CN111541442B - 一种接近传感器电感量解算方法 - Google Patents
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Abstract
一种接近传感器电感量解算方法，属于接近传感器领域，其特征在于：通过激励波形模块产生幅度和频率可调的数字波形，经过线圈激励电路驱动后，送至接近传感器；接近传感器的电反馈信号经过检测采样后，以数字方式反馈到解算算法；经解算算法直接分离线圈的电阻和电感参数。使用多通道切换接近传感器和校准负载，所述校准负载包含短路、开路和标准电阻，使用低频正弦波驱动接近传感器，从而可以忽略与电感式接近传感器串联的连接电缆的分布电容对测量精度的影响，有效解决了传感器测量电路长时间测量精度漂移和对电缆长度敏感的问题；同时通过计算电感的阻抗，获取电感值，避免了高低温误差问题。
Description
技术领域
本发明属于接近传感器领域，尤其涉及一种应用在航空机载设备电感式接近传感器电感量解算方法。
背景技术
目前，飞机上所用到的电感式接近传感器按照激励信号的不同，工作原理可分为可变磁阻式和涡流耗损式。利用可变磁阻式原理的电感式接近传感器信号由远程信号处理单元处理为离散信号，习惯上称为接近传感器；接近传感器激励信号为交流信号，利用可变磁阻技术对金属目标物进行检测，由线圈和磁芯组成，检测对象为软磁材料的金属靶标，在靶标向接近传感器移动时，气隙厚度的改变导致接近传感器线圈回路的磁阻发生变化。
接近传感器基本原理是利用传感器本身与目标间位置的变化而导致感应电感值的变化，该电感值引入后端信号处理电路即可进行测量处理。在现有航空设备中，对接近传感器的信号处理有模拟电路处理和数字解算两种方式。由于模拟信号相对于数字信号而言，处理起来更加的复杂，而且抗干扰能力相对于数字信号而言，也比较弱。虽然模拟电路处理方式电路结构简单，处理速度快，但是无数字化接口，设备复杂，体型较大，成本较高，不满足当今航空设备数字化的需求，因此逐渐被淘汰。
目前采用的数字解算方式为数字脉冲法，它的基本原理是通过数字脉冲周期性(5ms周期，800us的高电平)的对传感器线圈进行激励，在T1(80us)和T2 (600us)对线圈进行电压采样，获取到U1和U2值，此方法可以有效的分离出电感的直流电阻，因高低温线圈直流电阻偏差大，配合算法在不同的直流电阻选取相应的算法和曲线进行工作。
此方法主要的缺点为在生产中需要对每个传感器通过专用的位移平台，在应用的距离范围内以0.04mm的步进分别在常温和高温下进行电压采样，最后烧写到FPGA中，FPGA通过相同位置采样到的常温和高温值进行曲线拟合，最终得到多条曲线，定义次过程为传感器的标定。目前国内线圈低温漂普遍偏大，即低温和常温的电感值相差较大，由于此数字脉冲法通过常温和高温标定拟合曲线，推测低温的值在拟合曲线中，实际证明低温下测试的指标偏离较大，不满足高精度需求，即使通过算法可以补偿优化，因每个传感器特性差异，故需要分别补偿，实际操作困难，不利于工业生产。
总结数字脉冲法的优点是设计简单；主要的缺点是不适合批量生产；低温指标较差，不满足全温度工作性能需求。
发明内容
本发明的目的是针对基于满足航空领域对传感器信息实时性需求，而提出一种高效率、高精度的解算接近传感器对应电感量解算方法。
本发明所述接近传感器电感量解算方法，通过激励波形模块产生幅度和频率可调的数字波形，经过线圈激励电路驱动后，送至接近传感器；接近传感器的电反馈信号经过检测采样后，以数字方式反馈到解算算法；经解算算法直接分离线圈的电阻和电感参数；
主芯片FPGA通过SPI总线控制DAC产生正弦波激励信号，经驱动放大器和限流电阻去激励接近传感器线圈；
FPGA控制CMOS开关导通将电感的电压和电流分离，并送入滤波放大器然后经过ADC采集转换电压和电流，通过SPI信号发生至FPGA；
FPGA根据采集的电压、电流和算法计算出电感的阻抗，根据阻抗Z＝2πfL，计算出此时的电感值L；
FPGA控制CMOS开关接通标准电阻，由于标准电阻的阻抗是已知的，通过对阻抗运算可得算法逻辑、DAC、缓冲放大器、差分放大、ADC回路的工作正确性；
FPGA按照内部程序对接近传感器电感参数、接近传感器电阻参数、模块激励电路、模块信号采集电路、逻辑通道回答进行自检；如果出现问题通过Modbus 总线上报给主机。
