CN111623698B - 一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路，包括频率源、激励源、励磁线圈、校正电路、放大电路、解调电路、滤波电路，其中，频率源产生一路频率信号P1送至激励源电路，同时产生另一路频率信号P2送至解调电路；激励源电路，根据频率信号P1产生频率f、幅值固定的交流电压施加到励磁线圈；励磁线圈，安装在电涡流位移传感器的探头上，位移发生变化时其阻抗也随之变化；校正电路与励磁线圈共同作用下，励磁线圈阻抗转化为交流电压信号；放大电路对交流电压信号进行放大；解调电路根据频率信号P2的频率f和相位θ对交流信号进行解调；滤波电路将解调后的电压信号进行低通滤波，从而获得直流检测电压，该电压与探头位移成线性关系，解决电涡流位移传感器输出非线性问题。

Description

一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路

技术领域

本发明涉及一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路，属于电涡流位移传感器技术领域。

背景技术

电涡流位移传感器是一种非接触式位移测量装置，一般由探头和信号检测电路组成。探头上的励磁线圈靠近被测物体(导体)时将产生电涡流，电涡流会引起励磁线圈阻抗变化，通过检测电路测量线圈的阻抗即可获得被测物体与线圈之间的距离信息。位移与线圈阻抗之间的关系是高度非线性的，这是影响传感器测量精度的关键因素，目前常用软件或硬件方法进行补偿以提高线性度。

现有技术中根据传感器位移电压测量数据，通过模拟电路实现了相关函数运算功能，对传感器进行了非线性补偿电路设计。这些硬件补偿方法大大增加了检测电路复杂性，并且需要对每个传感器的特性进行标定确定补偿参数，限制了其应用范围。现有技术中也有利用二极管电流与电压特性进行校正的方法，具有电路简单的特点，但对二极管的参数具有严格要求，补偿效果仅能达到5％左右，现有技术也提出了通过改变振荡频率进行线性补偿电路，但对探头内温差变化的影响进行补偿。另外现有技术提出了通过软件进行非线性补偿的方法，这些方法都需要专门的模数转换电路以及数字信号处理器，大大增加了系统复杂性，并且会降低传感器动态响应特性。

针对上述所有问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路，通过简洁的办法解决电涡流位移传感器输出非线性问题。

本发明的技术解决方案是：一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路，包括频率源、激励源、励磁线圈、校正电路、放大电路、解调电路、滤波电路，其中

激励源电路，根据频率信号P1产生频率f、幅值固定的交流电压施加到励磁线圈；

励磁线圈，安装在电涡流位移传感器的探头上且与被测导体平行，探头在沿被测导体法线方向的位移X发生变化时励磁线圈的电感量也随之变化；电涡流位移传感器的量程为Xmin～Xmax；

校正电路将励磁线圈阻抗转化为交流电压信号V1输出；

放大电路对交流电压信号V1进行放大输出；

解调电路根据频率信号P2的频率f和相位θ对放大电路输出的电压信号进行解调；

滤波电路将解调后的电压信号进行低通滤波，从而获得直流检测电压Vo，通过选择电容C和电阻R的大小，并调节相位θ可以提高Vo与探头位移x之间的线性度。

优选的，所述校正电路由一个电阻R和一个电容C组成，其中

优选的，电容C与励磁线圈L并联，并联后一端G连接激励源，另一端连接电阻R；电阻R与L、C并联后的电路串联，电阻R另一端连接激励源Vs的另一端；校正电路输出为交流电压信号V1；

优选的，通过选择电容C和电阻R的大小，并调节相位θ，可以提高Vo与探头位移x之间的线性度。

校正电路由一个电阻R和一个电容C组成，具体要求为：

电容C与励磁线圈L并联，并联后一端G连接激励源，另一端连接电阻R；电阻R与L、C并联后的电路串联，电阻R另一端连接激励源Vs的另一端；校正电路输出为交流电压信号V1。

优选的，所述校正电路避免电涡流位移传感器输出非线性。

优选的，频率源产生的另一路频率信号P2作为解调信号，其相位θ能够调节。

优选的，频率源产生的另一路频率信号P2作为解调信号，其相位θ能够调节，是指：相位θ根据具体的励磁线圈电感量L与位移X的关系，能够在(90±30)°范围内进行调节。

