CN209840950U - 一种电涡流传感器的前置调理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种电涡流传感器的前置调理电路，包括：核心控制器、DDS正弦波信号源电路、自动增益控制器、自动增益控制器的幅度调节DAC电路、检测电路、精密整流电路、信号放大电路、信号放大电路的偏置调节DAC电路、数字通信接口电路，数字通信接口电路用于接收指令和数据，并将指令和数据发送至核心控制器。本实用新型使用同一套前置调理电路，满足不同材质金属目标和测量量程的工程需求，以完成不同材质的金属目标的检测，满足探头互换性需求，降低系统维护成本。

Description

一种电涡流传感器的前置调理电路

技术领域

本实用新型涉及电涡流技术领域，特别涉及一种电涡流传感器的前置调理电路。

背景技术

电涡流是指置于变化磁场中的块状金属导体或在磁场中作切割磁力线的块状金属导体，则在此块状金属导体内将会产生旋涡状的感应电流的现象。利用电涡流效应制作的传感器可以实现对位移的直接测量，通过对激励频率的设定也可以对特定材料薄膜的厚度进行直接测量，并可以间接测量振动、温度、应力、速度以及材料损伤等，电涡流测量方法具有非接触、不受油污光线和粉尘干扰、灵敏度高、频率响应范围宽等优点。

如图1所示，H1为正弦波激励施加于探头线圈产生的交变磁场，在金属导体表面感应出电涡流I2，其产生的交变磁场为H2，影响探头线圈I1的幅值和相位，当探头线圈与金属导体的距离d改变时，I1随之发生变化，测量I1的幅值和相位信息，即可提取距离d信息。

现有的电涡流传感器现场调试存在以下难度：精密电涡流应用，为了获得较强的抗干扰性能，连接探头与前置器的引线电缆要尽量短，并在运行时避免晃动和弯折。当前置器增益较高时，由于探头安装和引线固定方式随工程实际需求变化，探头电感发生微小变化，经过高增益的前置调理电路后传感器输出满偏，无法进行测量，需要调节偏置。在某些工程应用中，为了尽可能靠近探头线圈，前置器安装至封闭或回转机构内部，且安装到位后拆卸难度非常大，调试人员无法直接通过调节前置器内机械电位器进行电路参数调节，需要通过控制总线程控增益和偏置的电路。

同时当探头安装和引线固定方式引入线圈电感变化后，电路谐振状态发生改变，为了追求最佳谐振状态，需要微调探头线圈激励频率。

在诸多应用中，探头线圈容易损坏，且不同探头的参数有细微差别，但反应在传感器输出端即为较大误差。如何能后在保留现有前置器的情况下，兼容更换新探头，依然能够正常进行设定和测量，满足电涡流传感器探头具有互换性需求，是当前需要解决的主要问题之一。

使用同一探头和前置器对不同材质金属目标进行测量，需要改变正弦波激励信号的频率和幅值。使用同一探头和前置器完成多量程测量，需要改变正弦波激励信号的幅值，同时改变信号放大电路的偏置。如何满足电涡流传感器的多类型，多量程测量需求，是当前需要解决的主要问题之一。

现有的模拟电涡流传感器前置调理电路方案：信号调理使用模拟器件搭建，电路参数需要调节机械电位器，由于电位器调节微弱模拟信号，不能置于远端，否则会引入较大干扰，导致前置调理电路噪声过大。这种方案的缺陷在于：机械电位器调节激励信号幅度和信号放大电路偏置，无法远在线程调节。无法改变激励信号频率，不能微调电路谐振状态，亦不能支持多种被测金属材料目标。

另外，现有的可变激励频率的电涡流传感器前置调理电路方案：采用单一频率的晶体振荡器产生激励，使用计数器芯片分频产生若干频率，再采用分离器件滤波对方波信号进行整形滤波，去除高频分量，得到近似正弦波激励信号源。这种方案的缺陷在于：只能实现几个特定频率的正弦波激励信号输出，无法连续调节从而微调电路谐振状态，故无法获得最大灵敏度。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本实用新型的目的在于提出一种电涡流传感器的前置调理电路。

为了实现上述目的，本实用新型的实施例提供一种电涡流传感器的前置调理电路，包括：核心控制器、DDS正弦波信号源电路、自动增益控制器、自动增益控制器的幅度调节DAC电路、检测电路、精密整流电路、信号放大电路、信号放大电路的偏置调节DAC电路、RS485接口电路，其中，

所述数字通信接口电路与所述核心控制器双向连接，所述核心控制器的输出端与所述DDS正弦波信号源电路的输入端、自动增益控制器的幅度调节DAC电路的输入端、信号放大电路的偏置调节DAC电路的输入端连接；