本发明所述接近传感器电感量解算方法，所述DAC产生正弦波激励信号的过程为：采用DAC通过查表的方式输出需要的波形，通过FPGA定时向DAC转化器发送转换数据，实现不同的幅值和频率的输出。激励波形的目的是产生幅度和频率可变的正弦波激励信号，降低接近传感器串接电缆长度的分布电容带来测量精度的影响，激励选择低频正弦波信号，可以降低分布电容带来的干扰。
本发明所述接近传感器电感量解算方法，所述正弦波激励信号的激励频率范围为100Hz-10KHz；正弦波幅度为2Vrms有效值；载噪比不低于60dB。
本发明所述接近传感器电感量解算方法，其特征在于：所述正弦波激励信号在驱动接近传感器的线路中串联设置有限流电阻。降低传感器线路中的电流，保证后级电路不受大电流影响。
本发明所述接近传感器电感量解算方法，所述CMOS开关导通将电感的电压和电流分离，并送入滤波放大器然后经过ADC采集转换电压和电流设置为多路切换电路；所述多路切换电路结构为：接近传感器的一端直接与第二滤波放大器相电连接；同时接近传感器的一端依次经IV转换和第一滤波放大器与电流采样 ADC相电连接；同时接近传感器的一端依次经标准电阻和第一精密电阻与MUX2 路切换开关的一路相电连接；接近传感器的另一端经第二精密电阻后与MUX2 路切换开关的另一路相电连接；同时接近传感器的另一端依次经MUX2选1选择器的一路和第二滤波放大器后与电压采样ADC相电连接；所述MUX2选1选择器的另一路与前述标准电阻的输出端相电连接。
本发明所述接近传感器电感量解算方法，所述接近传感器电感量解算方法的具体流程如下：
第一步，FPGA通过DAC产生低频正玄波信号对传感器线圈进行激励，控制 CMOS开关切换到电压模块，将电感线圈两端的电压通过滤波放大之后送入ADC 进行采样，FPGA经过SPI总线获取到转换结果Ux；
第二步，FPGA通过DAC产生低频正玄波信号对传感器线圈进行激励，控制 CMOS开关切换到IV转换模块，将精密电阻两端的电压通过滤波放大之后送入 ADC进行采样，FPGA经过SPI总线获取到转换结果Us；
第三步，FPGA通过Sin、Cos、数字滤波、矢量除法运算和公式 Z＝2πfL，计算出线圈的阻抗和电感值。
本发明所述接近传感器电感量解算方法，使用多通道切换接近传感器和校准负载，所述校准负载包含短路、开路和标准电阻，使用低频正弦波驱动接近传感器，从而可以忽略与电感式接近传感器串联的连接电缆的分布电容对测量精度的影响，有效解决了传感器测量电路长时间测量精度漂移和对电缆长度敏感的问题；同时通过计算电感的阻抗，获取电感值，避免了高低温误差问题，软件根据指标要求设置接近远离值，统一进行烧写验证，不必对每个产品进行标定测试，保证生产效率和精度大幅度提升。
附图说明
图1为本发明所述接近传感器电感量解算方法原理框图；
图2为本发明所述驱动限流电路框图；
图3为本发明所述多路切换电路示意图；
图4为本发明所述IV转换电路示意图；
图5为本发明所述滤波放大电路示意图；
图6为电压采样ADC电路示意图；
图7为本发明所述解算算法实现流程图；
图8为本发明实施例所述滑动窗口相关运算图。
具体实施方式
下面通过附图及实施例对本发明所述接近传感器电感量解算方法进行详细说明。
本发明所述接近传感器电感量解算方法，通过激励波形模块产生幅度和频率可调的数字波形，经过线圈激励电路驱动后，送至接近传感器；接近传感器的电反馈信号经过检测采样后，以数字方式反馈到解算算法；经解算算法直接分离线圈的电阻和电感参数。
如图1所示，主芯片FPGA通过SPI总线控制DAC产生正弦波激励信号，经过放大器和限流去激励接近传感器线圈。FPGA控制CMOS模拟开关的导通将电感的电压和电流分离，并送入放大器然后经过AD79xx采集转换电压和电流，通过SPI信号发生至FPGA；FPGA根据采集的电压、电流和算法计算出电感的阻抗，根据阻抗Z＝2πfL，计算出此时的电感值L；
FPGA控制CMOS开关接通标准精密电阻，由于标准电阻的阻抗是已知的，因此通过对阻抗运算就可以知道算法逻辑、DAC、缓冲放大器、差分放大、ADC 回路的工作正确性。
FPGA芯片按照内部程序对传感器电感参数、传感器电阻参数、模块激励电路、模块信号采集电路、逻辑通道回答进行自检；如果出现问题通过Modbus总线上报给主机。
激励波形的目的是产生幅度和频率可变的正弦波激励信号，在本实施例中主要指标如下：激励频率100Hz-10KHz可调、正弦波幅度为2Vrms有效值、载噪比不低于60dB。
