CN113983918A - 电涡流传感器检测电路、电涡流传感器及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电涡流传感器检测电路，包括脉冲发生电路、脉冲放大电路、线圈模块、信号传输模块和处理模块；线圈模块包括激励线圈、传感线圈、采样电阻；传感线圈和采样电阻形成第一信号衰减回路；处理模块触发脉冲发生电路产生脉冲信号；脉冲放大电路将所述脉冲信号进行放大处理后输入所述激励线圈；所述激励线圈产生磁场；所述传感线圈在所述磁场的激励下产生激励电流信号，所述激励电流信号在第一信号衰减回路内衰减；所述信号传输模块对所述采样电阻采样到的电压信号进行处理，并将处理后的电压信号传输给所述处理模块；处理模块根据获得的信号数据计算所述激励电流信号的衰减时间常数，并根据所述衰减时间常数计算所述传感线圈的电感值。
Description
技术领域
本发明实施例涉及位移精密测量技术，尤其涉及一种电涡流传感器检测电路、电涡流传感器及其数据处理方法。
背景技术
随着精密制造和高精密仪器的发展，现在高端制造业对于设备运动精度和控制精度的要求越来越高。比如现在高集成度芯片制造所需要的光刻机普遍要求5nm以上的运动精度。传统的高精度位移传感器如电容位移传感器、电感位移传感器等，都容易受环境的影响而降低传感器本身的精度，很难在各种现实工况下保持高精度的工作。激光位移传感器成本高并且体积大，很难集成到对空间要求极高的光刻机中。
由于体积小、精度高且不易受环境因素影响，在光刻机运动台、高精度天文望远镜等领域，电涡流传感器被越来越多的用作高精度位移传感器。电涡流传感器是以电磁感应原理为基础的一种无损检测用传感器，其广泛应用于工业自动化、机械制造、航空航天等领域。
传统的电涡流传感器，通常采用谐振法、电桥法等结构，获得电涡流传感器的某个参数(如传感线圈的电感或回波幅值)，再利用该参数与距离(这里的距离指电涡流传感器探头与被测目标之间的距离)的标定关系，求得当前电涡流传感器探头与被测目标之间的实际距离。其电路设计较复杂，对电子元件精度要求很高。
发明内容
本发明实施例提供一种电涡流传感器检测电路、电涡流传感器及其数据处理方法，与传统的电涡流传感器相比，本发明整体电路设计以及数据处理方法更加简单，容易实现。
第一方面，本发明实施例提供一种电涡流传感器检测电路，包括：
脉冲信号发生模块、线圈模块、信号传输模块和处理模块；
所述脉冲信号发生模块的输入端与所述处理模块连接，输出端与所述线圈模块连接，所述脉冲信号发生模块包括脉冲发生电路和脉冲放大电路；
所述线圈模块包括激励线圈和第一信号衰减回路；所述激励线圈与所述脉冲放大电路的输出端连接；
所述第一信号衰减回路与所述信号传输模块连接；所述信号传输模块与所述处理模块连接；所述第一信号衰减回路包括传感线圈和采样电阻，所述采样电阻并联在所述传感线圈的两端；
所述处理模块触发所述脉冲发生电路产生脉冲信号；所述脉冲放大电路将所述脉冲信号进行放大处理后输入所述激励线圈；所述激励线圈产生磁场，对所述传感线圈进行激励；所述传感线圈在所述磁场的激励下产生激励电流信号，所述激励电流信号在所述第一信号衰减回路内衰减；所述信号传输模块对所述采样电阻采样到的电压信号进行放大和滤波处理，并将处理后的电压信号传输给所述处理模块；所述处理模块根据获得的信号数据计算所述激励电流信号的衰减时间常数，并根据所述衰减时间常数计算所述传感线圈的电感值。
可选的，所述线圈模块还包括筒状骨架，所述激励线圈和所述传感线圈紧密贴靠，且按相同的方向绕制在所述筒状骨架上。
可选的，所述脉冲信号发生模块还包括电流衰减电路；
所述脉冲放大电路和所述激励线圈均与所述电流衰减电路连接；所述电流衰减电路包括下降沿触发器、转换开关和电流衰减旁路；
所述脉冲放大电路、所述下降沿触发器、所述转换开关、所述激励线圈依次连接；所述电流衰减旁路与所述激励线圈并联，二者形成第二信号衰减回路；
其中，所述电流衰减旁路包括电阻R7和二极管D1，电阻R7和二极管D1串联，所述下降沿触发器在所述脉冲放大电路输出的脉冲信号进入下降沿时，控制所述转换开关关断，所述激励线圈内的电流在所述第二信号衰减回路内衰减至零。
可选的，所述脉冲信号的脉冲宽度小于10μs，所述脉冲信号的上升时长小于500ns，下降时长小于1μs。
