CN111412826A - 一种基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电感传感器领域，并具体公开了一种基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器。该传感器包括传感装置和电路装置，其中：传感装置中初级线圈用于耦合次级差动线圈，次级差动线圈用于输出差动模拟信号；电路装置中高频信号发生模块用于为初级线圈提供激励信号，并为信号比较模块提供基准信号；信号比较模块根据基准信号获得参考模拟信号，并获得幅值比信号和相位差信号；其经过信号放大与采集模块放大，并采集成数字信号送入最小系统模块；最小系统模块作为数据处理端，通过数字信号获得位置变化情况并进行输出，以此完成位移测量工作。本发明能够增大双螺旋线管差动式电感传感器的量程比，提高其零点位置的检测精度、分辨率。

Description

一种基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器
技术领域
本发明属于电感传感器领域，更具体地，涉及一种基于幅相检测的技术的双螺旋线管差动式电感传感器。
背景技术
线性位置传感器是一种用于测量线性位移的传感器，主要用于机械加工、轮廓检测等工业领域。常用的线性位置传感器根据运动方式分类包括直线位移传感器和角度位移传感器，根据材质分类包括霍耳式位移传感器、电位器式位移传感器、光电式位移传感器。
电感式传感器主要利用电磁感应将位移转换为电感量的变化输出，再通过测量转换电路，将电感量的变化转换为电压或者电流的变化，来实现位移的测量。目前应用广泛的是双螺线管差动式电感传感器，但是因其存在量程比(有效量程与传感器长度比值)较小，零点位置测量精度不高(残余电压的存在导致)等缺陷，限制了其发展和应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器，其中结合双螺旋线差动式电感传感器自身的特征，相应设计了传感装置和电路装置，并将幅值检测法和相位检测法相结合，可有效提高零点位置的检测精度和分辨率。
为实现上述目的，提出了一种基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器，其包括传感装置和电路装置，其中：
所述传感装置包括初级线圈和次级差动线圈，所述初级线圈用于耦合所述次级差动线圈，所述次级差动线圈用于输出与位置相关的差动模拟信号；
所述电路装置包括高频信号发生模块、信号比较模块、信号放大与采集模块、最小系统模块以及为上述模块提供电源的电源模块，所述高频信号发生模块用于为所述初级线圈提供激励信号，并为所述信号比较模块提供基准信号；所述信号比较模块根据所述基准信号获得参考模拟信号，并将所述差动模拟信号与参考模拟信号进行比较，获得幅值比信号和相位差信号；所述信号放大与采集模块用于将所述信号比较模块输出的幅值比信号和相位差信号进行放大，并采集成数字信号送入所述最小系统模块；所述最小系统模块作为数据处理端，利用所述数字信号获得位置变化情况并进行输出，以此基于幅相检测法完成位移测量工作。
作为进一步优选的，所述高频信号发生模块利用频率合成芯片产生高频正弦波，并经过运算放大芯片进行同相比例放大，最终经过滤波电容输出到所述初级线圈和信号比较模块。
作为进一步优选的，所述信号比较模块包括移相器、同比例放大器和相敏检波电路，其中所述移相器用于根据所述高频信号发生模块提供的基准信号获得所述参考模拟信号；所述同比例放大器用于将所述差动模拟信号进行放大；所述相敏检波电路用于对放大后的所述参考模拟信号和差动模拟信号进行比较，获得幅值比和相位差，并将其进行编码获得幅值比信号和相位差信号。
作为进一步优选的，所述移相器和同比例放大器分别由运算放大芯片构成，所述相敏检波电路由相敏检波芯片构成。
作为进一步优选的，所述信号比较模块将所述幅值比和相位差编码至0～1.8V。
作为进一步优选的，所述电源模块包括第一电源和第二电源，所述第一电源为所述信号放大与采集模块提供基准电压源，所述第二电源为所述电路装置提供电源。
作为进一步优选的，所述传感装置还包括限位套、钢管和骨架，所述限位套用于限制所述钢管的轴向移动，所述钢管用于保护所述初级线圈和次级差动线圈，所述骨架作为缠绕基底，其外侧分别缠绕所述初级线圈和次级差动线圈。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提出的基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器结构，利用幅值检测法检测幅值变化明显区段的位移，同时结合相位检测法检测幅值变化不明显但相位变化明显区段的位移，从而有效解决了现有技术中因零点位置存在残余电压导致的位移测量精度较低的问题，增大了双螺旋线管差动式电感传感器的量程比，并提高了零点位置的检测精度、分辨率，同时提高了传感器量程范围内输出特性曲线的线性度；
2.尤其是，本发明通过对电路装置中的各个模块进行改进，能够进一步提高基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器的测量精度。
附图说明
图1是本发明优选实施例提供的基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器的工作示意图；
图2是本发明优选实施例中传感装置的结构示意图，其中(a)为剖视图，(b)A-A剖面图，(c)为立体图，(d)为1/4剖视图；
图3是本发明优选实施例中电源模块的示意图；
图4是本发明优选实施例中信号比较模块的示意图；
图5是本发明优选实施例中最小系统模块的示意图；
图6是本发明优选实施例中信号放大与采集模块的示意图；
图7是本发明优选实施例中高频信号发生模块的示意图；
图8是本发明优选实施例中幅相检测的波形图，其中(a)为参考模拟信号的波形图，(b)为差动模拟信号的波形图，(c)为参考模拟信号与差动模拟信号的幅值比波形图，(d)为参考模拟信号与差动模拟信号的相位差波形图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-初级线圈，2-次级线圈，3-限位套，4-钢管，5-骨架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器，其包括传感装置和电路装置，其中：
传感装置包括初级线圈1和次级差动线圈2，初级线圈1用于耦合次级差动线圈2，次级差动线圈2用于输出与位置相关的差动模拟信号；
电路装置包括高频信号发生模块、信号比较模块、信号放大与采集模块、最小系统模块以及为上述模块提供电源的电源模块，高频信号发生模块用于为初级线圈1提供激励信号，并为信号比较模块提供基准信号；信号比较模块根据基准信号获得参考模拟信号，并通过比较差动模拟信号与参考模拟信号获得幅值比信号和相位差信号；信号放大与采集模块用于将信号比较模块输出的幅值比信号和相位差信号进行放大，并采集成数字信号送入最小系统模块；最小系统模块作为数据处理端，通过数字信号获得位置变化情况并进行输出，以此基于幅相检测法完成位移测量工作。
进一步，如图7所示，高频信号发生模块采用频率合成芯片(AD9833)产生高频(70～200KHZ)正弦波，并经过运算放大芯片(AD8531)与电阻R2、R1构成的同相比例放大器进行放大，最终经过滤波电容C7输出到初级线圈1和信号比较模块，从而提供高驱动的正弦信号。
进一步，如图4所示，信号比较模块包括移相器、同比例放大器和相敏检波电路，其中移相器由运算放大芯片(AD8065)、电阻R4.1～R4.3和电容C4.2构成，用于根据高频信号发生模块提供的基准信号获得参考模拟信号；同比例放大器由运算放大芯片(AD8065)、电阻R4.1、R4.5构成，用于将差动模拟信号进行放大；相敏检波电路由相敏检波芯片(AD8302)、电容C1.1～C1.7，电阻R4.6、R4.7构成，用于对放大后的参考模拟信号和差动模拟信号进行比较，获得幅值比(0.001～1000)和相位差(0°～180°)，并将其进行编码至0～1.8V，以此获得幅值比信号和相位差信号。
进一步，如图6所示，信号放大与采集模块将信号比较模块输出的编码电压(即幅值比信号和相位差信号)进行放大，并采集成数字信号。信号放大与采集模块包括：由运算放大器(AD8065M)、电阻R2.7～R2.9构成幅值信号放大电路；由运算放大器(AD8065F)、电阻R2.1～R2.4构成相位信号放大电路；由模数转换芯片(AD7895M)、电阻R2.12、电容C2.2构成幅值信号采集电路；由模数转换芯片(AD7895F)、电阻R2.6、电容C2.1构成相位信号采集电路。
进一步，如图3所示，电源模块包括第一电源和第二电源，其中第一电源中电源芯片1(REFIOO4I-2.5)配合电阻R0.1为信号采集模块提供2.5V基准电压源，第二电源中电源芯片2(LM2664M6X)配合退耦电容C0.1～C0.9为整个电路装置提供高驱动能力的-5V电源。
进一步，如图5所示，最小系统模块为数据处理端，主要采用单片机(STC15XX系列)作为控制端与处理端，并由LED(D3.1、D3.2)显示工作状态。
进一步，如图2所示，传感装置还包括限位套3、钢管4和骨架5，限位套3采用2A12铝合金材料制成，用于限制钢管4的轴向移动，并通过该限位套3引出激励信号与相应信号线，由原先的六线变为三线；钢管4采用304刚制成，用于保护初级线圈1和次级差动线圈2；骨架5采用PBS材料制成，并作为缠绕基底外侧分别缠绕初级线圈1和次级差动线圈2。
由于双螺线管差动式电感传感器在零点位置存在残余电压，致使利用幅值检测方法检测该段位移时，会导致精度明显降低，但残余电压在该段的相位变化却十分明显，由此利用相位检测法进行该段的位移检测可弥补幅值检测法的不足，本专利提出的检测方法为幅相检测法，即利用幅值检测法检测幅值变化明显区段结合相位检测法检测幅值变化不明显但相位变化明显区段(该区段常在双螺线管差动式电感传感器零点附近)，由此便提高了整个量程内的精度值。
如图8所示，幅相检测法可将参考模拟信号波形与差动模拟信号波形进行对比，其具体方式为：
利用峰值检测法，检测参考模拟信号与差动模拟信号幅值得到Uref与Usig；
利用过零检测法，检测参考模拟信号与差动模拟信号相位值得到Pref与Psig；
