CN202111671U - 连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置，连接在转换器和传感器的线圈之间，该装置包括：输入电路，连接到传感器的线圈，接收来自传感器的线圈的传感器返回信号并进行放大。跟踪滤波器，连接到输入电路，跟踪传感器的工作频率并进行滤波。带通滤波器，连接到跟踪滤波器，进行高通滤波和低通滤波。传输电路，连接到带通滤波器，对带通滤波器输出的信号进行反向的单位增益放大并将单路信号转换为差分信号，向转换器输出转换器输入信号。驱动增强电路，从转换器接收转换器驱动信号，对驱动信号进行幅值和电流放大，向传感器的线圈输出传感器驱动信号。电源，连接到外部交流电源，转换成直流电向各组件供电。

Description

连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置

技术领域

本实用新型涉及冶金工业领域，尤其涉及冶金工业中的自动化仪表。

背景技术

在工业现场，通常会在同一个工艺段采用同种类型的传感器，有时数量会很多，达数百个，如连铸机辊缝位移传感器。同时在有限的空间各种大小设备紧密有序地安装在一起，如果传感器自身的信号很微弱，就容易被其他大型的电磁设备所干扰，必须采取特殊的抗干扰手段，否则会造成系统严重混乱，无法有效地控制辊缝达到生产要求的0.1毫米的精度。

在一些连铸机的辊缝控制回路中采用多级差动变压器型的相对值传感器。由于工业现场复杂的电磁环境，如另一流检修中使用电焊机，传感器就会被干扰，此时辊缝测量值数据无法自动回复，进而造成辊缝实际值严重偏离设定值，最终使生产工况不良，铸坯质量下降。连铸生产过程中为了消除辊缝传感器的干扰问题，保证辊缝精度，只好尽可能多的对辊缝进行调零、校准，干扰严重时只能采取停机归零复位的方式处理。结果占用了大量生产时间，影响了连铸机的生产产量。为此需要相应的技术解决辊缝传感器时常被干扰的问题。

多级差动变压器型的相对值传感器的基本结构如图1所示，包括：传感器101和转换器102，传感器101和转换器102通过电缆103连接。传感器101内部含有多个线圈，转换器102实现传感器驱动与信号转换。传感器101包括两组线圈，如图2所示，包括驱动线圈104和检测线圈105。

多级差动变压器型的相对值传感器的工作原理如图2所示，转换器102连接到电源107并产生一对驱动信号激励驱动线圈104。检测线圈105根据传感器102中心杆的位置，产生相应的相位变化信号。转换器102接收相位变化信号，经过计算，产生对应的A-B-Z脉冲信号，传送给PLC控制系统106，A-B-Z脉冲之间的相位变化反映了传感器102的运动方向，脉冲数量反映了运动距离。

多级差动变压器型的相对值传感器的工作频率为9.3K～9.8KHz，不同个体之间有一定差异，驱动信号幅值大约为1Vrms。1～2mVrms的微小干扰信号，都会造成传感器产生明显的脉冲数量和方向的变化，这种变化无法自动消除。转换器102是实现多级差动变压器型的相对值传感器功能的核心。如图1和图2所示，转换器102与外界的接口包括与驱动线圈104间的驱动信号、与检测线圈105间的相位变化信号、与PLC控制系统106间的A-B-Z脉冲信号。

虽然多级差动变压器型的相对值传感器具有一定的抗干扰设计，包括：差分形式的传感器输出与输入信号，传感器信号采用屏蔽电缆。但是它们无法解决所有问题，依然存在有干扰信号进入转换器中，对最终的结果造成了较大的干扰。

需要解决相位差式辊缝位移传感器在工业现场的被干扰问题。

实用新型内容

本实用新型旨在提出一种跟踪滤波与驱动增强装置，在保持原有信号正常使用的同时，将来自外部的电磁干扰隔离掉，并将同频干扰大幅度抑制，最终实现辊缝传感器的测量结果稳定，保证连铸生产的顺行。

根据本实用新型，提出一种连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置，该装置连接在转换器和传感器的线圈之间，该装置包括输入电路、跟踪滤波器、带通滤波器、传输电路、驱动增强电路和电源。输入电路连接到传感器的线圈，接收来自传感器的线圈的传感器返回信号并进行放大，输入电路包括两路差分放大器。跟踪滤波器连接到输入电路，跟踪滤波器跟踪传感器的工作频率并进行滤波。带通滤波器连接到跟踪滤波器，带通滤波器进行高通滤波和低通滤波。传输电路连接到带通滤波器，传输电路对带通滤波器输出的信号进行反向的单位增益放大并将单路信号转换为差分信号，传输电路向转换器输出转换器输入信号。驱动增强电路从转换器接收转换器驱动信号，对驱动信号进行幅值和电流放大，驱动增强电路向传感器的线圈输出传感器驱动信号。电源连接到外部交流电源，转换成直流电向各组件供电。