可选的，所述信号传输模块包括至少一个滤波电路和放大电路；
至少一个所述滤波电路连接于所述放大电路和所述处理模块之间，所述滤波电路将所述放大电路放大后的信号滤波后传输至所述处理模块。
可选的，所述处理模块根据L＝t0(RI+RS)计算所述传感线圈的电感值；
其中，RI为所述传感线圈的内阻值，RS为所述采样电阻的阻值，L为所述传感线圈的电感值，t0为所述激励电流信号的衰减时间常数。
可选的，所述采样电阻的阻值为1mΩ～1Ω，所述滤波电路为低通滤波器，所述低通滤波器的上限截止频率位于1MHz～2MHz之间。
可选的，所述处理模块包括模数转换单元和数据处理单元；
所述模数转换单元将所述信号传输模块传输的模拟信号转换为数字信号，并发送给所述数据处理单元；
所述数据处理单元根据所述数字信号计算所述激励电流信号的衰减时间常数，并根据所述衰减时间常数计算所述传感线圈的电感值。
第二方面，本发明实施例还提供一种电涡流传感器，包括：上述任意一项所述的电涡流传感器检测电路。
第三方面，本发明实施例还提供一种电涡流传感器的数据处理方法，适用于上述的电涡流传感器，该数据处理方法通过所述处理模块执行，所述数据处理方法包括：
S1、获取所述信号传输模块传输的信号数据；所述信号数据为模拟信号；
S2、将步骤S1获得的模拟信号数据转换为数字信号；
S3、对步骤S2获得的数字信号进行数据异常点剔除；
S4、对步骤S3得到的数据进行去偏置处理；
S5、对步骤S4得到的数据进行数据滤波处理；
S6、基于步骤S5所获得的数据，计算时间衰减常数；
S7、根据L＝t0(RI+RS)计算所述传感线圈的电感值；
其中，RI为所述传感线圈的内阻值，RS为采样电阻阻值，L为传感线圈电感值，t0为所述激励电流信号的衰减时间常数。
可选的，步骤S3进一步包括：
基于步骤S2获得的数据，根据3σ准则法剔除其数据序列里面的异常数据点。
可选的，步骤S4进一步包括：
基于步骤S3获得的数据，计算位于其最后20％数据长度内的所有数据点的平均值；将所述平均值作为采样失调电压，对步骤S3获得的数据进行去偏置处理。
可选的，步骤S6进一步包括：
基于S5所获得的数据，从其数据序列前端开始，选取50％～80％的数据长度内的所有数据点作为待处理数据；
对所述待处理数据取对数运算并进行线性拟合，得到时间衰减常数。
本发明实施例提供的电涡流传感器检测电路，包括脉冲信号发生模块、线圈模块、信号传输模块和处理模块；脉冲信号发生模块包括脉冲发生电路和脉冲放大电路，处理模块触发脉冲发生电路产生脉冲信号；线圈模块包括激励线圈和第一信号衰减回路，第一信号衰减回路包括激励线圈、传感线圈、采样电阻。脉冲放大电路将脉冲信号进行放大处理后输入激励线圈，激励线圈产生磁场，使得传感线圈产生激励电流信号，激励电流信号在第一信号衰减回路内衰减，信号传输模块对采样电阻采样到的电压信号进行放大和滤波处理；通过处理模块根据激励电流信号的变化得出激励电流信号的衰减时间常数，根据衰减时间常数计算传感线圈的电感值。与传统的电涡流传感器相比，本发明整体电路设计以及数据处理方法更加简单，容易实现。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种电涡流传感器检测电路的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的第一信号衰减回路等效图及电压衰减曲线示意图；
图3为本发明实施例一提供的一种线圈模块的激励线圈和传感线圈的剖面结构示意图；
图4为本发明实施例一提供的一种电涡流传感器检测电路的电路连接示意图；
图5为本发明实施例一提供的一种电涡流传感器的数据处理方法的流程示意图；
图6为本发明实施例二提供的一种电涡流传感器检测电路的结构示意图；
图7为本发明实施例二提供的一种电涡流传感器检测电路的电路连接示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10—脉冲信号发生模块 11—脉冲发生电路 12—脉冲放大电路
13—电流衰减电路 131—下降沿触发器 132—转换开关
133—电流衰减旁路 20—线圈模块 21—激励线圈
22—第一信号衰减回路 221、L2—感应线圈 222、R1—采样电阻
201—筒状骨架 202—第一漆包线 203—第二漆包线