采用DAC通过查表的方式输出需要的波形，通过FPGA定时向DAC转化器发送转换数据，实现不同的幅值和频率的输出，此方法能够实现各种需要的波形的输出。
降低接近传感器串接电缆长度的分布电容带来测量精度的影响，激励选择低频正弦波信号，可以降低分布电容带来的干扰。
a.电缆的分布电容，通常为100pF/m，模块使用场景电缆最长为10m。
b.容抗的计算公式：Xc＝1/(ωC)＝1/(2πfC)；
其中：Xc-电容容抗值；欧姆；ω-角频率(角速度)；π-圆周率，约等于3.14；f- 频率；C-电容值法拉；
容抗与交流频率成反比。
c.电缆的分布电容对低频正玄波影响很小，对高频影响较大；高频情况下不可以忽略，因为容抗是与频率成反比的，在高频的时候，容抗很小，有的甚至与短路连接差不多，分布电容容值很小，低频看不出来，高频容抗下降迅速，所以对高频电路影响很大。
如图2所示，正弦波激励信号在驱动接近传感器的线路中串联了限流电阻，降低传感器线路中的电流，保证后级电路不受大电流影响。
如附图3所示，多路切换电路设计了两种功能，一种为传感器检测；一种为使用精密电阻对电路和算法进行校准，下面介绍一下具体如何切换。
当2通道选择导通时，1、2、4组成传感器检测电路；
当3通道选择导通时，1、3、4组成校准负载电路，将标准电阻接入信号源和检测回路中。由于标准电阻的阻抗是已知的，因此通过对阻抗运算就可以知道算法逻辑、DAC、缓冲放大器、差分放大、ADC回路的工作正确性。
如图4所示为接近传感器V/I转换示意图，接近传感器线圈串联电路中采用运算放大器和2.5v直流参考电压，便于测量，为常用的IV变换电路。由欧姆定律，电路中电压与电流之比得到阻抗，当激励源为正弦交流时，电路中电压与电流的比值一定意义上为复数，阻抗表示成其中Rs为精密标准电阻，为了实现阻抗的精确测量，首先要精确测量出前端电路中矢量电压Ux，Us，通过数学矢量除法运算得出最终结果。
如附图5所示，此电路将Us电压进行分离送入ADC采样。采用双通道放大器将电压信号，正反向分别进行差分放大，经过RC缓冲然后送入ADC采样。差分放大输出结果：Vout＝G*(V+-V-)，G为增益系数。
Ux电压电路同Us设计电路一致；如图6所示电压采样电路将Us电压分离，进行RC缓冲和限位之后送入ADC采样。
阻抗是与电子材料、元件和电路(在下面部分，这些统称为器件)相联系的基本参数。当电流流过器件时，器件便对电流的流动产生阻抗作用。若电流为直流(dc)，则抵抗度称为电阻；而若电流为交流(ac)，则抵抗度称为阻抗。欧姆定律规定了直流情况下电阻、电流和在被测件(DUT)两端形成的压降之间的关系，且可以从数学上扩展到处理交流情况。因此，被测件的阻抗可以用被测件的端电压与流过它的电流之比来表示。然而，阻抗是器件所固有的更基本的特性，它可以精确地确定和保持。
在本解算方法中，当直流加到被测件上时，参数之间的关系用欧姆定律表示：
当交流流过被测件，这时应当运用欧姆定律的扩展形式，因为交流电压或电流由两个独立成分即幅度和相位构成。
Z＝R+jX或Z＝|Z|ejθ
一般而言，当器件呈串联时，阻抗便于计算；若频率为f的交流I加到电感量为L的电感器上(这里假定为纯电感器或无耗电感器)，则电感器对电流的抵抗度与L和电流的角频率成正比。
如图7所示，解算算法有如下模块构成：
A.相关运算的定义为：R(n)＝(1/N)∑[x(m)y(m+n)]；
在FPGA具体实现中，采用累加器和移位寄存器完成如图8所示滑动窗口的相关运算，运算结构类似于FIFO的结构。
设待检测原始信号为：u(t)＝Acos(ωt+φ)
构造参考信号：I(t)＝Acos(ωt)和Q(t)＝Asin(ωt)
分别与原始信号相乘得到：
B.滤波介绍；通过阈值判断得出接近远离状态；对高低两个阈值做回环滞算法；在本实施例中接近远离状态的滑动窗口多数判决滤波16个状态，高状态的数目大于设定值10则认为是高。
本发明所述算法在检测过程中如果发现相位和增益发生变化，通过开关切换到校准电阻端对其进行修正；电缆分布电容的影响，传感器通常是5mH，电缆长度100米的分布电容10nF，计算500Hz下线路电容的阻抗跟电感的比值。跟据公式容抗Xc＝1/2π fc，感抗XL＝2π fL，计算得出Xc/XL＝2000，电容的阻抗远大于电感的阻抗，不会给测量带来干扰。同时本发明所述接近传感器电感量解算方法通过计算电感的阻抗，获取电感值，避免了高低温误差问题，软件根据指标要求设置接近远离值，统一进行烧写验证，不必对每个产品进行标定测试，保证生产效率和精度大幅度提升。
