CN113483650A - 一种新型电涡流传感器测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型电涡流传感器测量方法，对双线圈电涡流传感器输出信号进行调理，以获得调频波，并改进调频波计数算法，对调频波进行解调。在获得调频波时，加入模拟开关设计相应的调频测量电路，使用模拟开关分时选通参考线圈和测量线圈进行解调测量，解决了常规的调频式系统无法对存在相连公共端的双线圈电涡流传感器进行解调的问题，通过对参考线圈和测量线圈解调测量结果进行差动计算，有效降低环境干扰以及系统的温漂，提高系统测量性能；在对调频波计数算法改进时，结合本地时钟大幅提高脉冲计数的精度，进而提高了解调精度，时钟频率越高，解调精度越高，在解决问题的同时还兼顾了设计成本控制，具有更高的实用及推广价值。

Description

一种新型电涡流传感器测量方法

技术领域

本发明属于电涡流传感器测量领域，具体涉及一种新型电涡流传感器测量方法，通过改进测量电路和算法，提高了电涡流传感器的测量精度。

背景技术

电涡流传感器能够静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力测量被测金属导体距探头表面的距离，且动态响应特性好，灵敏度高、工作稳定可靠，在民用、军用均具有广泛的应用，尤其在航天领域，作为微位移测量的一种手段，应用前景广阔，同时也对系统的测量性能提出了更高的要求。

提高测量性能主要从提高测量精度以及提高温度稳定性2个方面进行改进，下面对这几个方面目前存在的问题进行说明：

在测量精度方面，电涡流传感器的测量方式主要有调幅式、调频式和调幅调频式三种，其中调频式测量系统由于结构简单、温度特性好、不易受干扰、成本较低、适用于数字化集成被广泛使用，是一种常用的测量方式。但调频式测量系统通常所使用的的调频波计数算法存在计数误差大的缺点，会导致测量精度较差。

在温度稳定性方面，电涡流传感器可以通过使用双线圈的形式达到减小温漂的目的，双线圈分别为参考线圈和测量线圈，通过两个线圈测量值差动可以消除温度变化的影响。但很多高性能双线圈传感器(如卡曼公司)的两个线圈存在相连的公共端，导致常规的调频式系统无法对双线圈进行解调，无法发挥双线圈温漂小的优势。

在现有设计中，由于使用了常规的调频式系统，结果导致参考线圈测量值与测量线圈测量值结果相同，无法进行差动计算消除温漂影响。在后端解调中，使用常规频率计数方法，导致存在±1个脉冲误差，影响测量精度。而尝试通过设计复杂电路如桥式电路等解决温漂以及采设计游标法(电路复杂)提高测量精度，则会带来设计成本明显较高。为此，亟待提出一种新的电涡流传感器测量方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明为了提高电涡流测量系统的测量精度性能，提出一种新型电涡流传感器测量方法，以提高电涡流传感器测量的精度，降低测量系统的温漂，有效提高了系统的测量性能，同时降低了系统成本。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种新型电涡流传感器测量方法，包括以下步骤：

步骤1、设计调频测量电路，对电涡流传感器输出信号进行调理，以获得调频波；

所述调频测量电路包括电涡流传感器、模拟开关以及调频电路，所述调频电路包括谐振电路和解调电路，模拟开关连接在电涡流传感器和调频电路之间，模拟开关输入端分别连接电涡流传感器的参考线圈和测量线圈，电涡流传感器的线圈公共端与谐振电路相连，通过控制模拟开关分时选通参考线圈和测量线圈，由后端的调频电路进行分时解调；

步骤2、改进调频波计数算法，对步骤1所获得的调频波进行解调：

1)程序开始运行，判断是否有采样时钟，判断出采样时钟后，开始进行本地高频时钟计数；

2)判断调频波的上升沿后，记录此时本地高频时钟计数值，作为N1；

3)开始对调频波的整脉冲数进行计数，并记录每个整脉冲时间内的本地高频时钟数；直到判断出下一个采样时钟后，记录整脉冲个数N；

4)对每个整脉冲时间内的本地高频时钟数进行均值计算，得到N3；

5)计算最后一个非整数脉冲时间下的本地高频时钟数N2；

6)通过公式N+(N1+N2/N3)得到完整的调频波脉冲数。

进一步的，所述步骤1中，电涡流传感器分时测量原理为：

1)控制模拟开关选通测量线圈所在通道，使测量线圈与后端调频电路相连，对测量线圈进行解调；

2)控制模拟开关选通参考线圈所在通道，使参考线圈与后端调频电路相连，对参考线圈进行解调；

3)对测量线圈和参考线圈的调频结果进行差动计算，即得到最终的电涡流调频结果。

进一步的，步骤1所述模拟开关采用低导通阻抗模拟开关

与常规技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案通过对前端测量电路进行改进，使用模拟开关分时选通参考线圈和测量线圈进行解调测量，解决了常规的调频式系统无法对存在相连公共端的双线圈电涡流传感器进行解调的问题，通过对参考线圈和测量线圈解调测量结果进行差动计算，有效降低环境干扰以及系统的温漂，提高系统测量性能。该方案由于使用了模拟开关进行分时选通，后端解调电路可以共用，有效降低了系统成本。

另外，对后端调频波计数算法进行了同步改进，结合本地时钟大幅提高脉冲解算的精度，进而提高了解调精度，时钟频率越高，解调精度越高，时钟的提高可以通过选用高频率晶振轻松解决，相比改进传感器及改进解调电路可大幅降低成本。另外，该算法相比较于频率时钟比较法可以消除时钟自身存在的漂移(长时漂移和温度漂移)带来的影响，即不使用高性能晶振或恒温晶振等也能实现高精度、高可靠计频，大幅降低了成本。

附图说明

图1为本发明实施例所述电涡流传感器分时测量电路示意图；

图2为本发明实施例电涡流传感器分时测量流程示意图；

图3为本发明实施例调频波脉冲计数示意图；

图4为本发明实施例调频波脉冲数计算流程图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

本实施例提出一种新型电涡流传感器测量方法，包括：

步骤1、对双线圈电涡流传感器输出信号进行调理，以分别获得两个线圈的调频波；

步骤2、对步骤1所获得的调频波进行计数解调。

本实施例方法具体解决了以下两个问题：

第一、解决现有的调频式系统无法对存在相连公共端的双线圈电涡流传感器进行解调的问题，实现了双线圈电涡流传感器的解调，使电涡流传感器测量系统可以适应所有的电涡流传感器，同时简化了电路，降低了系统成本；

第二、通过改进调频波计数算法，提高了对电涡流传感器输出信号的解调精度，提高了系统测量精度，同时消除了时钟自身漂移(长时漂移和温度漂移)带来的影响，降低了系统成本。

具体的，下面对方案进行详细介绍：

步骤1、对双线圈电涡流输出信号进行调理，以分别获得两个线圈的调频波：

针对存在相连公共端的双线圈电涡流传感器测量，其关键在于如何实现正确对两个线圈进行调理和解调。如果分别对电涡流传感器两个线圈进行调频解调，经过尝试和验证，发现由于两个线圈存在公共端，会导致两个线圈产生的调频波完全一致，故而无法进行差动计算，无法消除温度影响。因此，如何在对两个线圈进行测量的过程使其相互隔离，不相互影响成为电涡流信号调理电路的关键点和难点。而模拟开关可以实现对不同路输入信号的分时选通，各通路之间相互隔离，因此选用模拟实现两个线圈隔离解调。但由于在线圈和谐振电路之间加入任何电路都有可能影响调频波输出结果。经过实验验证，模拟开关的导通阻抗越小，其对调频波输出结果的影响也就越小，因此需要使用低导通阻抗的模拟开关。

根据上述经历，本实施例提出一种电涡流传感器调频测量电路，如图1所示，包括电涡流传感器(存在相连公共端的双线圈电涡流传感器)、模拟开关以及调频电路，所述调频电路包括谐振电路和解调电路，本方案在电涡流传感器和调频电路之间使用低导通阻抗模拟开关，模拟开关输入端分别连接电涡流传感器的参考线圈和测量线圈，电涡流传感器的线圈公共端与谐振电路相连，通过控制模拟开关分时选通参考线圈和测量线圈，由谐振电路产生调频波，再由后端的调频电路进行分时解调，解调后对两个线圈的结果进行差动计算即可实现对存在相连公共端的双线圈电涡流传感器调频测量。通过提高模拟开关切换频率，可以忽略模拟开关切换带来的两个线圈调频时间差。

模拟开关的通道选通控制一般由处理器或PFGA实现，通过处理器或PFGA输出控制信号对模拟开关各输入通道进行分时选通输出，实现传感器参考线圈和测量线圈与后端谐振电路分时连通，如图2所示，电涡流传感器分时测量流程为：

1)控制模拟开关选通测量线圈所在通道，使测量线圈与后端谐振电路相连，解调电路对其测量线圈输出的调频波进行解调；

2)控制模拟开关选通参考线圈所在通道，使参考线圈与后端谐振电路相连，解调电路对参考线圈输出的调频波进行解调；

3)对测量线圈和参考线圈输出的调频波的调频结果进行差动计算，即得到最终的电涡流调频结果。

由于模拟开关的参与，在调频过程中参考线圈和测量线圈相互隔离，实现了对存在相连公共端的双线圈电涡流传感器中两个线圈的差动调频测量，通过差动计算，大幅降低了温度变化对测量结果的影响，提高了测量系统的性能。并且由于使用了模拟开关还使参考线圈和测量线圈可以共用一套谐振电路和解调电路，简化了电路形规模，降低了系统成本。

步骤2、改进调频波计数算法，提高对调频波的解调精度：

调频式测量系统对调频电路的输出脉冲进行计数和解算，得到测量数据。考虑到普通的解调算法中会存在±1个脉冲的解调误差，这个误差会直接影响测量精度。如果提高调频波输出频率，通过降低单个脉冲所占比重也可以降低解调误差，但受限于电涡流传感器和调频电路特性，输出的脉冲频率无法做到很大。因此，如何提高调频波的计数精度使其能够精确至±1个脉冲以下成为提高调频式测量系统测量精度的关键点和难点。提高调频波计数精度，需要将不足1个脉冲的部分进行精确计数，因此，结合本地时钟进行解调，但不是将调频波与本地时钟进行比较得到脉冲数，因为这样会引入本地时钟各种漂移(长时漂移和温漂)带来的误差，而是将本地时钟作为媒介，分别对不足1个脉冲时间内的本地时钟数量和采样周期内单个整脉冲时间内的本地时钟数量的均值进行统计，即可得到不足1个脉冲与整脉冲相比所占比重，该部分结果作为1个脉冲以下计数值，再与整脉冲计数值相加即可得到精确的调频波时钟计数。

本实施例提出一种电涡流传感器测量方法，对调频波脉冲解调算法进行了改进，使用本地高频率时钟参与脉冲解算，可以有效提高解调精度，提高系统性能。该算法可以忽略本地高频时钟漂移(长时漂移和温漂)对测量精度带来的影响，仅需使用普通晶振即可实现，避免使用昂贵的高性能晶振或恒温晶振，降低了系统成本。

该方法进行脉冲解算可分别得到整数脉冲计数值和非整数脉冲计数值。整数脉冲计数值分通过脉冲计数得到，非整数脉冲计数值可使用本地高频率时钟对非整数脉冲进行分解，计算出非整数脉冲里包含的本地高频时钟的个数，同时也对完整脉冲所包含的本地高频时钟个数进行统计和均值计算，然后将非整数脉冲中本地高频时钟个数与完整脉冲中本地高频时钟个数进行除法运算即可得到非整数脉冲计数的具体值。整数脉冲计数值加非整数脉冲计数值即可得到完整的调频波脉冲数计数。

