CN107655499A - 一种多路微小平面线圈信号检测系统 - Google Patents

Abstract

为了解决电感值微小(一般只有1μH)、电阻值相对较大、品质因素小的平面线圈难以起振的问题，发明了一个基于改进型克拉泼振荡电路的多路微小平面线圈信号检测系统。系统采用分时扫描技术对多路信号进行多周期同步测频，并利用usB协议进行数据传输。检测结果表明，对电感值在0.5～1.77“H的平面线圈阵列，该检测系统可以提取1 nH量级的电感变化信号，且在1s内可以完成42路平面电感线圈信号的检测。系统软件部分基于虚拟仪器技术建立，具有灵活性和扩展性。

Description

一种多路微小平面线圈信号检测系统

所属技术领域

本发明涉及一种检测系统，尤其涉及一种多路微小平面线圈信号检测系统。

背景技术

电涡流传感器是一种无损、非接触传感器，可被使用于无损探伤、角度测量、间距测量及生物医学检测等方面。对大型复杂零件而言，由于其表面形貌及安装条件的限制，传感器探头要具有柔韧且薄的特点，所以在柔性基底材料上制作的平面线圈得到越来越广泛的应用。由于柔性印刷电路板及微细加工工艺条件的限制，当平面线圈尺寸较小时，线圈的电感值微小，电阻值相对较大，线圈的品质因素Q(Q=ωL/R)较低，线圈检测较为困难。虽然通过改变线圈形状、走线方式及增加线圈层数等方法可以提高线圈的电感值，但是同时也增大了线圈的电阻值，对线圈p值的提高帮助不大。

以两曲面间间距测量为例，当平面线圈自感在1μH左右时，曲面间隙变化1μm能引起的线圈电感变化仅为1 nH以下数量级。因此为了检测曲面μm级的间距变化，线圈检测系统需要能提取1 nH数量级的线圈电感变化。

发明内容

本发明的目的是为了解决电感值微小(一般只有1μH)、电阻值相对较大、品质因素小的平面线圈难以起振的问题，设计了一种多路微小平面线圈信号检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

多路微小平面线圈信号检测系统由电感线圈检测电路、USB总线接口、PC机三个部分组成。

所述的检测电路选择克拉泼振荡电路，将其改进以适应平面线圈p值较低的特点。

所述的改进为将克拉泼振荡电路中的电感改进为特定的电感网络，改进后的克拉泼振荡电路的灵敏度和谐振频率虽然有所降低，但起振性能和稳定性均可以得到大幅度提高。

所述的系统采用分时复用的扫描测试方法来实现多路信号的频率检测。

所述的USB总线接口相对于常用的PCI及ISA接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，且支持热插拔，可以即插即用。采用USB接口的信号检测系统，受计算机插槽数量等资源影响小，可扩展性强，安装方便。且USB接口独立性好，与其他设备的相互影响小，还可方便的实现系统的电磁屏蔽等特殊处理。

所述的PC机的软件系统的编写基于可重构构建模式，共包括系统标定、通道选择、信号检测、数据存储、界面显示5个部分。

本发明的有益效果是：

所发明的多路微小平面线圈信号检测系统可以应用于品质因素小的平面线圈的检测，对于1～10 MHz的高频信号频率测量的误差小于0.15‰，通过选择合适的振荡电路参数，振荡电路的稳定性在可达10^-6量级，具有较高的灵敏度，能提取平面线圈1nH数量级的电感变化。该信号检测系统能快速提取多路通道的信号频率，满足多路通道实时检测的要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是克拉泼振荡电路电路图。

图2是电感网络结构示意图。

图3是测系统软件功能流程示意图。

具体实施方式

多路微小平面线圈信号检测系统由电感线圈检测电路、USB总线接口、PC机三个部分组成。当通入交流激励信号的敏感线圈靠近被测导电材料时，被测导电材料中会产生感应电流，即电涡流。该涡流产生的交变磁通与交流激励信号产生的交变磁通方向相反，从而使得敏感线圈的等效阻抗z发生变化，△z可表示为如下的函数：△z=F(σ，μ，f，δ，γ) (1)式中：σ、μ以分别为被测导电材料的电导率和磁导率，f为线圈激励信号的频率，δ为线圈与被测导电材料之间的距离，γ为线圈的尺寸因子，与线圈的几何参数有关。通过检测线圈等效阻抗的变化即可实现距离δ的检测。线圈阻抗检测的常用方法为通过调频或调幅振荡电路将阻抗变化转化为振荡电路电压或频率的变化。其中平面线圈的常用检测电路为微分张弛振荡电路和电容三点式振荡电路的改进型(克拉泼振荡电路)。微分张弛振荡电路的检测性能虽不受线圈Q值的影响，但电路输出信号的稳定性较差，短期稳定性一般只能达到10^-3量级；电克拉泼振荡电路输出信号的稳定性高，短期稳定性可达10^-6量级，信号波形好，受器件(主要是三极管)参数变化的影响小，还具有较高的灵敏度，但电路于对电感线圈的品质因素要求较高，在线圈p值较低时容易停振。为满足检测系统的实时测量需求，必须优先保证系统中检测电路的稳定性，因此选择克拉泼振荡电路为检测电路，将其改进以适应平面线圈p值较低的特点。