所述自动增益控制器的幅度调节DAC电路的输出端与所述自动增益控制器的输入端连接，用于向所述自动增益控制器输出幅度调节信号，所述DDS正弦波信号源电路的输出端与所述自动增益控制器的输入端连接，输出的正弦波激励信号经过自动增益控制器，向所述检测电路输出幅值可控的稳定正弦波激励信号；

所述检测电路输出交变电压至所述精密整流电路，由所述精密整流电路对该交变电压进行整流，输出直流电压信号至所述信号放大电路进行信号放大，

所述信号放大电路进一步接收来自所述信号放大电路的偏置调节DAC电路的偏置调节信号，最终输出经过偏置调节后的模拟信号耦合至电涡流传感器的探头。

进一步，所述核心控制器通过数字通信总线与所述自动增益控制器的幅度调节DAC电路、所述信号放大电路的偏置调节DAC电路连接。

进一步，所述检测电路包括分压电阻、探头线圈、补偿电容阵列，其中，所述所述分压电阻的另一端与所述探头线圈的一端连接，所述探头线圈的另一端接地，所述补偿电容阵列与所述探头线圈并联连接，分别接收来自所述自动增益控制器的正弦波激励信号，所述探头线圈与补偿电容阵列并联发生谐振。

进一步，所述自动增益控制器采用负反馈控制系统。

根据本实用新型实施例的电涡流传感器的前置调理电路，支持远程改变激励频率和幅度，使用同一套前置调理电路，满足不同材质金属目标和测量量程的工程需求，以完成不同材质的金属目标的检测。允许一套电涡流装置适应多种金属材质目标测量，并且可以在线调整量程，扩展了电涡流传感器在多材质金属膜厚测量应用。本实用新型可以根据探头参数微调激励频率以达到良好谐振状态，提高传感器灵敏度。本实用新型可针对不同探头参数进行远程调节，支持高增益电涡流传感器安装调试，控制信号放大电路的偏置电压，保持不同传感器探头连接同一前置器时的输出一致性。本实用新型可以在更换探头后通过远程调节参数，实现传感器最终输出的灵敏度和偏置电压一致，避免了全部更换的施工难度，满足探头互换性需求，降低系统维护成本。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术的电涡流的原理图；

图2为根据本实用新型实施例的电涡流传感器的前置调理电路的结构图；

图3为根据本实用新型实施例的核心控制器的电路图；

图4为根据本实用新型实施例的数字通信接口的电路图；

图5为根据本实用新型实施例的DDS电路的电路图；

图6为根据本实用新型实施例的自动增益控制器的电路图；

图7为根据本实用新型实施例的自动增益控制器的DAC电路的电路图；

图8为根据本实用新型实施例的程控偏置的信号放大器电路的电路图；

图9为根据本实用新型实施例的程控偏置的信号放大器电路的DAC电路的电路图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型提出一种电涡流传感器的前置调理电路。前置调理电路指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备,是专为接受来自信源的微弱电压信号而设计的。本实用新型指用于电涡流探头微弱信号检测和调理的电路。

如图2所示，本实用新型实施例的电涡流传感器的前置调理电路，包括：核心控制器1、直接数字频率合成器DDS正弦波信号源2电路、自动增益控制器3、自动增益控制器的幅度调节DAC电路4、检测电路、精密整流电路6、信号放大电路7、信号放大电路的偏置调节DAC电路5、数字通信接口电路11。

具体的，数字通信接口电路11与核心控制器1双向连接。参考图4，数字通信接口的控制线与上述核心控制器1相应引脚连接，完成数字通信总线功能。由数字通信接口输出不同电涡流传感器的探头参数至核心控制器1。核心控制器1根据探头参数生成相应的指令，以调节DDS正弦波信号源2电路的输出频率，以及根据不同的探头参数对信号放大电路7的偏置电压进行调节，以保持不同传感器探头连接同一前置器时的输出一致性。例如，数字通信接口可以为RS485接口。需要说明的是，上述对数字通信接口的举例仅是出于示例的目的，还可以采用其他类型的接口。