利用公式(1)进行幅值的对数变换，得到参考模拟信号与差动模拟信号的幅值对数压缩后产生的电压信号VoutA，此变换可将大量程压缩，有效的增加测量量程；
VoutA＝log(Uref/Usig) (1)
利用公式(2)进行相位差的线性变换，得到参考模拟信号与差动模拟信号由相位差引起的电压信号VoutB，此变化可将0°～180°角度值编码值0～1.8V；
Figure BDA0002444762320000061
经过上述映射关系后便可得到图示中参考模拟信号与差动模拟信号幅值、相位波形图，根据图示可知在幅值变化不明显的零点附近其相位变化十分明显，由此便可有效的提高零点附近的检测精度。
下面对本发明优选实施例提供的基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器的工作过程作具体描述。
由最小系统模块为高频信号发生模块提供28位的频率数据，高频发生模块中芯片AD9833根据频率数据合成相应频率峰峰值为0.6V的正弦波，此波形通过旁路滤波输出至传感装置中初级线圈1与信号比较模块，一端由于传感装置中次级差动线圈与移动铁芯的耦合作用，致使次级差动线圈输出与铁芯位移量有关的正弦波信号，此信号即为差动模拟信号，该信号中包含幅值与相位的变化量。另一端，由AD9833输出的正弦波在信号比较模块中经过运放AD8065构成的移相器输出参考模拟信号，此过程可方便调节参考信号与差动模拟信号相位差，两路信号经过信号比较模块中的相位幅值比较芯片AD8302后输出两路电压信号(相位差电压信号与幅值比电压信号)，且信号的幅值范围为0～1.8V，由于信号变化范围较小，因此通过信号放大与采集模块中的同比例放大器可将两路信号分别放大至0～5V，此时由采集模块中AD7895模数转换芯片采集为12位数字信号，最终由最小系统模块中STC15XX系列芯片采集并通过串口发送至上位机(电脑终端)，由此便完成了一次数据采集。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器，其特征在于，其包括传感装置和电路装置，其中：
所述传感装置包括初级线圈(1)和次级差动线圈(2)，所述初级线圈(1)用于耦合所述次级差动线圈(2)，所述次级差动线圈(2)用于输出与位置相关的差动模拟信号；
所述电路装置包括高频信号发生模块、信号比较模块、信号放大与采集模块、最小系统模块以及为上述模块提供电源的电源模块，所述高频信号发生模块用于为所述初级线圈(1)提供激励信号，并为所述信号比较模块提供基准信号；所述信号比较模块根据所述基准信号获得参考模拟信号，并将所述差动模拟信号与参考模拟信号进行比较，获得幅值比信号和相位差信号；所述信号放大与采集模块用于将所述信号比较模块输出的幅值比信号和相位差信号进行放大，并采集成数字信号送入所述最小系统模块；所述最小系统模块作为数据处理端，利用所述数字信号获得位置变化情况并进行输出，以此基于幅相检测法完成位移测量工作。
2.如权利要求1所述的基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器，其特征在于，所述高频信号发生模块利用频率合成芯片产生高频正弦波，并经过运算放大芯片进行同相比例放大，最终经过滤波电容输出到所述初级线圈(1)和信号比较模块。
3.如权利要求1所述的基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器，其特征在于，所述信号比较模块包括移相器、同比例放大器和相敏检波电路，其中所述移相器用于根据所述高频信号发生模块提供的基准信号获得所述参考模拟信号；所述同比例放大器用于将所述差动模拟信号进行放大；所述相敏检波电路用于对放大后的所述参考模拟信号和差动模拟信号进行比较，获得幅值比和相位差，并将其进行编码获得幅值比信号和相位差信号。
4.如权利要求3所述的基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器，其特征在于，所述移相器和同比例放大器分别由运算放大芯片构成，所述相敏检波电路由相敏检波芯片构成。
5.如权利要求3所述的基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器，其特征在于，所述信号比较模块将所述幅值比和相位差编码至0～1.8V。
6.如权利要求1所述的基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器，其特征在于，所述电源模块包括第一电源和第二电源，所述第一电源为所述信号放大与采集模块提供基准电压源，所述第二电源为所述电路装置提供电源。
7.如权利要求1～6任一项所述的基于幅相检测技术的双螺旋线管差动式电感传感器，其特征在于，所述传感装置还包括限位套(3)、钢管(4)和骨架(5)，所述限位套(3)用于限制所述钢管(4)的轴向移动，所述钢管(4)用于保护所述初级线圈(1)和次级差动线圈(2)，所述骨架(5)作为缠绕基底，其外侧分别缠绕所述初级线圈(1)和次级差动线圈(2)。
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