Claims (5)
1.一种接近传感器电感量解算方法，其特征在于：通过激励波形模块产生幅度和频率可调的数字波形，经过线圈激励电路驱动后，送至接近传感器；接近传感器的电反馈信号经过检测采样后，以数字方式反馈到解算算法；经解算算法直接分离线圈的电阻和电感参数；主芯片FPGA通过SPI总线控制DAC产生正弦波激励信号，经驱动放大器和限流电阻去激 励接近传感器线圈； FPGA控制CMOS开关导通将电感的电压和电流分离，并送入滤波放大器然后经过ADC采 集转换电压和电流，通过SPI信号发生至FPGA； FPGA根据采集的电压、电流和算法计算出电感的阻抗，根据阻抗Z=2πfL，计算出此时的 电感值L； FPGA控制CMOS开关接通标准电阻，由于标准电阻的阻抗是已知的，通过对阻抗运算可 得算法逻辑、DAC、缓冲放大器、差分放大、ADC回路的工作正确性； FPGA按照内部程序对接近传感器电感参数、接近传感器电阻参数、模块激励电路、模块 信号采集电路、逻辑通道回答进行自检；如果出现问题通过Modbus总线上报给主机；所述CMOS开关导通将 电感的电压和电流分离，并送入滤波放大器然后经过ADC采集转换电压和电流设置为多路 切换电路；所述多路切换电路结构为：接近传感器的一端直接与第二滤波放大器相电连接； 同时接近传感器的一端依次经IV转换和第一滤波放大器与电流采样ADC相电连接；同时接 近传感器的一端依次经标准电阻和第一精密电阻与MUX2路切换开关的一路相电连接；接近 传感器的另一端经第二精密电阻后与MUX2路切换开关的另一路相电连接；同时接近传感器 的另一端依次经MUX2选1选择器的一路和第二滤波放大器后与电压采样ADC相电连接；所述 MUX2选1选择器的另一路与前述标准电阻的输出端相电连接。
2.根据权利要求1所述接近传感器电感量解算方法，其特征在于：所述DAC产生正弦波激励信号的过程为：采用DAC通过查表的方式输出需要的波形，通过FPGA定时向DAC转化器发送转换数据，实现不同的幅值和频率的输出；激励波形的目的是产生幅度和频率可变的正弦波激励信号，降低接近传感器串接电缆长度的分布电容带来测量精度的影响，激励选择低频正弦波信号，可以降低分布电容带来的干扰。
3.根据权利要求2所述接近传感器电感量解算方法，其特征在于：所述正弦波激励信号的激励频率范围为100Hz-10KHz；正弦波幅度为2Vrms有效值；载噪比不低于60dB。
4.根据权利要求1或2所述接近传感器电感量解算方法，其特征在于：所述正弦波激励信号在驱动接近传感器的线路中串联设置有限流电阻，降低传感器线路中的电流，保证后级电路不受大电流影响。
5.根据权利要求4所述接近传感器电感量解算方法，其特征在于：所述接近传感器电感量解算方法的具体流程如下：
第一步，FPGA通过DAC产生低频正玄波信号对传感器线圈进行激励，控制CMOS开关切换到电压模块，将电感线圈两端的电压通过滤波放大之后送入ADC进行采样，FPGA经过SPI总线获取到转换结果Ux；
第二步，FPGA通过DAC产生低频正玄波信号对传感器线圈进行激励，控制CMOS开关切换到IV转换模块，将精密电阻两端的电压通过滤波放大之后送入ADC进行采样，FPGA经过SPI总线获取到转换结果Us；
第三步，FPGA通过Sin、Cos、数字滤波、矢量除法运算和公式Z=2πfL，计算出线圈的阻抗和电感值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A method for calculating the inductance of proximity sensors Granted publication date: 20230908 Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee Pledgor: Xi'an Run Xin Aviation Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980013472 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |