CN105387796A - 一种电感式位移传感器的检测电路及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种电感式位移传感器的检测电路，所述传感器内置线圈等效为内阻R_L和电感L串联，所述限流电阻R、内阻R_L、电感L和取样电阻R_S串联后一端与脉冲发生单元连接，另一端接地；所述检测单元检测取样电阻R_S两端的电压或流经取样电阻R_S的电流。本发明通过建立位移传感器物理模型，搭建检测电路直接实时计算传感器内置线圈的内阻R_L，并根据线圈内阻实时计算传感器电感L，通过判断分离出来的内阻R_L，判断传感器的工作状态，由于检测过程电感L与内阻R_L的分离计算是实时进行的，并不需要增加额外资源就可以提供在系统实时监测功能(BIT)，极大程度降低了复杂程度，提高了可靠性并降低了功耗。

Description

一种电感式位移传感器的检测电路及其检测方法

技术领域

本发明涉及传感器检测技术领域，具体涉及一种电感式位移传感器的检测电路及其检测方法。

背景技术

传统位移检测机构是基于机械式微动开关实现的，受机械触点易磨损、烧损；易因液体和粉尘污染而失效；需配备限位机构；按压装置易疲劳失效等缺陷因素制约，基于微动开关的传统位移检测机构逐渐被基于电感式位移传感器的检测技术替代，以获得关键位移检测机构的高可靠性及高精度检测。该类技术广泛应用于工业领域，且逐渐被拓展至军民用航空飞行器的起落架收放系统、机翼折叠系统、刹车系统、舱门、雷达罩等关键位置检测机构及舰舶装备领域。

基于电感式接近传感器的位移检测技术在工业领域，均以电感式接近开关的形式应用，且基本为有源电涡流式。该类接近开关在工作时，工作频率高，向外辐射高频磁场并产生能量较高的电场，使得该类接近开关的电磁兼容性差，同时因其工作原理，传感器内置线圈及电路结构均存在温度敏感因子，致使该类接近开关环境温度适应能力差，无法满足恶劣环境温度及复杂电磁场环境下的使用要求，使得该类技术的在航空及武器装备领域的应用受到限制。

为了满足恶劣环境下的使用要求，法国高诺斯及美国科瑞公司陆续推出非电涡流电感式接近开关，因其低工作频率，低功耗，全金属密封的特点产品具有良好的电磁兼容性及抗污染能力。两家公司推出的产品均在产品探头内置一只线圈，在被测金属靶标接近及远离接近开关探头的过程中，接近开关内置线圈的电感量发生变化，通过搭建模拟或数字电路将线圈电感变化量处理为可测量的电信号，并根据变化对应输出接近及远离的开关信号。两家公司所选用的检测方法均是通过对探头线圈施加激励信号，根据线圈的激励反馈信号提取电感线圈变化量，包括线圈充放电时间常数及相位差。然而接近开关探头线圈内阻容易因温度影响而变化，模拟检测方法在提取线圈充放电时间常数的同时并不能剔除内阻的影响。数字检测方法通过算法提取电压及电流相位差计算并剔除线圈内阻，从而达到抑制温度漂移的目的，但算法结构导致该类技术实时性差、结构复杂、可靠性低。

因传统方法不能精确的分别得到传感器线圈电感量及内阻值，致使现有技术无法实现在系统实时监测功能(BIT)，电感检测精度低导致只能识别被测金属靶标的接近及远离状态，无法精确的输出定量的位移信息。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电感式位移传感器的检测电路，该电感式位移传感器的检测电路通过简单的电路结构、信号提取及过滤策略，使用简单的计算有效解决了现行技术耐环境温度能力差且无法得到传感器线圈精确电感量的问题。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种电感式位移传感器的检测电路，包括脉冲发生单元、检测单元、限流电阻R、传感器内置线圈和取样电阻R_S，所述传感器内置线圈等效为内阻R_L和电感L串联，所述限流电阻R、内阻R_L、电感L和取样电阻R_S串联后一端与脉冲发生单元连接，另一端接地；所述检测单元检测取样电阻R_S两端的电压或流经取样电阻R_S的电流。

