传感器动态标定系统无法完成动态响应要求在几千赫兹及更高的电涡流传感器的动态标定，且数据分析、处理的数字化程度低，校验过程受人为因素影响较大等不足，提供一种动态标定系统，用于对电涡流传感器进行动态检测和标定，增加了动态标定的频率范围，提高了检测精度和数据处理能力及系统的通用性。

本发明的技术解决方案是：电涡流传感器数字化动态标定系统，其特征在于：包括：电机调速装置、高速电机、磁轴承系统、动态标定盘、待测传感器、光电传感器、A/D转换芯片、脉冲处理电路、电平转换芯片、FPGA芯片、USB总线以及上位机和图像数据输出设备。电机调速装置用于控制高速电机的转速，高速电机和磁轴承系统使动态标定盘悬浮并高速旋转，产生高频激励信号送至待测传感器，待测传感器将此高频激励信号转换为高频电压信号后送至A/D转换芯片，A/D转换芯片对其进行采样并将其转换为数字信号，通过电平转换芯片进行电平转换后送至FPGA芯片；光电传感器感应动态标定盘的基准位置，并将此基准脉冲信号经脉冲处理电路整形和限幅后送到FPGA芯片，FPGA芯片将此脉冲信号作为基准信号来控制A/D转换芯片对待测传感器输出信号进行采样，并将采集到的数据经USB总线传输到上位机，在上位机中对数据进行处理后经图像数据输出设备输出。

其中动态标定盘的轮缘外侧铣出N个键槽，键槽的宽度取决于待测传感器探头的直径，深度取决于待测传感器所能测量的线性范围，而键槽的数量则取决于对待测传感器所需要进行标定的最大频率及动态标定盘的转频，为键槽数N＝最大频率/转频，所以由动态标定盘的旋转产生的高频激励信号的频率为动态标定盘转频的N倍。取动态标定盘上N个键槽中的任意一个，使用中将其涂黑作为对电涡流传感器的输出数据进行数据采样的基准。

本发明的原理是：利用磁轴承系统配合高速电机带动动态标定盘高速旋转，产生高频激励信号供待测传感器检测，由于动态标定盘的轮缘铣有N个键槽，所以使得此高频激励信号的频率是动态标定盘的转频的N倍，调速装置可以使高速电机以不同的转速旋转，以改变动态标定盘输出的激励信号频率。因此该系统可以在零到几千赫兹甚至更高频率范围内对电涡流传感器进行动态标定。

将光电传感器测得的基准脉冲信号作为采样基准时刻，FPGA芯片触发A/D转换芯片对待测传感器输出的高频电压信号进行采样。将A/D转换后的数字信息读入FPGA芯片中的相应存储单元中，在一次采样完成后，FPGA芯片向USB发送中断信号，使USB进行数据的传输，上位机接收来自USB的数据，最后将动态频率特性指标进行显示、存储和输出。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用了磁轴承系统和特殊结构的动态标定盘以及数字化处理手段构建了一种新型电涡流传感器的数字化动态标定系统，与现有电涡流传感器动态标定系统相比具有以下特点：

(1)与现有的电涡流传感器动标器相比，本发明利用磁轴承系统支承动态标定盘，使动态标定盘可以长寿命、高转速、高稳定度旋转：用磁轴承系统支承动态标定盘，由于不存在机械磨损，使得整个系统的寿命延长，稳定性增强，再结合高速电机装置则大大提高了动态标定盘自身的转速，从而提高了动态标定范围。

(2)本发明所设计的动态标定盘铣有N个键槽，所以可以使输入给电涡流传感器的激励信号频率相对于动态标定盘的转频提高N倍，克服了现在动态标定方法中电机旋转一周只能输出一个脉冲，不能对动态响应要求在几千赫兹以上频率的电涡流传感器进行动态标定的缺点，使该动态标定系统能够在零到几千赫兹甚至更高频带范围内对电涡流传感器进行动态标定。

(3)本发明不需要更高精度的标准电涡流传感器即可得到待测传感器的标定结果，克服了现有的振动台装置需要更高精度电涡流传感器与待测进行对比后才能得到标定结果的缺点，因此简化了系统的结构，降低了成本。

(4)本发明提高了动态标定系统的数字化、集成化程度，降低了系统功耗。利用A/D转换芯片和FPGA芯片进行数据的采集和预处理，然后送入上位机进行数据后处理，这样既提高了采样的频率，又保证了数据处理的速度和精度，减小了测量中人为因素的影响，

(5)该发明利用了USB总线实现数据传输，能够实时、高速地传输数据到上位机，提高了系统的数据传输速度，USB的特性使整个系统的通用性和可扩展性进一步增强。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的动态标定盘的俯视图；