如图3所示，从上至下分别为调频波脉冲、本地高频时钟、采样时钟(根据采样时钟启动时钟计数)，需要计算相邻采样时钟间隔内的调频波脉冲数量，包括以下参数计算：1)通过脉冲计数得到整数脉冲数N；2)计算得到整数脉冲前部的非整数部分中包含的本地高频时钟数N1；3)计算得到整数脉冲后部的非整数部分中包含的本地高频时钟数N2；4)计算得到单整调频波脉冲所包含的本地高频时钟数并进行均值计算N3；5)根据公式(N1+N2)/N3，即得到非整数脉冲数。

具体的，如图4所示，调频波脉冲数计算流程图：

1)程序开始运行，判断是否有采样时钟；

2)判断出采样时钟后，开始进行本地高频时钟计数；

3)判断调频波的上升沿后，记录此时的本地高频时钟计数值，作为N1；

4)开始对调频波的整脉冲数进行计数，并记录每个整脉冲时间内的本地高频时钟数；

5)直到判断出下一个采样时钟后，记录整脉冲个数N；

6)对每个整脉冲时间内的本地高频时钟数进行均值计算，得到N3；

7)计算最后一个非整数脉冲时间下的本地高频时钟数N2；

8)通过公式N+(N1+N2/N3)得到完整的调频波脉冲数。

综上可知，本发明从提高测量精度和提高温度稳定性两个方面着手，分别对前端解调电路和后端解调算法进行了改进，有效提高了测量系统的性能，同时也降低了系统成本，解决了常规的调频式系统无法对存在相连公共端的双线圈电涡流传感器进行解调的问题和调频式测量计频精度较低的问题，在解决问题的同时还兼顾了系统成本控制，具有更高的实用及推广价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种新型电涡流传感器测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设计调频测量电路，对电涡流传感器输出信号进行调理，以获得调频波；

所述调频测量电路包括电涡流传感器、模拟开关以及调频电路，所述调频电路包括谐振电路和解调电路，模拟开关连接在电涡流传感器和调频电路之间，模拟开关输入端分别连接电涡流传感器的参考线圈和测量线圈，电涡流传感器的线圈公共端与谐振电路相连，通过控制模拟开关分时选通参考线圈和测量线圈，由后端的调频电路进行分时解调；

步骤2、改进调频波计数算法，对步骤1所获得的调频波进行解调：

1)程序开始运行，判断是否有采样时钟，判断出采样时钟后，开始进行本地高频时钟计数；

2)判断调频波的上升沿后，记录此时本地高频时钟计数值，作为N1；

3)开始对调频波的整脉冲数进行计数，并记录每个整脉冲时间内的本地高频时钟数；直到判断出下一个采样时钟后，记录整脉冲个数N；

4)对每个整脉冲时间内的本地高频时钟数进行均值计算，得到N3；

5)计算最后一个非整数脉冲时间下的本地高频时钟数N2；

6)通过公式N+(N1+N2/N3)得到完整的调频波脉冲数。

2.根据权利要求1所述的新型电涡流传感器测量方法，其特征在于：所述步骤1中，电涡流传感器分时测量原理为：

1)控制模拟开关选通测量线圈所在通道，使测量线圈与后端调频电路相连，对测量线圈进行解调；

2)控制模拟开关选通参考线圈所在通道，使参考线圈与后端调频电路相连，对参考线圈进行解调；

3)对测量线圈和参考线圈的调频结果进行差动计算，即得到最终的电涡流调频结果。

3.根据权利要求1所述的新型电涡流传感器测量方法，其特征在于：步骤1所述模拟开关采用低导通阻抗模拟开关。

Images