所述检测单元为数模转换器、电流检测放大器、电流传感器等可以将流经取样电阻RS的电流或其两端电压转换成数字量的电路。

所述脉冲发生单元为数字信号处理器DSP、单片机MCU、单片数字频率合成芯片DDS、可编程逻辑器件CPLD/FPGA、RISC微处理器ARM等可产生脉冲信号的电路。

一种电感式位移传感器的检测电路的检测方法，包括以下步骤：

(1)使用脉冲发生单元输出激励脉冲至检测电路；

(2)检测单元测量取样电阻R_S两端的电压并换算出流经取样电阻R_S的电流，或直接测量流经取样电阻R_S的电流；

(3)通过检测到的流经取样电阻R_S的电流可得出流过传感器线圈的电流，建立电感线圈的一阶零状态响应函数，并根据单位时间变化量下流过线圈电流的变化，分别求解出线圈内阻R_L及线圈电感L；

(4)设定内阻R_L的取值范围及电感L的变化范围；

(5)根据检测到的电感L的变化来判断金属靶标距离传感器感应面位移变化情况。

还包括步骤(6)：根据检测到的内阻R_L的值判断传感器的工作状态。

所述步骤(3)中由零时刻i₍₀₊₎＝i_(0-)＝0，电路的响应为零状态响应；流过线圈及取样电阻R_S的电流为：

$i_t=i_m(1-e^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}})---\left(1\right)$

其中，i_m为回路最大电流，τ为时间常数；

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{R+R_L+R_S}---\left(2\right)$

t时刻，检测单元检测流经取样电阻R_S的电流i_t或检测其两端电压U₁，可得到流过取样电阻的电流为：

$i_t=\frac{U_1}{R_s}---\left(3\right)$

经过(3～5)个τ时间后，激励响应趋近结束；流过线圈的电流达到最大值i_m，检测单元再检测流经取样电阻R_S的电流i_m或检测其两端电压U₂，可得到流过取样电阻的最大电流为：

$i_m=\frac{U_2}{R_S}---\left(4\right)$

将公式(2)、公式(3)及公式(4)代入公式(1)，整理得到

$\left\{\begin{array}{c}R{L}_{}=\frac{U_m{R}_S}{U_2}-(R+R_S)\\ L=\frac{t}{-ln\frac{U_2-U_1}{U_2}}\×(R+R_S+R_L)\end{array}\right.---\left(5\right)$

方程(5)中，U_m、R_S、R、t为已知量，U₁、U₂通过检测单元采样得到，通过求解方程即可得到传感器线圈电感L及内阻R_L。

所述步骤(5)中当电感L大于设定的门限值Ga时，认为被测目标接近；当电感L小于设定的门限值Gd时，认为被测目标远离。

所述步骤(6)中内阻R_L的值大于其取值范围的上限值时，则判断传感器线圈为断路状态；内阻R_L的值小于其取值范围的下限值时，则判断传感器线圈为短路状态。

本发明的有益效果在于：通过建立位移传感器物理模型，搭建检测电路直接实时计算传感器内置线圈的内阻R_L，并根据线圈内阻实时计算传感器电感L，通过判断分离出来的内阻R_L，判断传感器的工作状态，由于检测过程电感L与内阻R_L的分离计算是实时进行的，并不需要增加额外资源就可以提供在系统实时BIT监测功能，极大程度降低了复杂程度，提高了可靠性并降低了功耗；将电感L与内阻R_L分离后避免了环境温度变化对检测结果的影响，使得本发明在-55～+125℃温度范围内不使用任何温度补偿措施前提下获得较高的位移检测精度的同时，提供在系统实时监测功能(BIT)及精确的定量位移信息输出功能。

