CN104729544A - 基于halios的抗强磁干扰的电涡流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于HALIOS的抗强磁干扰的电涡流传感器，包括PCB板，PCB板上包括两组前、后排列的线圈，其中外组线圈由第一铜线以及第四铜线采用双股并列的结构绕制，内组线圈由第二铜线以及第三铜线采用双股并列的结构绕制；电子开关，其输入端与脉冲发生器的输出端相连，其输入端通过第二电容分别与第一铜线的一端以及第二铜线的一端相连；第一铜线的另一端通过第三铜线接地；第二铜线的另一端通过第四铜线接地；第一铜线与第三铜线的连接处以及第二铜线与第四铜线的连接处为线圈的两个输出端；信号处理电路，其输入端与线圈的输出端相连；选频滤波电路，其输入端与信号处理电路的输出端相连。本发明不仅检测距离远，而且还具有很好的抗强磁能力。

Description

基于HALIOS的抗强磁干扰的电涡流传感器

技术领域

本发明涉及电涡流传感器，更具体地说，是涉及一种基于HALIOS的抗强磁干扰的电涡流传感器。

背景技术

现有的电涡流传感器中有带有铁氧体的线圈配合LC三点式振荡电路作为振荡器，在线圈中产生交变的磁场。当被测金属靠近这一磁场，则在金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与线圈方向相反的交变磁场，使线圈中的高频电流的幅度和相位得到改变，探头中的线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡器电压幅度的变化，这个变化的电压经过检波、滤波、线性补偿、放大最终转换成需要的电压(电流)变化。

电涡流传感器的感应头是有线圈和铁氧体组成，一般采用灌状的铁氧体，线圈安装在铁氧体的底部，该磁芯是半开口形状，线圈位于磁芯内部，目的是使线圈的磁场向磁芯开口方向单一分布。这种类型的电涡流传感器一般只是用于电磁干扰较弱的环境中，在强磁干扰的环境中，则无法正常使用。

没有铁氧体的电涡流传感器，存在着磁力线分布广的问题，相对于带铁氧体的线圈产生的能量分布广且不集中，该类电涡流传感器通常情况下，检测距离较短，稳定性及温飘性能均较差，且配合普通LC三点式振荡器，不具备抵抗强磁干扰的能力。

这里有必要阐述一下，磁感应强度的定义，与磁力线方向垂直的单位面积上所通过的磁力线数目，又叫磁力线的密度，也叫磁通密度，用B表示，单位为特斯拉(T)，1T＝1000mT。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于HALIOS的抗强磁干扰的电涡流传感器。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于HALIOS的抗强磁干扰的电涡流传感器，包括PCB板，所述PCB板上包括：

线圈，所述线圈的数量为两组，所述两组线圈前、后排列，其中外组线圈由第一铜线以及第四铜线采用双股并列的结构绕制，内组线圈由第二铜线以及第三铜线采用双股并列的结构绕制；

脉冲发生器；

电子开关，其输入端与所述脉冲发生器的输出端相连，其输入端通过第二电容分别与第一铜线的一端以及第二铜线的一端相连；所述第一铜线的另一端通过第三铜线接地；所述第二铜线的另一端通过第四铜线接地；所述第一铜线与所述第三铜线的连接处以及所述第二铜线与所述第四铜线的连接处为线圈的两个输出端；

信号处理电路，其输入端与所述线圈的输出端相连；

选频滤波电路，其输入端与所述信号处理电路的输出端相连。

所述脉冲发生器包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的负极输入端通过第一电容接地；所述第一电容每摄氏度变化在30ppm以内。

所述信号处理电路包括并接在所述线圈的两个输出端之间的第一电位器以及第二电位器，所述第一电位器中的滑动电刷接地；所述第二电位器中的滑动电刷通过第五电容接地；所述线圈的一个输出端通过第三电容与差分放大器的正极输入端相连，另一个输出端通过第四电容与差分放大器的负极输入端相连。

所述选频滤波电路包括第十电阻，所述第十电阻的一端与所述信号处理电路的输出端相连，所述第十电阻的另一端通过第六电容与第四运算放大器的负极输入端相连；所述第十电阻与所述第六电容的连接处还通过第十二电阻接地；所述第十电阻与所述第六电容的连接处还通过第七电容与所述第四运算放大器的输出端相连；所述第四运算放大器的负极输入端还通过第十一电阻与所述第四运算放大器的输出端相连；其中，第十一电阻的阻值与第十电阻以及第十二电阻并联后的阻值之比大于10000。

还包括放大输出电路，其输入端与所述选频滤波电路的输出端相连。

与现有技术相比，采用本发明的一种基于HALIOS的抗强磁干扰的电涡流传感器，不仅检测距离远，稳定性好，而且还具有很好的抗强磁能力。

附图说明

图1是本发明实施例的原理示意图；

图2是图1中的线圈的结构示意图；

图3是图1中的脉冲发生器的电路示意图；

图4是图1中的线圈、脉冲发生器以及电子开关的连接示意图；

图5是图1中的信号处理电路的电路示意图；

图6是图1中的选频滤波电路的电路示意图；

图7是图1中的放大输出电路的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1至图7所示的一种基于HALIOS的抗强磁干扰的电涡流传感器，包括PCB板，PCB板上包括：