如图1所示克拉泼振荡电路的电路图：三极管N1为振荡电路的核心元件、4个电阻Rb1、Rb2、R0、Re决定三极管的直流工作点，电容Cb、C₁、C₂和三极管三极相连，并和电容C3及电感L一起，组成电容三点式振荡电路，输出端0UT输出正弦波信号。 电感越小，振荡电路的中心频率越高，且电路的敏感度也将越高。同时电感的9值会影响振荡电路的起振及信号的稳定性。

如图2所示克拉泼振荡电路改进，对于一般的平面线圈，当其自感在1阻H左右时，线圈电阻值为Q数量级。为获得较高的灵敏度，振荡电路的中心频率一般选着在l～10 MHz。若将其直接接入振荡电路，则很难选择合适的振荡电路。为提高振荡电路的起振性能，将克拉泼振荡电路中的电感L改进为如图2所示的电感网络。该网络的阻抗参数为：L=L_S+L_CL_P/(LC+LP)、R=R_CR_P/(R_C+R_P)，其中L_C、R_C为平面线圈的阻抗参数。选择R_P<<R_C，L_P>>L_C，则上述两式可近似为：L≈L_S+L_C、R≈R_P，此时电感网络的Q值将大大优于单个平面线圈的Q值，电感网络的电j黼也大于单个平面线圈的电感值。由振荡电路的理论分析可知：相比于单个平面线圈而言，使用如图2所示的电感网络后，克拉泼振荡电路的灵敏度和谐振频率虽然有所降低，但起振性能和稳定性均可以得到大幅度提高。

系统采用分时复用的扫描测试方法来实现多路信号的频率检测：先将地址信号进行译码，通过多路模拟开关选通一路信号后将该路信号对应的线圈接人振荡电路，测量振荡电路稳定后的输出信号频率，待测量结束后送出下一个地址信号，循环采样至完成所有的通道检测。其中频率测量的方法：为将振荡电路输出的正弦波信号转变为同频率的方波信号，对方波信号采用多周期同步测频法测量频率，频率测量的相对误差为△Fx／Fx=△Fo／F+△N_B/N_B．其中△Fo/F为频标信号包身的误差，△N_B为计数误差，大小为±1。当频标信号稳定度为10一7数量级、阀门时间为10ms时，1MHz以上的方波信号测频精度可达10^-7数量级。

如图3所示多路信号检测系统软件操作流程框图。系统软件基于虚拟仪器技术，使用LabVIEW平台进行开发设计，基于图形化编程的特点极大地简便了测试系统的搭建和运行，在一个操作界面下就能实现数据的实时采集、处理、显示和存储，同时可以方便地实现系统的扩展和二次开发。软件系统的编写基于可重构构建模式，共包括系统标定、通道选择、信号检测、数据存储、界面显示5个部分。

Claims (6)

1.一种多路微小平面线圈信号检测系统由电感线圈检测电路、USB总线接口、PC机三个部分组成。

2.根据权利要求1所述的多路微小平面线圈信号检测系统，其特征是所述的检测电路选择克拉泼振荡电路，将其改进以适应平面线圈p值较低的特点。

3.根据权利要求1所述的多路微小平面线圈信号检测系统，其特征是所述的改进为将克拉泼振荡电路中的电感改进为特定的电感网络，改进后的克拉泼振荡电路的灵敏度和谐振频率虽然有所降低，但起振性能和稳定性均可以得到大幅度提高。

4.根据权利要求1所述的多路微小平面线圈信号检测系统，其特征是所述的系统采用分时复用的扫描测试方法来实现多路信号的频率检测。

5.根据权利要求1所述的多路微小平面线圈信号检测系统，其特征是所述的USB总线接口相对于常用的PCI及ISA接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，且支持热插拔，可以即插即用，采用USB接口的信号检测系统，受计算机插槽数量等资源影响小，可扩展性强，安装方便;且USB接口独立性好，与其他设备的相互影响小，还可方便的实现系统的电磁屏蔽等特殊处理。

6.根据权利要求1所述的多路微小平面线圈信号检测系统，其特征是所述的PC机的软件系统的编写基于可重构构建模式，共包括系统标定、通道选择、信号检测、数据存储、界面显示5个部分。