附图说明

图1是本发明原理框图；

图2为传感器等效电路模型；

图3为传感器激励信号脉冲信号示意图；

图4为不同位移量下传感器线圈一阶零状态响应曲线；

图5为4mm时数模转换器采样的响应曲线的示意图；

图6为6mm时数模转换器采样的响应曲线的示意图。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1所示的一种电感式位移传感器的检测电路，包括脉冲发生单元、检测单元、限流电阻R、传感器内置线圈和取样电阻R_S，所述传感器内置线圈等效为内阻R_L和电感L串联，所述限流电阻R、内阻R_L、电感L和取样电阻R_S串联后一端与脉冲发生单元连接，另一端接地；所述检测单元检测取样电阻R_S两端的电压或流经取样电阻R_S的电流。所述检测单元为数模转换器、电流检测放大器、电流传感器等可以将流经取样电阻R_S的电流或其两端电压转换成数字量的电路。所述脉冲发生单元为数字信号处理器DSP、单片机MCU、数字频率合成芯片DDS、可编程逻辑器件CPLD/FPGA、RISC微处理器ARM等可产生脉冲信号的电路。

传感器内置线圈等效模型如图2所示，由理想电感L与内阻R_L串联并与寄生电容Cp并联而构成，而寄生电容Cp通常很小，可以忽略，因而可将传感器内置线圈物理模型直接等效为理想电感L与内阻R_L的串联形式。由于线圈使用漆包线绕制而成，随环境温度变化，漆包线材料的电阻率发生变化，致使线圈内阻R_L发生变化，而线圈电感量L由以下公式近似给出：

$L\≈\frac{N^2{\mathrm{\μ}}_{0}A}{2\mathrm{\δ}}$

公式中：N为线圈匝数；μ₀为真空磁导率；A为气隙有效截面积；δ为气隙厚度，式中四个参量对温度均不敏感，故探头线圈电感量基本不随环境温度变化而变化。

所述脉冲发生单元输出脉冲经缓冲电路输出激励信号。

一种电感式位移传感器的检测电路的检测方法，包括以下步骤：

(1)使用脉冲发生单元输出激励信号至限流电阻R；脉冲发生电路经过限流电阻R后对传感器内置线圈与取样电阻R_S构成的串联回路施加一阶激励。

(2)检测单元采样流经取样电阻R_S的电流或取样电阻R_S两端的电压。

(3)由流经取样电阻R_S的电流值计算出传感器内置线圈的内阻R_L；流经取样电阻R_S的电流等于流过电感线圈的电流，通过检测取样电阻R_S的电流可间接检测流过传感器线圈的电流，建立电感线圈的一阶零状态响应函数，根据单位时间变化量下流过线圈电流的变化,分别求解出线圈内阻R_L及线圈电感L。

零时刻i₍₀₊₎＝i_(0-)＝0，电路的响应为零状态响应。流过线圈及取样电阻的电流为：

$i_t=i_m(1-e^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}})---\left(1\right)$

其中，i_m为回路最大电流，τ为时间常数。

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{R+R_L+R_S}---\left(2\right)$

t时刻，检测单元对取样电阻R_S两端电压进行采样得到电压U₁，可得到流过取样电阻的电流为：

$i_t=\frac{U_1}{R_S}---\left(3\right)$

经过(3～5)个τ时间后，激励响应趋近结束。流过线圈的电流达到最大值i_m，检测单元再对取样电阻R_S两端电压进行采样得到电压U₂，可得到流过取样电阻R_S的最大电流为：

$i_m=\frac{U_2}{R_S}---\left(4\right)$

将公式(2)、公式(3)及公式(4)代入公式(1)，整理得到

$\left\{\begin{array}{c}R{L}_{}=\frac{U_m{R}_S}{U_2}-(R+R_S)\\ L=\frac{t}{-ln\frac{U_2-U_1}{U_2}}\×(R+R_S+R_L)\end{array}\right.---\left(5\right)$

方程(5)中，U_m、R_S、R、t为已知量，U₁、U₂通过模数转换器采样得到，通过求解方程即可得到传感器线圈电感L及线圈内阻R_L。根据传感器线圈电感量L的变化识别金属靶标到传感器感应探头的位移变化。