线圈，线圈的数量为两组，两组线圈前、后排列，其中外组线圈由第一铜线L1以及第四铜线L4采用双股并列的结构绕制，内组线圈由第二铜线L2以及第三铜线L3采用双股并列的结构绕制；

如图2所示，为了达到抗强磁的效果，没有使用铁氧体，否则无法实现。本发明采用的是“双线圈”的方式，但是又与普通的双线圈有本质上的区别，如果前后线圈为相同圈数，相同线径，相同的绕线方式制作出来的两个完全相同的线圈，该完全相同是理想状态，实际无法满足，始终存在差异，此“差异”会在后端差分电路中体现出来。

本发明的单组线圈采用两股线，双线并绕的方式绕制，故本发明实际是采用了4个线圈，本线圈结构在电路的配合下拥有两大优势，灵敏度高和有效抑制自身温飘的作用。理想状态的两组线圈，理论上可以无需做温度补偿，故具有极佳的稳定性。两组线圈同时给予相同的电脉冲信号，使之产生交变磁场，由于脉冲信号的相同，线圈的产生的交变磁场方向保持一致。

脉冲发生器，包括第一运算放大器IC1，第一运算放大器IC1的负极输入端通过第一电容C1接地；第一电容C1每摄氏度变化在30ppm以内。

本发明的电涡流传感器有别于传统电涡流传感器，产生磁场的线圈不再是振荡器的一部分，磁场是由流过线圈的周期脉冲信号所产生。

如图3所示，振荡器是由运算放大器，RC网络构成，为了得到一个性能好的振荡器，选择稳定性，抗干扰能力强的运算放大器，选用高精度的电阻电容，特别指出电容C1，尽可能选用随温度变化小的电容，推荐选择每摄氏度变化小于30ppm的电容，这样才能得到一个频率稳定，幅值稳定的方波激励信号。

电子开关IC2，其输入端与脉冲发生器的输出端相连，其输入端通过第二电容C2分别与第一铜线L1的一端以及第二铜线L2的一端相连；第一铜线L1的另一端通过第三铜线L3接地；第二铜线L2的另一端通过第四铜线L4接地；第一铜线L1与第三铜线L3的连接处以及第二铜线L2与第四铜线L4的连接处为线圈的两个输出端；

方波激励信号不具备较强的驱动线圈的能力，通过驱动电子开关，转换成一个固有的电源与地信号的周期性脉冲信号，线圈与电容组成串联谐振，谐振的条件wL＝1/Wc,串联谐振的主要特征电路阻抗最小且呈纯阻性，谐振时，电路中的电流最大。调整电容C2使LC谐振，此时线圈产生磁场的效率最高，检测距离也最远。

如图4所示，第一至第四铜线L1_～L4组成四个线圈，在此规定第一铜线L1与第三铜线L3一组，第二铜线L2与第四铜线L4一组，采用双线并绕的方式，无论哪一组线圈在前或是在后，均没有影响，同时在L1、L3和L2、L4中间提取有用信号进行信号的处理，从图上可以看出这4个线圈相似于桥式电路，当外界环境变化趋于稳定后，线圈均发生相应的变化，但是比例关系没有改变，利用这一点可以很好的解决线圈没有铁氧体温飘差的问题。

信号处理电路，以图5为例，信号处理电路包括并接在线圈的两个输出端之间的第一电位器RE1以及第二电位器RE2，第一电位器RE1中的滑动电刷接地；第二电位器RE2中的滑动电刷通过第五电容C5接地；线圈的一个输出端通过第三电容C3与差分放大器IC3的正极输入端相连，另一个输出端通过第四电容C4与差分放大器IC3的负极输入端相连。

针对信号的处理，将前面提取出来的两路信号送入差分放大器，由于绕制的线圈存在差异，故两路信号始终不一致，为了解决这个问题，在输入的前端，两信号之间并上两个电位器，其中一个需要接电容C5在接到GND，由于两信号不一致，有可能存在幅度的差异，相位的差异，进过差分放大后，波形较大，由于选择的放大倍数的关系，差分后得到的波形也有可能失真，所以这两个电位器很关键，主要作用是对输入信号幅度相位做调节，使之平衡或是近似，差分后得到的波形信号也就最小。

在金属靠近感应面的时候，在金属上产生的涡流磁场，最先影响前端线圈，是此桥式电路平衡打破，输入信号存在明显差异，进过差分放大后信号会产生较大变化。

此类电涡流传感器在强磁环境下，线圈均受到50Hz的强磁干扰，提取出的信号叠加了这个干扰信号，运用差分电路，可以有效的将95％的此干扰信号滤除，以此达到抗强磁的能力。