30—信号传输模块 31—滤波电路 31a—第一滤波电路
31b—第二滤波电路 32—放大电路 40—处理模块
R1～R5、R7～R8、R10～R14—电阻 U2A、U3B—或非门
C1～C4—电容 Q1、Q2—晶体管 D1—二极管
L1—激励线圈电感 R9—激励线圈内阻 d1—线圈外径
d2—线圈高度
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种电涡流传感器检测电路的结构示意图，本实施例可适用于各种半导体设备中，比如光刻机中，用于实现位移测量或厚度测量。
参考图1，实施例一的电涡流传感器检测电路包括脉冲信号发生模块10、线圈模块20、信号传输模块30和处理模块40；脉冲信号发生模块10的输入端a与处理模块40连接，输出端b与线圈模块20连接，脉冲信号发生模块10包括脉冲发生电路11和脉冲放大电路12，脉冲发生电路11的输出端c与脉冲放大电路12连接；线圈模块20包括激励线圈21和第一信号衰减回路22，激励线圈21与脉冲放大电路12的输出端b连接；第一信号衰减回路22与信号传输模块30连接；信号传输模块30与处理模块40连接；第一信号衰减回路22包括传感线圈221和采样电阻222，采样电阻222并联在传感线圈221的两端；处理模块40触发脉冲发生电路11产生脉冲信号，脉冲放大电路12将该脉冲信号进行放大处理后输入激励线圈21，激励线圈21产生磁场，对传感线圈221进行激励；传感线圈221在该磁场的激励下产生激励电流信号，激励电流信号在第一信号衰减回路22内衰减，其中采样电阻222采样到的电压信号为传感线圈221和采样电阻222并联的两端的电压信号；信号传输模块30对采样电阻222采样到的电压信号进行放大和滤波处理，并将处理后的电压信号传输给处理模块40；处理模块40根据获得的信号数据计算激励电流信号的衰减时间常数，并根据衰减时间常数计算传感线圈221的电感值。
本实施例中，采样电阻222可以控制在毫欧量级，过大或者过小都不利于信号的采集，较佳地，采样电阻222的阻值为1mΩ～1Ω。
本实施例中，处理模块40包括模数转换单元41和数据处理单元42；模数转换单元41将信号处理模块30传输的模拟信号转换为数字信号，并发送给数据处理单元42；数据处理单元41根据数字信号计算激励电流信号的衰减时间常数，并根据衰减时间常数计算传感线圈221的电感值。
其中，模数转换单元41和数据处理单元42可以作为两个独立的装置出现，例如数据处理单元42可以选用MCU，MCU可以采用采样率较高、MIPS较高的STM32，如STM32F4系列，采样率高达2.4MSa/s；模数转换单元41可以选用高采样率的模数转换器ADC，可选的，ADC采样率大于1MSa/s，精度大于等于12位。
模数转换单元41和数据处理单元42也可以通过一个单独的MCU同时实现这两种功能，例如，使用单片机STM32F2同时实现了AD转换和数据处理的功能。
本实施例中，处理模块40根据L＝t0(RI+RS)计算传感线圈221的电感值；其中，RI为传感线圈221的内阻值，RS为采样电阻222的阻值，L为传感线圈221的电感值，t0为激励电流信号的衰减时间常数。
且处理模块40还包括触发模块，触发模块实现对脉冲发生电路11施加高电平触发或低电平触发，在高电平条件下脉冲发生电路11产生脉冲信号，具体地触发模块包括软件控制器和微处理芯片，通过软件控制器使得微处理芯片引脚上的输出电平来控制脉冲发生电路11的触发。
图2为本发明实施例一提供的第一信号衰减回路等效图及电压衰减曲线示意图，其中左侧为等效电路，右侧曲线为电流自衰减曲线，不同的衰减曲线代表回路中传感线圈221的电感值L的变化(图2中仅示意性示出一条衰减曲线)。图中，RI为传感线圈221的内阻值，RS为采样电阻222的阻值，L为传感线圈221的电感值，U为采样电阻采样到的电压，t表示时间。
在得到传感线圈221的电感值L后，再利用传感线圈221的电感值L与距离(这里的距离指电涡流传感器探头与被测目标之间的距离)的标定关系，求得当前电涡流传感器探头与被测目标之间的实际距离。
传感线圈221的电感值L和距离D的关系可用多项式D＝y(L)拟合关系曲线表示，或建立映射表表示传感线圈221的电感值和距离的关系；在标定过程中记录不同距离时对应的电感值，这两组数据具备一一对应关系，据此建立映射表；由映射表反映二者的标定关系。具体实施例中，可将二者标定关系预存到处理模块40中，处理模块40根据标定关系得到当前电涡流传感器探头与被测目标之间的实际距离。依据两个参数的标定关系，通过其中一个参数求另一个参数实际数值，是本领域常用的现有技术，这里不再进一步赘述。
图3为本发明实施例一提供的一种线圈模块的激励线圈和传感线圈的剖面结构示意图。其中，线圈模块20还包括筒状骨架201，传感线圈和激励线圈紧密贴靠，且按相同的方向绕制在筒状骨架201上。本实施例中，激励线圈21为第一漆包线202，传感线圈221为第二漆包线203。其中，第一漆包线202和第二漆包线203需紧密贴靠，绕制的线不可在筒状骨架201上松动。绕制的线圈形状均呈扁平状，线圈外径d1远大于线圈厚度d2，这样有利于提高电涡流传感器的灵敏度，这里的线圈是指两根漆包线绕制完成后的整个线圈。可选的，第一漆包线202和第二漆包线203为自粘铜芯漆包线。筒状骨架201选择无磁性、电导率低、热膨胀系数低、弹性模量大的材料，例如以聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺等材料为代表的特种功能塑料材料。具体的，在某一实施例中，线圈采用50μm的铜芯漆包线绕制，线圈厚度200μm，两个线圈(传感线圈和激励线圈)的电感均为50μH。将绕制好的扁平状的两个线圈(传感线圈和激励线圈)灌封在环氧树脂中。本实施例提供的线圈绕制方式方向相同，可以提高两个线圈(传感线圈和激励线圈)之间的耦合效率和激励效果，且使用骨架而非磁芯，可以提高传感器灵敏度和测量范围，减小传感器尺寸。
图4为本发明实施例一提供的一种电涡流传感器的电路连接示意图。
其中，处理模块40采用单独的MCU，完成模数转换单元和数据处理单元的功能，且能够对所述脉冲发生电路施加高电平触发，在高电平条件下脉冲发生电路11产生脉冲信号。
线圈模块20包括激励线圈21和第一信号衰减回路22。激励线圈21在图4中是由两部分表示的，L1表示激励线圈21的电感，R9表示激励线圈21的内阻。第一信号衰减回路22包括传感线圈L2(对应221)、采样电阻R1(对应222)。R1并联在L2的两侧。需要说明的是，传感线圈221同样有电感和内阻，这里仅由L2表示。
其中，脉冲信号发生模块10的脉冲发生电路11形成窄脉冲信号，脉冲放大电路12对脉冲发生电路11输出的窄脉冲信号进行放大后输入到激励线圈21中。具体实施时，可以通过或非门和RC积分电路形成脉冲发生电路11。如图4，该脉冲发生电路11包括电阻R14、电阻R13、电容C4、或非门U2A和或非门U3B，其中电阻R14的第一端、或非门U2A的第一输入端和或非门U3B的第一输入端均与输入端a(对应图1中脉冲发生电路11的输入端a)连接，电阻R14的第二端分别与电阻R13的第一端、电容C4的第一端、或非门U3B的第二输入端连接，电阻R13的第二端和电容C4的第二端接地，或非门U3B的输出端与或非门U2A的第二输入端连接；或非门U2A的输出端与输出端c(对应图1中脉冲发生电路11的输出端c)连接。或非门U2A和或非门U3B可以采用74HC02N，通过调整R14、R13、C4的大小，可以调整脉冲发生电路11输出的脉冲信号的脉冲宽度，从而获取窄脉冲信号。较佳地，脉冲发生电路输出的窄脉冲信号满足：脉冲宽度小于10μs，脉冲信号的上升时长小于500ns，下降时长小于1μs。满足上述条件的窄脉冲信号可提高处理模块40的数据读取速度，加快电涡流传感器的测量进程。
其中，脉冲放大电路12包括电容C3、电阻R11、电阻R12和晶体管Q2，其中C3和R11并联，连接于U2A和Q2之间，C3和R11的第一端与或非门U2A的输出端连接，第二端和Q2的基极连接，Q2的集电极通过分压电阻R12与电源电压VCC连接，发射极接地。需要说明的是，在其他实施例中，也可以不使用电容C3，同样可以达到放大脉冲信号的作用，但使用了电容C3具有稳定信号的作用。这里的电路结构仅为举例，脉冲放大电路12也可以采用其他高频功率放大电路，只要满足响应快、带宽大的需求即可。
参见图4，信号传输模块30包括第一滤波电路31a、放大电路32和第二滤波电路31b；第一滤波电路31a连接于放大电路32和处理模块40之间，第一滤波电路31a将放大电路32放大后的信号滤波后传输至处理模块40。第二滤波电路31b连接于线圈模块20与放大电路32之间，将采样电阻R1采样到的电压信号进行滤波。需要说明的是，在其他实施例中，可以设置多个串联的第一滤波电路31a，连接于放大电路32和处理模块40之间；或者，也可以设置多个串联的第二滤波电路31b，连接于线圈模块20与放大电路32之间；或者，也可以不设置第二滤波电路31b(设置第二滤波电路31b可以达到更好的滤波效果，但它并不是必须要有的)。这里仅为举例，信号传输模块这里也可以采用其他的滤波和放大电路，这里不对其进行限定。
第一滤波电路31a目的是为了滤掉脉冲信号发生模块中的高频杂波，高频杂波主要在兆欧以上。较佳地，第一滤波电路选用低通滤波器，其上限截止频率为1MHz～2MHz。低通滤波器可以采用有源滤波方式，例如采用纳法级大电容与电阻并联，将快速变化的电信号滤波成平滑变化的信号，具体实施时可以根据实际情况选择。
如图4，本实施例中，第一滤波电路31a包括电阻R4和电容C2，R4和C2的第一端均与处理模块40连接，R4的第二端与放大电路32的输出端连接，C2的第二端接地；第二滤波电路31b包括电阻R2和电阻C1，R2的第一端与第一信号衰减回路22的输出端连接，R2的第二端和C1的第一端均与放大电路32的反向输入端连接，C2的第二端和放大电路32的正向输入端均接地；放大电路32用于放大经第二滤波电路31b滤波后的电压信号，其包括：电阻R3、运算放大器AD795A，其中R3为反馈电阻，连接于运算放大器AD795A的输出端和反向输入端之间。具体实施时，运算放大器可以采用低噪声、低温漂的前置运放，将上一级的微伏电压放大至伏。可选的，运算放大器可以选用低噪声、低温漂、低输入失调运算放大器，如MAX268*、AD795等。本实施例中，选用AD795A作为运算放大器。如图4，信号传输模块30还包括电阻R5，R5与C2并联。R5用来调整第一滤波电路31a的输出电压，使其输出电压在MCU(处理模块40)可进行采样的电压范围内。在其他实施例中，如第一滤波电路31a的输出电压已经在MCU(处理模块40)可进行采样的电压范围内，也可以不使用R5。
本实施例同时公开了一种电涡流传感器，包括：如前所述的电涡流传感器检测电路。
图5为本发明实施例一提供的一种电涡流传感器的数据处理方法的流程示意图；该数据处理方法适用于前述的电涡流传感器(也可以说该数据处理方法适用于前述的电涡流传感器检测电路)，其可以通过处理模块40执行，包括如下步骤：
S1、获取信号传输模块传输的信号数据；信号数据为模拟信号。
其中，信号数据是经过信号传输模块30(滤波、放大等信号处理之后)处理后的信号得到的。具体实施时，ADC的采样率大于1MHz，采样时间长度大于5倍衰减时间常数。
S2、将步骤S1获得的模拟信号数据转换为数字信号。
其中，可以利用ADC或MCU的AD转换功能实现模数转换。
S3、对步骤S2获得的数字信号进行数据异常点剔除。
可以理解的是，传感线圈内的电流是自衰减信号，衰减过程平滑缓慢，由于传感器本身噪声或者信号传输、处理过程中的噪声引入，导致在ADC采样后出现异常点。可选的，步骤S3进一步包括：基于步骤S2获得的数据，根据3σ准则法剔除其数据序列里面的异常数据点。在其他实施例中，也可以利用其他规则去除异常点，本发明实施例不作限定。
S4、对步骤S3得到的数据进行去偏置处理。
由于模拟电路中电子元器件失调电压的影响，导致在采样电路采集的衰减结束时电压不为零。此时需要数据处理单元对S3得到的数据进行去偏置处理。整体去偏置以降低数据拟合后的计算误差。可选的，步骤S4进一步包括：
基于步骤S3获得的数据，计算位于其最后20％数据长度内的所有数据点的平均值；
将平均值作为采样失调电压，对步骤S3获得的数据进行去偏置处理。
即本实施例中，将数据长度的最后20％的数据点的平均值作为失调电压，将各数据减去失调电压，实现数据序列的去偏置，在其他实施例中，可以选用其他的去偏置方式，也可以选取其他数量的数据点，具体实施时可以根据实际情况选择。
S5、对步骤S4得到的数据进行数据滤波处理。
其中，滤波方式可以是滑动滤波或者消抖滤波等方式，考虑到数据序列的长度和信号自衰减速度，要选择合适的滤波深度。
S6、基于步骤S5所获得的数据，得到时间衰减常数。
可选的，步骤S6进一步包括：
基于S5所获得的数据，从其数据序列前端开始，选取50％～80％的数据长度内的所有数据点作为待处理数据；
对待处理数据取对数运算并进行线性拟合，得到时间衰减常数。
由于数据序列后端的部分数据点可能小于零，不适合后期的数据处理，本实施例中，取前50％～80％的数据作为待处理数据，由于激励电流信号的衰减为指数衰减，本实施例中，先对待处理数据进行取对数运算，然后进行线性拟合，得到时间衰减函数，其中线性拟合可以采用最小二乘法等拟合方法，在其他实施例中，也可以采用对待处理数据直接进行e指数拟合，得出时间衰减常数。
S7、根据L＝t0(RI+RS)计算传感线圈的电感值L；
其中，RI为传感线圈的内阻值，RS为采样电阻阻值，L为传感线圈电感值，t0为激励电流信号的衰减时间常数。
上述电感计算公式的推导过程如下：
在传感线圈充电过程中，传感线圈内的电流为：
其中E为脉冲时间足够长时传感线圈内能产生的电动势，RI为传感线圈本身内阻值，RS为采样电阻阻值，L为传感线圈电感值，t为时间。若激励线圈发生的脉冲时间远大于
当传感线圈被激励线圈激励并且激励线圈脉冲停止后，传感线圈与采样电阻形成第一信号衰减回路，内部回路电流(即激励电流信号)衰减。根据电流环路定理，可得：
其中I0为传感线圈回路内初始电流值，所以，采样电阻RS上的电压为：
可简化为：
其中t0为激励电流信号衰减时间常数，
可知，线圈衰减时间常数只与传感线圈电感值L、传感线圈内阻值RI，采样电阻值RS大小有关。
在得到传感线圈221的电感值L后，再利用传感线圈221的电感值L与目标距离(这里的目标距离指电涡流传感器探头与被测目标之间的距离)的标定关系，求得当前电涡流传感器探头与被测目标之间的实际距离。通过两个参数的标定关系求实际数值，是本领域常用的现有技术，这里不再进一步赘述。
对于高精度的位移传感器，环境温度变化对传感器带来比较大的误差。本实施例中，激励线圈和传感线圈都是铜芯漆包线，铜材料电阻率的温度系数为0.41％/℃，可以在固件中补偿算法来降低温度改变带来的传感器位移误差。其中采样电阻RS选择温度稳定性高、精度高的电阻，在特定工作温度区间内(例如在光刻机内，温度一般控制到22℃～23℃之间)变化很小，可以忽略采样电阻的变化。
本发明实施例提出了一种全新的电涡流传感器的实施方案，与传统的电涡流传感器的信号处理方式和数据处理方式不同，本发明实施例采用测量传感线圈衰减时间常数的方法来测量传感线圈电感，从而计算出待测目标与电涡流传感器探头之间的距离。电流衰减时间常数仅与传感线圈电感有关。所以通过测量传感线圈内电流衰减时间常数可以精确计算出传感线圈的电感。相较于传统的电涡流传感器，本发明整体电路设计以及数据处理方法更加简单，容易实现。
实施例二
图6为本发明实施例二提供的一种电涡流传感器检测电路的结构示意图；图7为本发明实施例二提供的一种电涡流传感器检测电路的电路连接示意图。实施例二与实施例一的区别在于，脉冲信号发生模块10增加了电流衰减电路13。其他模块的电路结构、线圈模块的线圈绕制方法、处理模块的数据处理方法均同实施例一。
参见图6和图7，脉冲信号发生模块10还包括电流衰减电路13；脉冲放大电路12和激励线圈21均与所述电流衰减电路13连接；电流衰减电路13在脉冲信号完成对感应线圈22的激励后使激励线圈21内的电流衰减至零。当脉冲放大电路12输出的脉冲信号进入下降沿时，表示“脉冲信号完成对感应线圈22的激励”。
电流衰减电路13的作用是加快激励线圈21内电流衰减至零的速度，例如在1μs内衰减到零，减小脉冲下降时长。在脉冲结束后，使激励线圈21对传感线圈无影响，减小激励线圈尾波对传感线圈的影响。
如图7，本实施例中，电流衰减电路13包括下降沿触发器131、转换开关132(Q1)和电流衰减旁路133；脉冲放大电路12、下降沿触发器131、转换开关132、激励线圈21依次连接；电流衰减旁路133与激励线圈21并联，二者形成第二信号衰减回路；其中，电流衰减旁路133包括电阻R7和二极管D1(其中R7可以是多个电阻串联而成，也可以是单独的一个电阻)，电阻R7和二极管D1串联，下降沿触发器131在脉冲信号进入下降沿时，控制转换开关132(Q1)关断，激励线圈21内的电流在第二信号衰减内衰减至零。较佳地，R7＝R9，当电压处于下降沿时，可以使激励线圈21内电流最快速的衰减至零。