在一个实施例中，跟踪滤波器包括数字锁相环、分频器和两路时钟控制可编程滤波器。两路时钟控制可编程滤波器连接到输入电路，分频器分别连接到两路时钟控制可编程滤波器和数字锁相环，数字锁相环向两路时钟控制可编程滤波器输出时钟信号。在一个实施例中，数字锁相环接收转换器驱动信号。

在一个实施例中，带通滤波器包括级联的两路高通滤波器和两路低通滤波器。

在一个实施例中，传输电路包括级联的反向放大器和分压滤波器。

在一个实施例中，驱动增强电路包括大功率放大器。

本实用新型的连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置通过功率增强和滤波处理，大幅度抑制了干扰，具有非常好的抗干扰效果，能使得辊缝控制装置工作稳定。

附图说明

图1揭示了现有技术中多级差动变压器型的相对值传感器的结构。

图2揭示了现有技术中多级差动变压器型的相对值传感器的工作原理。

图3揭示了根据本实用新型的一实施例的连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置的结构图。

具体实施方式

一般而言，解决干扰问题有三种方法：消除干扰源、切断干扰通道，或者改善传感器的敏感性。由于干扰源很多，如辊道系统的大功率马达、行车马达、变频器、维护用电焊机等，这些干扰源无法全部消除，干扰外部传输通路很多，也难以全部阻断。在传感器的输入输出接口进行阻断，并增强传感器的抗干扰能力是在原理上是可行的。常见的抗干扰技术，例如滤波器主要针对较高频率，如通讯方面的干扰，无法工业方面的弱信号进行有针对性的低成本滤波。

本实用新型的设计原理是：

1)不改变原设备的基本功能，该连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置插入在传感器的线圈与转换器之间。

2)以适当的中心频率和略宽的带宽进行带通滤波。在消除外界干扰的同时，进一步滤除跟踪滤波器自身噪声。

3)补充高Q值的跟踪滤波，进一步抑制干扰。

4)增强驱动能力。降低传感器对外界干扰的敏感性。

5)采用隔离电源供电等附属电路，避免外部电源干扰。

6)对传感器的两路信号进行相同的处理。在整个过程中保持原始信号的幅值和相位不变，进而保证最终的检测结果不变。

参考图3所示，本实用新型揭示了一种连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置，该装置连接在转换器和传感器的线圈之间，该装置包括：输入电路302、跟踪滤波器304、带通滤波器306、传输电路308、驱动增强电路310和电源312。

输入电路302连接到传感器的线圈，接收来自传感器的线圈的传感器返回信号并进行放大，输入电路302包括两路差分放大器320。

跟踪滤波器304连接到输入电路302，跟踪滤波器304跟踪传感器的工作频率，并按照预设的Q值进行滤波，将带宽以外的信号过滤掉。参考图3所示的实施例，跟踪滤波器304包括数字锁相环340、分频器342和两路时钟控制可编程滤波器344。两路时钟控制可编程滤波器344连接到输入电路302，分频器342分别连接到两路时钟控制可编程滤波器344和数字锁相环340，数字锁相环340向两路时钟控制可编程滤波器344输出时钟信号。参考图3所示的实施例，数字锁相环340还接收转换器驱动信号。

带通滤波器306连接到跟踪滤波器304，带通滤波器306进行高通滤波和低通滤波。带通滤波器306不仅可以滤波工作频率以外的干扰信号，而且可以滤除跟踪滤波器的时钟噪声。参考图3所示的实施例，带通滤波器306包括级联的两路高通滤波器360和两路低通滤波器362。在干扰比较小的情况下，带通滤波器306可以只包括两路高通滤波器或者两路低通滤波器的其中之一，也能够达到消除干扰的效果。

传输电路308连接到带通滤波器306，传输电路308对带通滤波器306输出的信号进行反向的单位增益放大并将单路信号转换为差分信号，传输电路308向转换器输出转换器输入信号。参考图3所示的实施例，传输电路308包括级联的反向放大器380和分压滤波器382。传输电路308对信号进行反向的单位增益放大，将单路信号转换为差分信号，再通过分压滤波电路将输出到控制器的信号降低到与未经处理时完全一致的水平，滤波功能与补充滤波器的低通滤波功能匹配，构成高阶滤波器实现更好的滤波效果。