(4)设定内阻R_L的取值范围及电感L的变化量分布范围；其中传感器线圈的内阻R_L＝漆包线长度l×材料电阻率ρ，通常给定的漆包线电阻率为常温20℃下的，而漆包线所使用的铜合金材料电阻率温度系数αR(20～100℃)＝27×10^-4/℃，随着温度变化漆包线材料电阻率发生变化，致使传感器线圈的内阻R_L变化，根据材料电阻率变化量可以确定在全温度范围内，内组R_L取值范围为(R_t1～R_t2)。

(5)根据检测到的电感L的变化来判断金属靶标距离传感器感应面位移变化情况。当电感L大于设定的门限值Ga时，认为被测目标接近；当电感L小于设定的门限值Gd时，认为被测目标远离。

由公式：

$\left\{\begin{array}{c}L\≈\frac{N^2{\mathrm{\μ}}_{0}S}{2d}\\ R_L=l_{\mathrm{\ρ}}\end{array}\right.$

式中：

L：线圈电感量；

N：线圈匝数；

μ₀：真空磁导率；

S：有效气隙面积；

d：气隙厚度；

R_L：线圈直流等效电阻；

ρ为线圈漆包线材料电阻率；

l为线圈漆包线长度。

可知，电感L在确定线圈匝数及线圈有效面积之后基本只相关于被测金属靶标距离传感器感应面的位移d；在线圈匝数及线圈直径确定后，漆包线长度也随之确定，线圈内阻R_L大小相关于受环境温度影响的材料电阻率ρ，本发明即根据检测线圈电感量L的变化来确定金属靶标距离传感器感应面位移d的变化，并实时判断线圈内阻R_L大小来判断传感器的工作状态(实时BIT)。

(6)根据检测到的内阻R_L的值判断传感器的工作状态。由于经过采样计算可以实时精确得到内阻R_L，当实际得到的R_L值超出(R_t1～R_t2)范围，则认为线圈出现故障，具体为：当R_L大于R_t2时，线圈断路；当R_L小于R_t1时，线圈短路。

实施例：

以全金属密封电感式位移传感器为实例，详细介绍本发明的实施方式：

该传感器常温20℃下标称线圈的内阻R_L为(12～14)Ω，当环境温度在(-55～+70)℃之间变化时，线圈内阻R_L温漂分布范围为(10～16)Ω。在靶标位移为4mm时，线圈标称电感量L为传感器工作在接近状态；金属靶标位移为6mm时，线圈电感量相对于4mm电感量变化量分布在(80～120)μH，传感器工作在远离状态。

基于上述指标，考虑到本发明发射干扰及自身抗干扰能力，设定线圈零状态响应最大激励电压U_m取值为2VDC，将限流电阻R取值为47Ω，取样电阻R_S取值为100Ω，传感器线圈最大通流约为12.5mA。激励信号经缓冲后输出如图3所示的(0～2)V，频率500Hz，占空比20％的脉冲信号，经限流电阻R限流后激励于传感器线圈与取样电阻R_S构成的串联回路，得到如图4所示的响应曲线。

使用12位模数转换器进行电压采样，最大为4095，对应脉冲最大电压2V。

如图5所示，当靶标距传感器感应面4mm时，在t＝25us时刻采样得到电压U₁数字量为1407，对应电压值为687.2mV，在响应结束后采样得到U₂数字量为2563，对应电压值为1.252V，由公式(5)给出的方程计算得到线圈电感L＝5.016mH，线圈内阻R_L＝12.73Ω。

如图6所示，当靶标距传感器感应面6mm时，在t＝25us时刻采样得到电压U₁数字量为1424，对应电压值为695.5mV，在响应结束后采样得到U₂数字量为2557，对应电压值为1.253V，由公式(5)给出的方程计算得到线圈电感L＝4.926mH，线圈内阻R_L＝12.58Ω。相对于4mm电感L变化量为90μH。

本发明通过建立位移传感器物理模型，搭建检测电路直接实时计算传感器内置线圈的内阻R_L，用于实时监测传感器的工作状态，并根据线圈内阻实时计算传感器电感L，判断被测目标的位置信息；由于检测过程电感L与内阻R_L的分离计算是实时进行的，并不需要增加额外资源就可以提供在系统实时监测功能(BIT)，极大程度降低了电路复杂程度，提高了可靠性并降低了功耗；将电感L与内阻R_L分离后避免了环境温度变化对检测结果的影响，使得本发明在-55～+125℃温度范围内不使用任何温度补偿措施前提下获得较高的位移检测精度的同时，提供在系统实时监测功能(BIT)及精确的定量位移信息输出功能。

Claims (8)

1.一种电感式位移传感器的检测电路，包括脉冲发生单元、检测单元、限流电阻R、传感器内置线圈和取样电阻R_S，所述传感器内置线圈等效为内阻R_L和电感L串联，其特征在于：所述限流电阻R、内阻R_L、电感L和取样电阻R_S串联后一端与脉冲发生单元连接，另一端接地；所述检测单元检测取样电阻R_S两端的电压或流经取样电阻R_S的电流。

2.如权利要求1所述的电感式位移传感器的检测电路，其特征在于：所述检测单元为数模转换器、电流检测放大器、电流传感器。

3.如权利要求1所述的电感式位移传感器的检测电路，其特征在于：所述脉冲发生单元为数字信号处理器DSP、单片机MCU、单片数字频率合成芯片DDS、可编程逻辑器件CPLD/FPGA、RISC微处理器ARM。

4.如权利要求1～3中任一所述的电感式位移传感器的检测电路的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)使用脉冲发生单元输出激励脉冲至检测电路；

(2)检测单元测量取样电阻R_S两端的电压并换算出流经取样电阻R_S的电流，或直接测量流经取样电阻R_S的电流；

(3)通过检测到的流经取样电阻R_S的电流可得出流过传感器线圈的电流，建立电感线圈的一阶零状态响应函数，并根据单位时间变化量下流过线圈电流的变化，分别求解出线圈内阻R_L及线圈电感L；

(4)设定内阻R_L的取值范围及电感L的变化范围；

(5)根据检测到的电感L的变化来判断金属靶标距离传感器感应面位移变化情况。

5.如权利要求4所述的电感式位移传感器的检测电路的检测方法，其特征在于还包括步骤(6)：根据检测到的内阻R_L的值判断传感器的工作状态。

6.如权利要求4或5所述的电感式位移传感器的检测电路的检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中由零时刻i₍₀₊₎＝i_(0-)＝0，电路的响应为零状态响应；流过线圈及取样电阻R_S的电流为：

$i_t=i_m(1-e^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}})---\left(1\right)$

其中，i_m为回路最大电流，τ为时间常数；

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{R+R_L+R_S}---\left(2\right)$

t时刻，检测单元检测流经取样电阻R_S的电流i_t或检测其两端电压U₁，可得到流过取样电阻的电流为：

$i_t=\frac{U_1}{R_S}---\left(3\right)$

经过(3～5)个τ时间后，激励响应趋近结束；流过线圈的电流达到最大值i_m，检测单元再检测流经取样电阻R_S的电流i_m或检测其两端电压U₂，可得到流过取样电阻的最大电流为：

$i_m=\frac{U_2}{R_S}---\left(4\right)$

将公式(2)、公式(3)及公式(4)代入公式(1)，整理得到

方程(5)中，U_m、R_S、R、t为已知量，U₁、U₂通过检测单元采样得到，通过求解方程即可得到传感器线圈电感L及内阻R_L。

7.如权利要求4所述的电感式位移传感器的检测电路的检测方法，其特征在于：所述步骤(5)中当电感L大于设定的门限值Ga时，认为被测目标接近；当电感L小于设定的门限值Gd时，认为被测目标远离。

8.如权利要求5所述的电感式位移传感器的检测电路的检测方法，其特征在于：所述步骤(6)中内阻R_L的值大于其取值范围的上限值时，则判断传感器线圈为断路状态；内阻R_L的值小于其取值范围的下限值时，则判断传感器线圈为短路状态。