本实施例中，下降沿触发器131采用JK触发器74HC107A，下降沿触发器131的时钟端与脉冲放大电路12的输出端连接，下降沿触发器131的输出端与转换开关132的控制端连接；激励线圈21第一端通过电阻R12连接电源，第二端连接转换开关132，转换开关132的通断决定着激励线圈21的通电与否。
需要说明的是，下降沿触发器131的输出端可以是正向输出端或反向输出端；虽然下降沿触发器131的正向输出端与反向输出端的电平状态相反，但不妨碍对转换开关132的控制端的电平的切换，可通过调整转换开关132的具体选型来适应下降沿触发器131不同的输出端，以实现对激励线圈21通电与否的控制。
本实施例中，转换开关132采用NPN双极型晶体管，其基极连接下降沿触发器131的反向输出端，集电极连接激励线圈21的第二端，发射极接地。此处仅为举例，转换开关132也可以为P沟道PMOS场效应管。若选用PMOS场效应管，其栅极连接下降沿触发器131的反向输出端，漏极连接激励线圈21的第二端，源极接地。
在其他实施例中，下降沿触发器131的正向输出端也可与转换开关132的控制端连接；此时，转换开关132可选为PNP双极型晶体管。若为PNP双极性晶体三极管，则此时，其基极连接下降沿触发器131的正向输出端，发射极连接激励线圈21的第二端，集电极接地。此处仅为举例，转换开关132也可以为NMOS场效应管。若选用NMOS场效应管，其栅极连接下降沿触发器131的正向输出端，源极连接激励线圈的第二端，漏极接地。
本实施例中，电流衰减电路13还包括位于Q2的集电极和下降沿触发器时钟端的输入端电阻R10以及下降沿触发器输出端和转换开关132之间的电阻R8，二者均能起到很好的限流作用。在其他实施例中，也可以不使用R10和R8，不影响电流衰减电路13功能的实现。
在各个实施例中，电涡流传感器检测电路还包括电源模块，脉冲信号发生模块、信号传输模块和处理模块均与电源模块连接，电源模块为脉冲信号发生模块、信号传输模块和处理模块供电。电源模块可以根据各个芯片的需要，提供所需的电压。
可以理解的是，上述实施例提供的电涡流传感器示出的各部分结构可以相互组合，其均在本发明实施例的保护范围之内。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (13)
1.一种电涡流传感器检测电路，其特征在于，包括：
脉冲信号发生模块(10)、线圈模块(20)、信号传输模块(30)和处理模块(40)；
所述脉冲信号发生模块(10)的输入端与所述处理模块(40)连接，输出端与所述线圈模块(20)连接，所述脉冲信号发生模块(10)包括脉冲发生电路(11)和脉冲放大电路(12)；
所述线圈模块(20)包括激励线圈(21)和第一信号衰减回路(22)；所述激励线圈(21)与所述脉冲放大电路(12)的输出端连接；
所述第一信号衰减回路(22)与所述信号传输模块(30)连接；所述信号传输模块(30)与所述处理模块(40)连接；所述第一信号衰减回路(22)包括传感线圈(221)和采样电阻(222)，所述采样电阻(222)并联在所述传感线圈(221)的两端；
所述处理模块(40)触发所述脉冲发生电路(11)产生脉冲信号；所述脉冲放大电路(12)将所述脉冲信号进行放大处理后输入所述激励线圈(21)；所述激励线圈(21)产生磁场，对所述传感线圈(221)进行激励；所述传感线圈(221)在所述磁场的激励下产生激励电流信号，所述激励电流信号在所述第一信号衰减回路(22)内衰减；所述信号传输模块(30)对所述采样电阻(222)采样到的电压信号进行放大和滤波处理，并将处理后的电压信号传输给所述处理模块(40)；所述处理模块(40)根据获得的信号数据计算所述激励电流信号的衰减时间常数，并根据所述衰减时间常数计算所述传感线圈(221)的电感值。
2.根据权利要求1所述的电涡流传感器检测电路，其特征在于，所述线圈模块(20)还包括筒状骨架(201)，所述激励线圈(21)和所述传感线圈(221)紧密贴靠，且按相同的方向绕制在所述筒状骨架(201)上。
3.根据权利要求1所述的电涡流传感器检测电路，其特征在于，所述脉冲信号发生模块(10)还包括电流衰减电路(13)；