驱动增强电路310从转换器接收转换器驱动信号，对驱动信号进行幅值和电流放大，驱动增强电路310向传感器的线圈输出传感器驱动信号以驱动传感器线圈。在一个实施例中，驱动增强电路310还包括大功率放大器。可以使用数个功率放大器以提高驱动能力。

电源312连接到外部交流电源，电源312将交流电源转换成直流电向各组件供电。电源312同时将来自外部电源的干扰过滤掉。

该连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置的工作原理如下：

外部的交流输入电源进入到电源，产生装置工作所需要的直流电源。原先直接驱动传感器的来自于转换器的驱动信号，在进入该装置后，一路进入数字锁相环与分频器，产生一个整数倍的时钟信号，作为滤波基准控制信号。另外一路进入驱动增强电路，进行幅值和功率放大后输出，作为驱动信号驱动传感器。传感器的返回信号，来自于传感器的检测线圈，分别进入输入部分的两个差分放大器进行放大，成为适合内部电路进行处理的幅值适当的信号。该信号随后分别进入可编程滤波器，在时钟信号的作用下，滤除工作频率以外的干扰信号。进行初步滤波后的信号，再进入带通滤波器，滤除时钟干扰信号，以及残留的输入干扰信号。经过滤波后的信号，最后进入输出部分，经过反向放大器后的信号与原信号构成差分信号，经过分压与滤波后，进入辊缝传感器的转换器。

经过抗干扰处理的信号与未经抗干扰处理的原始信号的幅值、频率和相位完全相同，只是其中的干扰成分大幅度降低

本实用新型的连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置采用模拟电路技术。首先优化滤波器结构，除了低通有源滤波和高通有源滤波，组成带通滤波器外，补充跟踪滤波。即可以进一步增强滤波效果，也可以滤除跟踪滤波器自身的轻微噪声。其次，采用锁相技术，准确跟踪传感器的工作频率，再进行准确的带通跟踪滤波，解决不同传感器的工作频率不同的问题。第三，针对功率增强电路，采用标准运放电路，波形好，用并联增强技术，克服运放功率小的缺点，提高驱动能力。第四，匹配优化。在保持阻抗匹配的同时，进一步滤波，以简化电路。

本实用新型的连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置采用的技术原理如下：

传感器的干扰特性：

经过对传感器的特性进行测试，当外部干扰通过检测线圈及电缆输入到传感器的控制器时，传感器输出会有严重干扰。干扰的频率敏感性范围非常宽，从工频开始，到中心频率的10倍，都对输出结果有不良影响。干扰的幅值敏感性为：当干扰信号幅值非常小，低于1mV时，输出结果变化不大，当高于1mV时，输出结果变化较大，干扰信号幅值增加1倍，则输出结果变化数倍，当干扰信号幅值高到一定程度时，输出结果完全混乱。因此，采取滤波措施，将工作频率以外的信号过滤掉，或者降低工作频率上干扰信号的幅值，都可以大幅度降低干扰。只要原系统的干扰有限，采取这2种措施，就可以使干扰对输出结果的影响降低到可以接受的水平。

锁相跟踪滤波：

对于一个有用信号S＝asin(ωt)，跟踪滤波器的中心频率应当为：ω_F＝ω。带宽Δf＝ω/Q，Q为品质因数。当带宽比较窄时，Q值比较大。这样可以把用信号保持住，而把有害的干扰信号过滤掉。跟踪滤波器的中心频率如果无法与输入信号相同，即ω_F≠ω时，就会使有用信号也会被过滤掉。

本实用新型中的跟踪滤波器包括数字锁相环、分频器和时钟控制可编程滤波器，其分频系数N，也就是中心频率与输入可编程滤波器的时钟频率之间的比值为固定数值。被滤波的输入信号首先进入数字锁相环电路，作为基准信号。数字锁相环电路通过自身震荡产生一个时钟信号，信号经过分频器的N倍，返回锁相环电路，并与输入信号进行比对，控制锁相环电路的震荡过程，使时钟信号的频率为输入信号频率的N倍。这样就可以保证滤波器中心频率与输入信号频率完全一致。实现完整的跟踪滤波功能。滤波器的Q值通过设定时钟控制滤波器的参数实现。当Q值不是特别高时，可编程滤波器完全可以保持稳定，从而实现稳定的跟踪滤波功能。

