CN108195277B - 电涡流调频式距离传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电涡流调频式距离传感器，包括三个方面：用于探测距离的电感：使用屏蔽圈、屏蔽罩等特殊结构，使LC振荡器有效频率变化范围由原来的不足10％增加至接近100％，有效减小了各种漂移对测量结果的影响。抗涡流损耗LC振荡器：使用发射极向LC谐振回路注入能量，比起常用的克拉波LC振荡器更容易起振，输出振幅可超过电源电压，大大提高了信噪比，输出阻抗低，可直接驱动数字电路。频率与距离关系曲线矫正方法：使用一个矫正函数对距离与频率关系曲线进行矫正，与查表插补的方法相比，大大减少了取样点数，本方法只需要取3个点，矫正效果与20个点查表插补的方法相当，而且在超出测量范围1倍时仍有较高的准确度，这是查表的方法做不到的。

Description

电涡流调频式距离传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种电涡流调频式距离传感器。

背景技术

现有的电涡流调频式距离传感器大多采用克拉波LC振荡器获取调频信号，曲线矫正采用查表与插补的方法。用查表法矫正曲线最大的问题是取样点过多，操作不方便。

克拉波LC振荡器的极限频率变化范围为30％，超过这个限度就会出现起振困难。在实际设计时，频率变化范围一般在10％左右。基于这类LC振荡电路增加电感的灵敏度是没有意义的。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种电涡流调频式距离传感器，在更大的频率变化范围以及涡流损耗比较严重时仍可正常工作。且用尽可能少的取样点修正频率距离关系曲线。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面，用三极管发射极向LC谐振回路注入能量的LC振荡器对抗涡流损耗。LC振荡器的三极管的基极与反馈线圈之间接有一个二极管或基极与集电极短接在一起的三极管，当使用场效应管作为振荡三极管时，这个二极管或起到二极管作用的三极管要用电阻代替。(图1)，这种电路在频率变化范围超过30％时或涡流损耗较大时，仍可以正常工作。该电路可以大大提高电感的灵敏度，以及可以使用便于加工但涡流损耗较大的材料。

根据本发明的另一个方面，有了稳定可靠的LC振荡器，为增加电感灵敏度提供了可靠保证，就可以使用四种磁力线屏蔽结构，将磁力线集中作用于被测量导体以增加电感灵敏度的屏蔽措施：使用四种磁力线屏蔽措施，四种磁力线屏蔽结构措施为：屏蔽圈在磁芯的两极外侧环绕一圈，屏蔽圈靠紧被测金属块方向的平面与磁芯的两极的端面处于同一平面；屏蔽条：在磁芯的两极之间、屏蔽板：在电感的远离被测金属块端切入线圈之间与磁芯接触、屏蔽罩：罩在电感的远离被测金属块端；屏蔽圈与屏蔽条是一体的，屏蔽板与屏蔽罩也是一体的，整体扣在电感远离被测金属块端；将磁力线集中作用于被测金属块的电感。

根据本发明的又一方面，LC振荡器输出信号的频率与被测金属块的距离呈非线性关系，必须予以矫正。通常的方法是取多点保存在一张表中备查，只要取样点足够多，精度是有保证的。但取样点多，操作就不方便，为了方便矫正曲线，本人发明了一个函数，只取3个点就可精确矫正曲线。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

抗涡流损耗正弦波LC振荡器：稳定可靠抗干扰能力强，可用于复杂电磁环境。

增加屏蔽措施的电感：灵敏度高，可用于精密测量。

三个取样点曲线矫正：实施简便，有利于量产。

附图说明

图1是本发明的抗涡流损耗正弦波LC振荡器电原理图。

图1a:基础电路。

图1b:对三极管的温度漂移进行精确补偿。

图1c:可输出优质正弦波。

图1d:使用场效应管的LC振荡电路。

图2是本发明给电感增加灵敏度的方法的示意图。

图2a:使用屏蔽圈和屏蔽条。

图2b:屏蔽圈和屏蔽条一体化。

图2c:使用屏蔽板。

图2d:拉长磁芯的两极距离增加作用距离。

图2e:在屏蔽板基础上加一个屏蔽罩。

图2f:屏蔽罩与屏蔽板结构示意图。

附图标记：

1：磁芯、2：线圈、3：被测金属块、4：屏蔽圈、5：屏蔽条、6：屏蔽板、7：屏蔽罩。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

电涡流调频式测距的关键是LC振荡器，它关系到整个传感器的性能。为了增加探测灵敏度在电感上使用的屏蔽措施会产生大量的涡流损耗，再加上频率变化过大，已知的LC振荡电路都难以正常工作，包括号称最容易起振的克拉波LC振荡器，振幅会随着涡流损耗的增加急剧减小。这是由于传统的LC振荡电路都是用三极管的集电极向LC谐振回路注入能量，集电极输出阻抗过高，当金属靠近电感时涡流会增加，LC谐振回路能量消耗增加，振幅缩小；反馈减小，很容易停振。运算放大器虽然可改善输出阻抗，但输出能力仍十分有限，再加上工作频率比较低，不利于缩小电感尺寸，整体效果还不如用三极管集电极输出的LC振荡器。

为了兼顾抗涡流损耗与高频振荡，本发明采用三极管发射极向LC谐振回路注入能量(图1)，输出阻抗非常低，对涡流损耗不敏感，对三极管放大系数也不敏感。这种LC振荡器简单可靠；输出振幅稳定；输出振幅大，一般情况下大于VCC，所以信噪比高；抗干扰能力强；输出阻抗低，带负载能力强，不需要放大直接驱动数字电路，为了防止输出过强C2不能太大，一般在30-50pF为宜。

电路说明：图1a中R1、D1给Q1提供偏置，D1将反馈信号耦合到Q1的基极，并防止反馈电压超过VCC时LC谐振回路的能量被R2消耗，R2的作用是限制正反馈强度，提高Q值，改善LC谐振波形。电感L1的两个绕组1:1就可10-20匝，理论上反馈绕组比驱动绕组略小，电路性能会更好，实测效果不明显，1:1更方便制作。C1用1000pF左右，频率在1-4MHz以内即可，无特殊需要不要超过10MHz。当需要温度漂移比较小时可把D1换成与Q1相同的三极管(图1b),或者将Q1换成场效应管(图1d)，R1、R3的阻值要根据Q1的具体型号配置，(图1d)只是示意图。如果对输出的正弦波有较高的质量要求，图1c是一个简单有效的方法。

电涡流调频式距离传感器之所以不能广泛应用，电感灵敏度不够是原因之一。灵敏度不够主要是只有很少一部分磁力线作用于被测金属块3，只要将更多的磁力线作用于被测金属块3就可提高灵敏度。下面将分步详细讲解提高灵敏度的过程：第一步、在磁芯1的两极外侧加一圈屏蔽圈4(图2a)，减少磁力线向外辐射。第二步、在两个磁芯1之间加一条屏蔽条5(图2b)，使磁力线不能在两极之间直接穿过。注意屏蔽条5不能与屏蔽圈4闭合，要留有缝隙，否则等于把电感短路。第三步、在电感的后端也加一块屏蔽板6(图2c)，使磁力线不能就近穿过。第四步、将磁芯1的两极拉远(图2d)，线圈2分为两份，屏蔽板6切入线圈2之间与磁芯1接触，屏蔽效果进一步提升，作用距离也按拉远的比例增加。第五步、在电感的后端再加一个屏蔽罩7(图2e)，至此，电感的磁力线只能从前面通过，灵敏度已经达到极限，有效频率变化范围从10％左右提升至100％以上。注意：被测金属块3不能完全盖在屏蔽圈4上，完全盖上等于将电感短路，实际应用中要加限位装置。最后一步、屏蔽圈4与屏蔽条5是一体的，可作为外壳的一部分。屏蔽板6与屏蔽罩7也是一体的，整体扣在电感后面。前面分成五步是为了方便阐述原理。

频率与距离关系曲线矫正：虽然查表法技术可靠应用广泛，但采样点过多使用起来极其不方便。经过在各种条件下大量数据分析，使用函数“S＝B/(F+A)+C”矫正频率与距离关系曲线效果非常好。

其中：S：导体与电感之间的距离、F：LC谐振频率、A：频率常量、B：曲线系数、C：距离常量。

根据量程下限(S1,F1)、量程中间(S2,F2)、量程上限(S3,F3)三个点和本发明提供的函数方程S＝B/(F+A)+C；

解得：

A＝(F1×F2×S2－F1×F2×S1+F1×F3×S1－F1×F3×S3－F2×F3×S2+F2×F3×S3)/(F1×S3+F2×S1－F1×S2－F3×S1－F2×S3+F3×S2)

B＝((F2－F1)×(F3－F1)×(F3－F2)×(S1－S2)×(S1－S3)×(S2－S3))/(F1×S3+F2×S1－F1×S2－F3×S1－F2×S3+F3×S2)^2

C＝(F1×S1×S3－F1×S1×S2+F2×S1×S2－F2×S2×S3－F3×S1×S3+F3×S2×S3)/(F1×S3+F2×S1－F1×S2－F3×S1－F2×S3+F3×S2)

将A、B、C、F的值代入函数“S＝B/(F+A)+C”就求出间距S。

这种方法只需要取3个点，矫正效果与20个点查表插补的方法相当，而且在超出测量范围1倍时仍有较高的准确度，这是查表的方法做不到的。

函数可以根据个人习惯写成“S＝1/B(F+A)+C”样式，效果完全相同，只是B不同。

如果将函数写成“S＝1/(B(F+A)+E(F+D)^2)+C”理论上可以更精准，但需要取5个点，解非常复杂，而实际上在量程内E(F+D)^2确非常小，也就是说2次项并不比量化噪声大多少，可以忽略。因此，函数“S＝1/(B(F+A)+E(F+D)^2)+C”总体使用效果远不及“S＝B/(F+A)+C”。

传感器的其余部分都是使用公知技术，或使用公知技术可以实现的，在此省略。应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (1)

1.一种电涡流调频式距离传感器，其特征在于，包括：

A.使用四种磁力线屏蔽结构，将磁力线集中作用于被测金属块(3)以增加电感灵敏度：四种磁力线屏蔽结构为：屏蔽圈(4)：在磁芯(1)外侧环绕一圈，屏蔽圈(4)靠紧被测金属块(3)方向的平面与磁芯(1)的两极的端面处于同一平面；屏蔽条(5)：在磁芯(1)的两极之间；屏蔽板(6)：在电感的远离被测金属块(3)端切入线圈(2)之间；屏蔽罩(7)：罩在电感的远离被测金属块(3)端；屏蔽圈(4)与屏蔽条(5)是一体的，屏蔽条(5)不能与屏蔽圈(4)闭合，要留有缝隙，屏蔽板(6)与屏蔽罩(7)也是一体的，整体扣在电感远离被测金属块(3)端，以便将磁力线集中作用于被测金属块(3)的电感；

B.LC振荡器：用三极管发射极向LC谐振回路注入能量的LC振荡器对抗涡流损耗；LC振荡器的三极管的基极与反馈线圈之间接有一个二极管或基极与集电极短接在一起的三极管，当使用场效应管作为振荡三极管时，这个二极管或起到二极管作用的三极管要用电阻代替。

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