所述脉冲放大电路(12)和所述激励线圈(21)均与所述电流衰减电路(13)连接；所述电流衰减电路(13)包括下降沿触发器(131)、转换开关(132)和电流衰减旁路(133)；
所述脉冲放大电路(12)、所述下降沿触发器(131)、所述转换开关(132)、所述激励线圈(21)依次连接；所述电流衰减旁路(133)与所述激励线圈(21)并联，二者形成第二信号衰减回路；
其中，所述电流衰减旁路(133)包括电阻R7和二极管D1，电阻R7和二极管D1串联，所述下降沿触发器(131)在所述脉冲放大电路(12)输出的脉冲信号进入下降沿时，控制所述转换开关(132)关断，所述激励线圈(21)内的电流在所述第二信号衰减回路内衰减至零。
4.根据权利要求1所述的电涡流传感器检测电路，其特征在于，所述脉冲信号的脉冲宽度小于10μs，所述脉冲信号的上升时长小于500ns，下降时长小于1μs。
5.根据权利要求1所述的电涡流传感器检测电路，其特征在于，所述信号传输模块(30)包括至少一个滤波电路(31)和放大电路(32)；
至少一个所述滤波电路(31)连接于所述放大电路(32)和所述处理模块(40)之间，所述滤波电路(31)将所述放大电路(32)放大后的信号滤波后传输至所述处理模块(40)。
6.根据权利要求1所述的电涡流传感器检测电路，其特征在于，所述处理模块(40)根据L＝t0(RI+RS)计算所述传感线圈(221)的电感值；
其中，RI为所述传感线圈(221)的内阻值，RS为所述采样电阻(222)的阻值，L为所述传感线圈(221)的电感值，t0为所述激励电流信号的衰减时间常数。
7.根据权利要求5所述的电涡流传感器检测电路，其特征在于，所述采样电阻(222)的阻值为1mΩ～1Ω，所述滤波电路(31)为低通滤波器，所述低通滤波器的上限截止频率位于1MHz～2MHz之间。
8.根据权利要求1所述的电涡流传感器检测电路，其特征在于，所述处理模块(40)包括模数转换单元(41)和数据处理单元(42)；
所述模数转换单元(41)将所述信号传输模块(30)传输的模拟信号转换为数字信号，并发送给所述数据处理单元(42)；
所述数据处理单元(42)根据所述数字信号计算所述激励电流信号的衰减时间常数，并根据所述衰减时间常数计算所述传感线圈(221)的电感值。
9.一种电涡流传感器，其特征在于，包括：如权利要求1-8任意一项所述的电涡流传感器检测电路。
10.一种电涡流传感器的数据处理方法，其特征在于，适用于权利要求9所述的电涡流传感器，该数据处理方法通过所述处理模块(40)执行，所述数据处理方法包括：
S1、获取所述信号传输模块(30)传输的信号数据；所述信号数据为模拟信号；
S2、将步骤S1获得的模拟信号数据转换为数字信号；
S3、对步骤S2获得的数字信号进行数据异常点剔除；
S4、对步骤S3得到的数据进行去偏置处理；
S5、对步骤S4得到的数据进行数据滤波处理；
S6、基于步骤S5所获得的数据，计算时间衰减常数；
S7、根据L＝t0(RI+RS)计算所述传感线圈的电感值；
其中，RI为所述传感线圈的内阻值，RS为采样电阻阻值，L为传感线圈电感值，t0为所述激励电流信号的衰减时间常数。
11.根据权利要求10所述的电涡流传感器的数据处理方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：
基于步骤S2获得的数据，根据3σ准则法剔除其数据序列里面的异常数据点。
12.根据权利要求10所述的电涡流传感器的数据处理方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：
基于步骤S3获得的数据，计算位于其最后20％数据长度内的所有数据点的平均值；将所述平均值作为采样失调电压，对步骤S3获得的数据进行去偏置处理。
13.根据权利要求10所述的电涡流传感器的数据处理方法，其特征在于，步骤S6进一步包括：
基于S5所获得的数据，从其数据序列前端开始，选取50％～80％的数据长度内的所有数据点作为待处理数据；
对所述待处理数据取对数运算并进行线性拟合，得到所述激励电流信号的时间衰减常数。
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