信号驱动增强减弱干扰：

当干扰信号与有用信号的频率完全相同时，不可能用滤波的方法消除干扰。采用增强有用信号的方法，可以相对减少干扰信号。对于变压器原理，转换器给出的驱动信号与传感器探头检测的有用信号之间满足如下关系：

S_Sen＝a·S_Drv

其中：S_Sen是传感器探头返回信号；

a是转换系数；

S_Drv是驱动信号。

此时驱动信号与干扰信号之间的信噪比为：

$R=\frac{S_{\mathrm{Sen}}}{S_{\mathrm{Noise}}}$

其中：R是信噪比；

S_Noise是干扰信号；

当驱动信号S_Drv增强G倍后，返回信号为S′_Sen＝a*G*S_Drv＝G·S_sen。此时信噪比为：

$R^{\′}=\frac{S_{\mathrm{Sen}}^{\′}}{S_{\mathrm{Noise}}}=\frac{{\mathrm{GS}}_{\mathrm{sen}}}{S_{\mathrm{Noise}}}=G\·R;$

也就是当驱动信号增强G倍后，信噪比也提高了G倍，等效于干扰信号降低了G倍，位移传感器的输出扰动减少了不止G倍，这对抗干扰非常有利。

叠加偶合驱动增强：

如前所述增强驱动信号对抗干扰是非常有利的。但是由于普通的运算放大器驱动能力有限，差动变压器型传感器相当于一个电抗比较低的电感，用单个运放无法驱动。如果采用A类功率放大器，则效率过低，系统抗干扰模块比较多时，散热困难。如果采用D类功率放大器，则干扰过大，无法达成抗干扰的目的。采用2个或者多个运算放大器，通过电阻网络进行偶合，可以达到增强驱动能力的目的。电阻网络可以均衡运算放大器输出电流，同时限制输入到传感器中的驱动电流，起到保护作用。

本实用新型的连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置可以对作用于相位差式的位移传感器干扰信号进行过滤、压缩和隔离，同时保证位移传感器的其他特性不变。使位移传感器在现场恶劣电磁环境下能够得到稳定、准确的测量结果。从连铸现场的实际运行情况和实验数据分析，通过本专利申请所提供的装置，可以在现场有大量马达、变频器、电焊同时操作的复杂电磁环境中，将辊缝传感器的干扰降低到0.05m m的水平，达到生产中的对辊缝控制在0.1毫米高精度要求。在干扰情况下系统能完全正常使用的水平。

Claims (6)

1.一种连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置，其特征在于，该装置连接在转换器和传感器的线圈之间，所述装置包括：

输入电路，输入电路连接到传感器的线圈，接收来自传感器的线圈的传感器返回信号并进行放大，所述输入电路包括两路差分放大器；

跟踪滤波器，连接到所述输入电路，跟踪滤波器跟踪传感器的工作频率并进行滤波；

带通滤波器，连接到所述跟踪滤波器，带通滤波器进行高通滤波和低通滤波；

传输电路，连接到所述带通滤波器，传输电路对带通滤波器输出的信号进行反向的单位增益放大并将单路信号转换为差分信号，传输电路向转换器输出转换器输入信号；

驱动增强电路，从转换器接收转换器驱动信号，对驱动信号进行幅值和电流放大，驱动增强电路向传感器的线圈输出传感器驱动信号；

电源，连接到外部交流电源，转换成直流电向各组件供电。

2.如权利要求1所述的连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置，其特征在于，所述跟踪滤波器包括数字锁相环、分频器和两路时钟控制可编程滤波器；

两路时钟控制可编程滤波器连接到所述输入电路，分频器分别连接到所述两路时钟控制可编程滤波器和数字锁相环，所述数字锁相环向两路时钟控制可编程滤波器输出时钟信号。

3.如权利要求2所述的连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置，其特征在于，所述数字锁相环接收转换器驱动信号。

4.如权利要求1所述的连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置，其特征在于，所述带通滤波器包括级联的两路高通滤波器和两路低通滤波器。

5.如权利要求1所述的连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置，其特征在于，所述传输电路包括级联的反向放大器和分压滤波器。

6.如权利要求1所述的连铸辊缝传感器的跟踪滤波与驱动增强抗干扰装置，其特征在于，

所述驱动增强电路包括大功率放大器。

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