优选的，相位θ能够在(90±30)°范围内进行调节，以使得电涡流位移传感器传感器获得最佳线性度。

优选的，所述电容C的容值优选为

其中L₀为探头与被测导体距离无穷远时励磁线圈的电感量，以提高非线性校正的效果。

优选的，所述电阻R阻值优选为

且

其中L₁为Xmax处励磁线圈的电感量，以提高非线性校正的效果。

所述相位θ根据具体电路参数进行调整，θ取值范围为(90±30)°。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明滤波电路将解调后的电压信号进行低通滤波，从而获得直流检测电压，该电压与探头位移成线性关系，解决电涡流位移传感器输出非线性问题。

(2)本发明将电涡流位移传感器非线性校正电路与信号检测电路充分结合，不需要增加额外的补偿电路和软件算法，可以直接提高传感器输出的线性度。

(3)本发明仅采用电阻电容等无源元器件，具有温度稳定、环境适应性好的优势，在航空航天、核工业等极端环境条件下达到了良好的效果。

附图说明

图1为本发明电路框图；

图2为本发明校正电路原理图；

图3为频率源电路原理图；

图4为励磁线圈电感与位移的关系示意图；

图5为解调电路原理图；

图6为检测电压与位移之间的关系示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路，包括频率源、激励源、励磁线圈、校正电路、放大电路、解调电路、滤波电路，其中，频率源产生一路频率信号P1送至激励源电路，同时产生另一路频率信号P2送至解调电路；激励源电路，根据频率信号P1产生频率f、幅值固定的交流电压施加到励磁线圈；励磁线圈，安装在电涡流位移传感器的探头上，位移发生变化时其阻抗也随之变化；校正电路与励磁线圈共同作用下，励磁线圈阻抗转化为交流电压信号；放大电路对交流电压信号进行放大；解调电路根据频率信号P2的频率f和相位θ对交流信号进行解调；滤波电路将解调后的电压信号进行低通滤波，从而获得直流检测电压，该电压与探头位移成线性关系，解决电涡流位移传感器输出非线性问题。

电涡流位移传感器用于测量探头与被测导体之间的距离，被测导体安装在运动部件上，或者是运动部件的一部分。当运动部件与探头之间的距离变化时，电涡流位移传感器输出的电压就随之变化，对该电压进行采集计算就可以获得运动部件的位移。如果输出电压与位移之间的不是简单的线性关系，往往导致计算出的位移测量结果存在较大偏差，影响传感器测量精度，而且复杂的计算过程需要花费较长时间，导致传感器的动态响应不满足要求。因此，非线性度是衡量电涡流位移传感器性能的重要指标之一，而且还有影响的传感器的动态特性。

本发明将电涡流位移传感器非线性校正电路与信号检测电路充分结合，不需要增加额外的补偿电路和软件算法，可以直接提高传感器输出的线性度，并且仅采用电阻电容等无源元器件，具有温度稳定、环境适应性好的优势，在航空航天、核工业等极端环境条件下达到了良好的效果。

本发明针对现有技术的不足，提出了一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路，结合解调相位调整，提高了电涡流位移传感器检测电路输出电压与检测位移之间的线性度，从而实现了电涡流位移传感器精度的提升。本发明没有改变利用电涡流效应进行阻抗检测的基本工作方式，但所提出的校正电路组成、参数选择、解调信号的相位与现有技术差别很大。下面结合附图对本发明系统进行详细说明。

如图1所示，为本发明一种电涡流位移传感器非线性校正电路原理框图，包括频率源1、激励源2、励磁线圈3、校正电路4、放大电路5、解调电路6、滤波电路7，其中

如图2所示，频率源1进一步优选由时钟、电阻、电容、缓冲器组成，时钟产生一路频率信号P1，其频率为f，相位为0，用于激励源电路；经过电阻、电容、缓冲器产生另一路频率信号P2，其频率为f，相位为θ，用于解调电路。通过调节电阻阻值可使得P2相对P1的相位θ在(90±30)°范围内变化。在进一步优选方案中频率f优选为500kHz。

激励源2产生与P1同频同相的幅值恒定的正弦电压信号Vs，需说明的是，当Vs与P1有相位差时，P2应以Vs作为参考保持相位θ在(90±30)°范围内，设计人员可通过不同电路形式实现本发明的意图。