故此线圈结构，配合差分放大电路，可以极高的灵敏度，同时具有较远的检测距离，具备较强的抗干扰能力。

选频滤波电路，以图6为例，电路包括第十电阻R10，第十电阻R10的一端与信号处理电路的输出端相连，第十电阻R10的另一端通过第六电容C6与第四运算放大器IC4的负极输入端相连；第十电阻R10与第六电容C6的连接处还通过第十二电阻R12接地；第十电阻R10与第六电容C6的连接处还通过第七电容C7与第四运算放大器IC4的输出端相连；第四运算放大器IC4的负极输入端还通过第十一电阻R11与第四运算放大器IC4的输出端相连；其中，第十一电阻R11的阻值与第十电阻R10以及第十二电阻R12并联后的阻值之比大于10000。

如前所述，信号上存在50Hz的干扰信号，随进过差分电路滤除了大部分的干扰信号，为了达到最佳的抗强磁能力，这里增加了二阶带通滤波器，也是一个选频电路。如图6所示是一个多路负反馈二阶有源带通滤波器，采用单运放单电源供电模式，此电路的上限截止频率和下限截止频率可以非常的接近，具有极佳的频率选择性，C6＝C7＝C，Req是R10和R12并联的值。品质因数Q等于中心频率除以带宽，Q＝Fc/BW。

$\mathrm{Fc}=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{ReqR}11}C;$

Req＝R10//R12；

$Q=\mathrm{Fc}/\mathrm{BW}=\sqrt{R11/\mathrm{Req}}/2;$

由式可以看出通过让R11的值远大于Req可以获得大的Q值。

Q值越大，频率的选择性越好，带宽越小，反之则差。

特别指出电路的增益应小于3，以此在保证电路的稳定性。

在此如规定振荡器给出的频率为100KHz，故此选频电路的中心频率为100KHz，因要滤除的是50Hz的干扰信号，所以带宽可以是10KHz，相对于50Hz，是非常大了，通过计算，可以得到一个较好的选频电路。只有100KHz的信号可以通过，50Hz的干扰信号基本滤除。以此达到抗强磁的效果。

运算放大器及RC网路应选择高精度的，低温飘的器件，以此来保证在-25～70℃温度范围内，中心频率及带宽不会有较大变化。

由于前面带通滤波的关系，信号趋向于正弦波，呈现幅度衰减的趋势，为了便于后端信号的检测，信号检测有较大的幅度及相位变化，增加一级放大电路，如图7所示，以此提高整个系统的灵敏度，以此提高检测距离。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种基于HALIOS的抗强磁干扰的电涡流传感器，其特征在于，包括PCB板，所述PCB板上包括：

线圈，所述线圈的数量为两组，所述两组线圈前、后排列，其中外组线圈由第一铜线(L1)以及第四铜线(L4)采用双股并列的结构绕制，内组线圈由第二铜线(L2)以及第三铜线(L3)采用双股并列的结构绕制；

脉冲发生器；

电子开关(IC2)，其输入端与所述脉冲发生器的输出端相连，其输入端通过第二电容(C2)分别与第一铜线(L1)的一端以及第二铜线(L2)的一端相连；所述第一铜线(L1)的另一端通过第三铜线(L3)接地；所述第二铜线(L2)的另一端通过第四铜线(L4)接地；所述第一铜线(L1)与所述第三铜线(L3)的连接处以及所述第二铜线(L2)与所述第四铜线(L4)的连接处为线圈的两个输出端；

信号处理电路，其输入端与所述线圈的输出端相连；

选频滤波电路，其输入端与所述信号处理电路的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，

所述脉冲发生器包括第一运算放大器(IC1)，所述第一运算放大器(IC1)的负极输入端通过第一电容(C1)接地；所述第一电容(C1)每摄氏度变化在30ppm以内。

3.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，

所述信号处理电路包括并接在所述线圈的两个输出端之间的第一电位器(RE1)以及第二电位器(RE2)，所述第一电位器(RE1)中的滑动电刷接地；所述第二电位器(RE2)中的滑动电刷通过第五电容(C5)接地；所述线圈的一个输出端通过第三电容(C3)与差分放大器(IC3)的正极输入端相连，另一个输出端通过第四电容(C4)与差分放大器(IC3)的负极输入端相连。

4.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，

所述选频滤波电路包括第十电阻(R10)，所述第十电阻(R10)的一端与所述信号处理电路的输出端相连，所述第十电阻(R10)的另一端通过第六电容(C6)与第四运算放大器(IC4)的负极输入端相连；所述第十电阻(R10)与所述第六电容(C6)的连接处还通过第十二电阻(R12)接地；所述第十电阻(R10)与所述第六电容(C6)的连接处还通过第七电容(C7)与所述第四运算放大器(IC4)的输出端相连；所述第四运算放大器(IC4)的负极输入端还通过第十一电阻(R11)与所述第四运算放大器(IC4)的输出端相连；其中，第十一电阻(R11)的阻值与第十电阻(R10)以及第十二电阻(R12)并联后的阻值之比大于10000。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电涡流传感器，其特征在于，

还包括放大输出电路，其输入端与所述选频滤波电路的输出端相连。