图3为本发明的和的动态标定盘的剖视图；

图4为本发明的动态标定盘与高速电机、磁轴承系统及待测电涡流传感器的装配图；

图5为本发明脉冲处理电路原理图；

图6为本发明的FPGA的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由电机调速装置1、高速电机2、磁轴承系统3、动态标定盘4、待测电涡流传感器5、光电传感器6、A/D转换芯片7、电平转换芯片9、FPGA芯片10、USB总线11以及上位机12和图像数据输出设备13组成。电机调速装置1用于控制高速电机2的转速，高速电机2和磁轴承系统3使动态标定盘4悬浮并高速旋转，产生高频激励信号送至待测传感器5，待测传感器5将此高频激励信号转换为高频电压信号后送至A/D转换芯片7，A/D转换芯片7采用ADS7864Y对此高频电压信号进行采样并将模拟信号转换为数字信号，通过电平转换芯片974LV164245进行电平转换后送至FPGA芯片10；FPGA芯片10采用Xilinx公司的XC3S50，光电传感器6感应动态标定盘4的基准位置，并将此基准脉冲信号经脉冲处理电路8整形和限幅后送到FPGA芯片10，FPGA芯片10将此脉冲信号作为基准信号来控制A/D转换芯片7对待测传感器5输出信号进行采样，并将采集到的数据经USB总线11传输给上位机12进行数据处理后，经图像数据输出设备13输出。

如图2、3所示，给出了本发明动态标定盘4的机械结构图，在动态标定盘4上铣出均匀分布的N个梯形键槽，键槽的个数N取决于所要对待测传感器5进行标定的最大频率和动态标定盘4的转频，具体公式可表示为：键槽数N＝最大频率/转频。在该系统中，动态标定盘4的最高转频为250Hz，所需要对待测传感器5进行标定的最高频率为10KHz，因此键槽数取为40。键槽的宽度B取决于待测传感器5探头直径的大小，为0.3mm～1.5mm；而其深度则取决于待测传感器5的线性测量范围，为0.1～2mm。在此系统中，待测传感器5的线性范围为0.5～1mm，探头直径为0.5mm，所以取键槽的深度H为0.5mm，而其宽度B取为1.0mm。由于动态标定盘4上N个键槽的存在，所以由动态标定盘4旋转产生的高频激励信号的频率为动态标定盘4转频的N倍。取动态标定盘4上N个键槽中的任意一个，将其涂黑作为对电涡流传感器的输出数据进行数据采样的基准。

图4中所示为动态标定盘4与高速电机2、磁轴承系统3以及待测电涡流传感器5的装配图。高速电机2带动动态标定盘4高速旋转，磁轴承系统3用于将动态标定盘4稳定悬浮，待测传感器5固定于动态标定盘4的轮缘外侧，它与动态标定盘4之间的距离是可调节的，此距离可由千分尺测得，具体调节的数值根据待测传感器5所能测量的线性范围而定。

图5所示为脉冲处理电路8，当动态标定盘4旋转时，光电传感器6感应动态标定盘4的涂黑位置即基准位置生成一个基准脉冲信号，该信号先经DM7414进行脉冲整形，然后经两个稳压二极管使脉冲信号的幅值限定在3V以下，最后脉冲信号送入FPGA芯片10作为A/D转换芯片7进行数据采样的基准时刻。

图6所示为本发明的FPGA的工作流程图，系统上电后，首先对系统进行初始化，而后进入正常的工作模式，FPGA接收来自光电传感器的光电脉冲，每接收到一个脉冲，FPGA就触发A/D转换芯片对待测传感器的输出信号进行采样，采样结束后将数据通过USB总线送入上位机中进行数据处理。

Claims (5)

1.一种电涡流传感器数字化动态标定系统，其特征在于：包括：电机调速装置(1)、高速电机(2)、磁轴承系统(3)、动态标定盘(4)、待测传感器(5)、光电传感器(6)、A/D转换芯片(7)、脉冲处理电路(8)、电平转换芯片(9)、FPGA芯片(10)、USB总线(11)以及上位机(12)和图像数据输出设备(13)，电机调速装置(1)用于控制高速电机(2)的转速，高速电机(2)和磁轴承系统(3)使动态标定盘(4)悬浮并高速旋转，产生高频激励信号送至待测传感器(5)，待测传感器(5)将此高频激励信号转换为高频电压信号后送至A/D转换芯片(7)，A/D转换芯片(7)对其进行采样并将其转换为数字信号，通过电平转换芯片(9)进行电平转换后送至FPGA芯片(10)；光电传感器(6)感应动态标定盘(4)的基准位置，并将基准脉冲信号经脉冲处理电路(8)整形和限幅后送到FPGA芯片(10)，FPGA芯片(10)依据此基准脉冲信号控制A/D转换芯片(7)对待测传感器(5)的输出信号进行采样，并将采集到的数据经USB总线(11)传输到上位机(12)，在上位机(12)中对数据进行处理后经图像数据输出设备(13)输出。

2.根据权利要求1所述的电涡流传感器数字化动态标定系统，其特征在于：所述的动态标定盘(4)的轮缘外侧铣出N个键槽，键槽的数量则取决于对待测传感器(5)所需要进行标定的最大频率及动态标定盘(4)的转频，为键槽数N＝最大频率/转频。

3.根据权利要求1或2所述的电涡流传感器数字化动态标定系统，其特征在于：所述的键槽的宽度取决于待测传感器(5)探头的直径，为0.3mm～1.5mm；深度取决于待测传感器(5)所能测量的线性范围，为0.1～2mm。

4.根据权利要求1或2所述的电涡流传感器数字化动态标定系统，其特征在于：所述的高频激励信号是由动态标定盘(4)的旋转产生的，其频率为动态标定盘(4)转频的n倍。

5.根据权利要求1或2所述的电涡流传感器数字化动态标定系统，其特征在于：所述的基准位置为动态标定盘(4)上N个键槽中的任意一个，使用中将其涂黑，作为对待测传感器(5)输出的信号进行数据采样的初始基准。

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