如图3所示，校正电路4由一个电阻R和一个电容C组成，其中电容C与励磁线圈3并联，并联后一端G连接激励源，另一端连接电阻R；电阻R与L、C并联后的电路串联，电阻R另一端连接激励源Vs的另一端；

校正电路的电阻阻值和电容容值与励磁线圈电感之间的优选关系，进一步提高了电涡流位移传感器电路非线性校正精度，优选方案为：

设电涡流位移传感器的量程为Xmin～Xmax；Xmin为量程最小值，Xmax为量程最大值。

电容C的容值优选为

其中L₀为探头与被测导体距离无穷远时励磁线圈的电感量；

电阻R阻值优选为

且

其中L₁为Xmin处励磁线圈的电感量，以提高非线性校正的效果。

图4是励磁线圈的电感与位移之间的关系，图中L₀为无被测物体(即被测物体距离励磁线圈无穷远)时励磁线圈的电感量，在一个优选方案中L₀＝22.82μH。电容C的容值优选为

所述电阻R阻值选择为3kΩ。以进一步提高非线性校正的效果。

从图4可以看出，直接检测励磁线圈的电感量，或者在图3所示的校正电路中仅采用电阻，传感器输出结果与位移之间是高度非线性的，传感器存在很大的测量误差。

放大电路5采用运算放大器进行同相放大，放大倍数为50；

解调电路6如图5所示，进一步优选是由运算放大器组成的反相器和单刀双掷开关组成；开关触点位置受解调信号P2控制，当P2为高电平时，开关位于触点1位置，输出电压与输入电压相同；当P2为低电平时，开关位于触点2位置，输出电压为输入电压的反相。输入信号与P2频率相同，调节P2的相位就可以调节输出信号与输入信号同相或正交分量的大小，以提高非线性校正的效果。

滤波电路7采用无源滤波或有源滤波均可，得到传感器输出的检测电压Vo，检测电压Vo与位移x之间的关系如图6所示，其非线性度小于1％。

本发明提出的一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路将非线性校正与信号检测电路充分结合，选择合适的电阻、电容参数，适当调整解调信号相位，可以大幅度提高电涡流位移传感器输出电压的线性度。

实现线性度提高的进一步方案：设励磁线圈的直径为D，量程为L＝Xmax～Xmin，满足0.1*D<L<0.3*D优选条件，电涡流位移传感器的线性度可以进一步提高；在上述实施例中，采用优选方案时非线性度可以达到0.5％，更进一步提高非线性校正的效果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路，其特征在于：包括频率源、激励源、励磁线圈、校正电路、放大电路、解调电路、滤波电路；

频率源产生一路频率信号P1，其频率为f，相位为0，送至激励源电路，同时，频率源产生另一路频率信号P2，其频率为f，相位为θ，送至解调电路；

激励源电路，根据频率信号P1产生频率f、幅值固定的交流电压施加到励磁线圈；

励磁线圈，安装在电涡流位移传感器的探头上且与被测导体平行，探头在沿被测导体法线方向的位移X发生变化时励磁线圈的电感量也随之变化；

校正电路将励磁线圈阻抗转化为交流电压信号V1输出；

放大电路对交流电压信号V1进行放大输出；

解调电路根据频率信号P2的频率f和相位θ对放大电路输出的电压信号进行解调；

滤波电路将解调后的电压信号进行低通滤波，从而获得直流检测电压Vo，该电压与探头位移成线性关系。

2.根据权利要求1所述的一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路，其特征在于：校正电路由一个电阻R和一个电容C组成，具体要求为：

电容C与励磁线圈L并联，并联后一端G连接激励源，另一端连接电阻R；电阻R与L、C并联后的电路串联，电阻R另一端连接激励源Vs的另一端。

3.根据权利要求1所述的一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路，其特征在于：频率源产生的另一路频率信号P2作为解调信号，其相位θ能够调节，是指：相位θ根据具体的励磁线圈L电感量与探头在沿被测导体法线方向的位移X的关系，能够在90°±30°范围内进行调节。

4.根据权利要求3所述的一种具有非线性校正功能的电涡流位移传感器电路，其特征在于：相位θ能够在90°±30°范围内进行调节，以使得电涡流位移传感器获得最佳线性度。

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