CN107543483A - 一种全金属电涡流位置传感器及温漂解决方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全金属电涡流位置传感器及温漂解决方法，电涡流位置传感器常用作接近开关，当有被测试件移向接近开关，并靠近到一定目标检测位置时，接近开关才会动作。该接近开关的精度关键取决于目标检测位置这一点的温漂精度，研究发现当激励频率和位置一定时，输出信号不随温度的变化发生漂移，称为温度不变点。把目标检测位置利用温度不变点特性，找出激励频率f,调整电路模块，产生该激励频率f的正弦信号为两个线圈提供准确的激励。本发明利用温度不变点特性，提出一种全金属电涡流位置传感器的温漂解决方法，使传感器不受周围环境温度变化的影响，检测结果准确。

Description

一种全金属电涡流位置传感器及温漂解决方法

技术领域

本发明涉及电涡流位置传感器测控领域，具体涉及一种全金属电涡流位置传感器及温漂解决方法。

背景技术

电涡流位置检测技术是基于电磁感应原理的一种无损检测方法，它适用于各种导电试件的位置检测。探头中通入激励信号，探头内线圈产生的激励磁场和被测试件中感生出的涡流磁场会发生耦合作用，将探头与被测体之间的相对位置信号转换为感应线圈信号的变化，就可以通过后续处理电路获取相应的位置信号。

在实际应用过程中，电涡流位置传感器在进行检测时受温度影响很大，周围环境中存在对有机高分子材料腐蚀严重的物质，导致传感器需要进行金属外壳封装；在一些食物等加工与封装链生产线上，为防腐、防污染采取的特殊材料封装带来的检测灵敏度和检测范围降低等问题。因此,很有必要对传感器进行金属外壳封装，但是探头的金属封装材料对传感器位置检测具有很大的影响，是带来输出信号温漂的重要影响成分。

电涡流位置传感器目前的温度补偿措施有：1、增加差动补偿线圈，两个相同的线圈置于相同的环境中，配以相同的信号处理电路，对输出信号进行差分处理。该方法只考虑了探头非金属封装，安装环境附近也无金属设备的情况，未能对传感器探头进行金属封装和安装周围存在金属的情况进行研究分析，通用性较差。2、增加无感的相同电阻值的无感线圈来感应温度变化进行补偿，这种方法只能消除检测线圈电阻本身的温度变化引起的温度漂移，未能对外壳、检测体的电阻率的温度漂移进行补偿。3、一种自动温漂抑制功能的新型耐高温电涡流位置传感器，增加了金属外壳层作为整个探头结构的保护结构，并通过在金属外壳层中预加涡流效应的方法抑制温漂。但是该方法只是在周围线圈的侧端周边增加了金属材料，并不适合对探头进行全金属封装时候的检测。4、采用一些昂贵的耐高温合金材料绕制线圈，这种探头结构和普通探头一样，但造价昂贵，虽能降低检测线圈本身的温度漂移，但仍无法解决对探头进行金属封装带来的温漂。

发明内容

为解决全金属涡流位置传感器的温漂问题，本发明提供一种全金属电涡流位置传感器及温漂解决方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种全金属电涡流位置传感器的温漂解决方法，用于解决激励频率范围、补偿温度范围、位置测量范围三个参数确定的全金属电涡流位置传感器的温漂，包括以下步骤：

A.用激励频率范围内第1个频率典型值f₁激励电涡流位置传感器；

a1.将全金属电涡流位置传感器探头和被测试件放入高低温试验箱中并连通相关测试线路；测试补偿温度范围内第1个温度典型值稳定状态下，位置测量范围内的N个位置典型值条件下的电涡流位置传感器的输出差分放大信号U₁₁～U_1N；

a2.依次测试补偿温度范围内第2～T个温度典型值稳定状态下，位置测量范围内的N个位置典型值条件下的电涡流位置传感器的输出差分放大信号U₂₁～U_2N，U₃₁～U_3N，…,U_T1～U_TN；

a3.绘制曲线，在一个坐标系内绘制频率f₁激励下的输出差分放大信号/位置的T条变化曲线，所述曲线横坐标含位置典型值分布点，纵坐标含输出差分放大信号；

a4.确定频率f1激励下的温度不变点对应的位置，在步骤a3的坐标曲线中，找到T条变化曲线的重合点，所述重合点称为温度不变点，在这点激励频率和位置一定时，输出差分放大信号不随补偿温度范围内温度的变化而漂移；

所述典型值是全范围内的等分点或等分点附近的值；

B.重复步骤A，依次得到第2～P个频率典型值f₂到f_p激励下的温度不变点对应的位置；

C.根据步骤B得到的数据绘制温度不变点对应的位置/激励频率曲线，该曲线的横坐标含频率点，f₁，f₂，…，f_p，该曲线的纵坐标含温度不变点对应的位置；

D.根据步骤C曲线得到电涡流位置传感器的目标检测位置对应的激励频率f；

E.调整电涡流位置传感器的电路模块，产生激励频率f的正弦信号为两个线圈提供准确的正弦激励信号；

F.得到差分信号,将生成的正弦波信号输入全金属涡流位置传感器探头线圈，采集线圈信号，并将该信号经过滤波放大电路后相减，得到差分信号；

G.检测信号显示。

进一步的，所述N、P、T都≧4。

进一步的，所述激励频率范围为0～10kHz。

进一步的，所述补偿温度范围为-30～90℃。

进一步的，所述位置测量范围为0～16mm。

一种基于权力要求1所述温漂解决方法的全金属电涡流位置传感器，包括消除温度对传感器影响的模块化电路，由五大模块电路构成，如图4所示，

⑴.产生固定频率的正弦信号为两个线圈提供准确的正弦激励信号；

⑵.对两个线圈的输出电压信号进行采集；

⑶.分别对采集的两个信号进行滤波与放大处理；

⑷.将两个滤波放大后的信号进行差分处理。

⑸.对处理后的信号采集及显示读取。

通过大量研究发现：

⑴取一定大小的激励频率信号(6kHz)，检测距离从2mm～14mm变化，通过硬件电路检测得到差分放大信号。通过分析看出，在不同温度下得到的差分放大信号随检测距离变化的曲线交于一点A点，如图2所示，该点位置无论温度如何变化探头的输出信号不发生漂移，称该点为温度不变点。

⑵当取频率为2kHz～8kHz变化时，得到不同激励频率下温度不变点出现的位置如图3所示。通过分析得出，温度不变点出现位置随激励频率的增大而变小，频率越低，温度不变点越远，将该点作为检测点时可检测的距离越远。

电涡流位置传感器常用作接近开关，它是利用导电被测试件在接近这个能产生电磁场的接近开关时，使被测试件内部产生涡流，这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无被测试件移近，进而控制开关的通或断。

当有被测试件移向接近开关，并靠近到一定距离时，接近开关才会动作，把这个决定开关动作的距离叫“目标检测位置”。

所以全金属电涡流位置传感器接近开关的精度关键取决于“目标检测位置”这一点的精度，这一点在全温区范围内温度漂移小，就保证了产品的温漂精度，把“目标检测位置”这一点作为温度不变点，在温度不变点对应的位置/激励频率曲线中，“目标检测位置”即为纵坐标温度不变点对应的位置，找出对应的激励频率f,调整电涡流位置传感器的电路模块，产生该激励频率f的正弦信号为两个线圈提供准确的激励。

各温度不变点的全温区范围内的温漂测试记录如表1，即不同频率下温度不变点处所在距离在不同温度下的检测结果。结果表明，不同激励频率下的各温度不变点处的最大绝对误差为0.30mm，最大相对误差为1.21％。

表1各温度不变点的全温区范围内的温漂测试记录

本发明通过大量试验研究发现温度不变点特性，并用于全金属电涡流位置传感器，测试结果表明传感器的温漂得到有效解决。

相比现有技术,本发明具有如下有益效果:

1.本发明解决了全金属电涡流位置传感器的温度，消除了环境温度对位置检测的影响。方法简单实用，可适应性强，性价比高。

2.全金属封装结构降低了对周围环境的污染，使该类传感器的应用范围扩大到食品加工等领域，使得该类传感器的应用范围更广，环境适应能力更强，增加了涡流位置传感器的市场竞争力。

附图说明

图1全金属电涡流位置传感器的探头结构示意图

图2激励频率6kHz时，5个不同温度下，输出差分放大信号/位置曲线图

图3温度不变点对应的位置/激励频率曲线图

图4消除温度影响的模块化电路结构图

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

全金属电涡流位置传感器采用国家认定的食品级金属SUS304不锈钢对一前一后并排放置的参数完全相同的双线圈结构进行封装，如图1所示，通过导线将已封装好的探头线圈和后续处理电路联接。

待处理的全金属电涡流位置传感器，激励频率范围为0～10kHz、补偿温度范围为-30～90℃、位置测量范围内0～16mm。

选取激励频率范围内典型值2kHz、3kHz、4kHz、6kHz、8kHz，P＝5，选取补偿温度范围内典型值-30℃、0℃、30℃、60℃和90℃，T＝5，选取位置测量范围内典型值2mm，4mm，6mm，8mm，10mm，12mm，14mm，N＝7。

A.用6kHz激励电涡流位置传感器

a1.将全金属电涡流位置传感器探头和被测试件放入高低温交变试验箱中并用导线与实验箱外后续处理电路联接。调整试验箱的初始温度为-30℃并达到稳定状态，将探头固定在被测试件的初始位置2mm处，给探头通入一定频率和幅值的正弦激励信号(初始为5V/6kHz)后，根据电磁感应定律会在被测试件和探头线圈之间的空间形成耦合磁场，通过检测分别得到两个线圈的输入端和输出端电压信号A和B，并将得到的A和B信号通过后续处理电路模块进行滤波与差分放大处理。通过放大滤波模块对电压信号A、B进行放大滤波与差分处理，滤除电压信号A、B中的杂波电压信号并对信号进行一定倍数的放大，有利于信号的读取和处理，并进行差分处理将得到输出差分放大信号，记为U₁₁；以此方法重复操作，依次测量4mm，6mm，8mm，10mm，12mm，14mm位置对应的输出差分放大信号U₁₂～U₁₇；

a2.依次测试补偿温度范围0℃、30℃、60℃和90℃下，2mm，4mm，6mm，8mm，10mm，12mm，14mm位置对应的的电涡流位置传感器的输出差分放大信号U₂₁～U₂₇，U₃₁～U₃₇，U₄₁～U₄₇，U₅₁～U₅₇；

a3.绘制曲线，在一个坐标系内绘制频率6kHz激励下，-30℃、0℃、30℃、60℃和90℃，5个温度下的输出差分放大信号/位置变化曲线，如图2所示，横坐标含7个位置典型值分布点，纵坐标含7个输出差分放大信号；

a4.确定6kHz激励下的温度不变点对应的位置，在步骤a3的坐标曲线中，找到5条变化曲线的重合点，所述重合点称为温度不变点，在这点激励频率和位置一定时，输出差分放大信号不随补偿温度范围内温度的变化而漂移，由图2得出6kHz对应的温度不变点是图中A点，分析得到6kHz温度不变点对应的位置；

B.重复步骤A，依次得到2kHz、3kHz、4kHz、8kHz激励下的各温度不变点对应的位置；

C.根据步骤B得到的数据绘制温度不变点对应的位置/激励频率曲线，如图3所示；

D.根据步骤C曲线得到电涡流位置传感器的目标检测位置对应的激励频率f；

E.调整电涡流位置传感器的电路模块，产生激励频率f的正弦信号为两个线圈提供准确的正弦激励信号；

F.得到差分信号,将生成的正弦波信号输入全金属涡流位置传感器探头线圈，采集线圈信号，并将该信号经过滤波放大电路后相减，得到差分信号；

G.检测信号显示。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种全金属电涡流位置传感器的温漂解决方法，其特征在于，用于解决激励频率范围、补偿温度范围、位置测量范围三个参数确定的全金属电涡流位置传感器的温漂，包括以下步骤：

A.用激励频率范围内第1个频率典型值f₁激励电涡流位置传感器；

a1.将全金属电涡流位置传感器探头和被测试件放入高低温试验箱中并连通相关测试线路；测试补偿温度范围内第1个温度典型值稳定状态下，位置测量范围内的N个位置典型值条件下的电涡流位置传感器的输出差分放大信号U₁₁～U_1N；

a2.依次测试补偿温度范围内第2～T个温度典型值稳定状态下，位置测量范围内的N个位置典型值条件下的电涡流位置传感器的输出差分放大信号U₂₁～U_2N，U₃₁～U_3N，…,U_T1～U_TN；

a3.绘制曲线，在一个坐标系内绘制频率f₁激励下的输出差分放大信号/位置的T条变化曲线，所述曲线横坐标含位置典型值分布点，纵坐标含输出差分放大信号分布点；

a4.确定频率f1激励下的温度不变点对应的位置，在步骤a3的坐标曲线中，找到T条变化曲线的重合点，所述重合点称为温度不变点，在这点激励频率和位置一定时，输出差分放大信号不随补偿温度范围内温度的变化而漂移；

所述典型值是全范围内的等分点和/或等分点附近的值；

B.重复步骤A，依次得到第2～P个频率典型值f₂到f_p激励下的温度不变点对应的位置；

C.根据步骤B得到的数据绘制温度不变点对应的位置/激励频率曲线，该曲线的横坐标含频率点分布点，f₁，f₂，…，f_p，该曲线的纵坐标含温度不变点对应的位置；

D.根据步骤C曲线得到电涡流位置传感器的目标检测位置对应的激励频率f；

E.调整电涡流位置传感器的电路模块，产生激励频率f的正弦信号为两个线圈提供准确的正弦激励信号；

F.得到差分信号,将生成的正弦波信号输入全金属涡流位置传感器探头线圈，采集线圈信号，并将该信号经过滤波放大电路后相减，得到差分信号；

G.检测信号显示。

2.根据权利要求1所述的一种全金属电涡流位置传感器的温漂解决方法，其特征在于，所述N、P、T都≧4。

3.根据权利要求1所述的一种全金属电涡流位置传感器的温漂解决方法，其特征在于，所述激励频率范围为0～10kHz。

4.根据权利要求1所述的一种全金属电涡流位置传感器的温漂解决方法，其特征在于，所述补偿温度范围为-30～90℃。

5.根据权利要求1所述的一种全金属电涡流位置传感器的温漂解决方法，其特征在于，所述位置测量范围为0～16mm。

6.一种基于权力要求1所述温漂解决方法的全金属电涡流位置传感器，其特征在于：包括消除温度对传感器影响的模块化电路，由五大模块电路构成，

⑴.产生固定频率的正弦信号为两个线圈提供准确的正弦激励信号；

⑵.对两个线圈的输出电压信号进行采集；

⑶.分别对采集的两个信号进行滤波与放大处理；

⑷.将两个滤波放大后的信号进行差分处理。

⑸.对处理后的信号采集及显示读取。