核心控制器1的输出端与DDS正弦波信号源2电路的输入端、自动增益控制器的幅度调节DAC电路4的输入端、信号放大电路的偏置调节DAC电路5的输入端连接，其中，数字通信接口电路11用于通过数字通信总线接收指令和数据，并将指令和数据发送至核心控制器1，核心控制器1用于根据来自数字通信接口的指令，根据指令调节DDS正弦波信号源2电路的输出频率，即核心控制器1可以调节DDS正弦波信号源2电路的激励频率，由DDS正弦波信号源2电路输出激励信号至自动增益控制器3AGC。此外，核心控制器1还可以调节自动增益控制器的幅度调节DAC电路4和信号放大电路的偏置调节DAC电路5的输出电压。其中，自动增益控制器3可以采用负反馈控制系统，如图6所示。其中，U6器件为仪表运算放大器，在负反馈中的作用为比较自动增益控制器3的输出信号幅值与设定幅值的误差，并将误差电压传输给VGA可变增益放大器件，实现自动增益控制器3的幅值输出的稳定性控制。设定幅值由自动增益控制器的幅度调节DAC电路4提供，为稳定的直流电压信号。如图7所示，自动增益控制器的幅度调节DAC电路4的输出端与自动增益控制器3的输入端连接，用于向自动增益控制器3输出幅度调节信号。参考图7，由基准源产生一路精密的3V基准电压，并经过自动增益控制器3的DAC电路进行数字模拟转换，得到需要的DAC_1电压信号，该信号温度漂移特性由基准电压源器件和自动增益控制器3的DAC器件温度漂移特性共同决定。

在本实用新型中，基准源具有不大于10ppm的温漂特性，而自动增益控制器3的DAC电路，温漂特性良好，适合高精度电涡流传感器前置电路控制需要。

在本实用新型的一个实施例中，核心控制器1通过数字通信总线与自动增益控制器的幅度调节DAC电路4、信号放大电路的偏置调节DAC电路5连接。

如图3所示，核心控制器1采用单片机作为控制器，采用其UART1串行接口作为数字通信总线的数据接口，DATA0～DATA7、W_CLK、FQ_UD、RESET为DDS控制线，利用数字通信作为DAC1和DAC2的控制总线，其他外围电路为编程和运行必备电路，不再赘述。

需要说明的是，核心控制器1的型号不限于上述举例，还可以采用其他型号的控制器，任何其他型号数字控制器，只要可以完成控制核心控制数字通信总线、DDS电路和DAC器件构成数字式电涡流前置调理电路，均属于对本申请的保护范围。

DDS正弦波信号源2电路的输出端与自动增益控制器3的输入端连接，输出的正弦波激励信号经过自动增益控制器3，向检测电路输出幅值可控的稳定正弦波激励信号。

如图5所示，DDS正弦波信号源2采用50MHz晶体振荡器作为时钟输入，电路Sin端频率输出最高5MHz，输出信号幅度1V，为单极性电压正弦波信号源2。

核心控制器1通过DATA0～DATA7、W_CLK、FQ_UD、RESET为DDS控制线，发送频率控制字至DDS芯片，芯片经过内部运算，输出相应频率的正弦波信号。在电涡流传感器工作时可通过数字通信远程在线更改DDS器件输出频率。

检测电路输出交变电压至精密整流电路6，由精密整流电路6对该交变电压进行整流，输出直流电压信号至信号放大电路7进行信号放大。

具体的，检测电路包括分压电阻8、探头线圈9、补偿电容阵列10，其中，分压电阻8的另一端与探头线圈9的一端连接，探头线圈9的另一端接地，补偿电容阵列10与探头线圈9并联连接，分别接收来自自动增益控制器3的正弦波激励信号，探头线圈9与补偿电容阵列10并联发生谐振，当探头线圈9发生电涡流效应后，探头线圈9两端的电压产生变化，该电压输出至精密整流电路6。

如图8和图9所示，信号放大电路7进一步接收来自信号放大电路的偏置调节DAC电路5的偏置调节信号，最终输出经过偏置调节后的模拟信号耦合至电涡流传感器的探头。

传感器探头的微弱电信号需要进行处理和放大，在放大电路中，信号放大电路的偏置调节DAC电路5输入一路控制电压至信号放大电路7的同相比例端，可以对信号放大电路7的偏置电压进行调控。信号放大电路7在偏置调节DAC电路的调节下，输出经过偏置调节的直流放大电压信号。

下面对本实用新型的电涡流传感器的前置调理电路的工作流程进行说明：

核心控制器1可以收发数字通信总线上的指令和数据，并根据指令调节DDS频率、AGC幅度调节DAC输出电压、信号放大电路7偏置调节DAC输出电压。开机后，核心控制器1首先从内置的非易失存储存器FLASH中读取预先存放的相关设置，主要有DDS的频率控制量，用于控制AGC幅值输出的DAC1电压数字量和用于控制放大电路偏置电压的DAC2电压数字量，根据读取的相关设置参数，更新DDS、DAC1、DAC2器件输出，完成设定。这样做可以实现：每次上电都能恢复到上一次设定好的电路参数，而不用重新进行设置。程序将循环等待数字通信总线上的控制指令，当指令触发中断后，进行中断服务函数，解析指令中的相关设置参数，保存至相应FLASH地址，以便下次上电读取，并再一次更新DDS、DAC1、DAC2等器件输出。

DDS正弦波信号源2电路输出的可变频率的正弦波激励信号经过AGC自动增益调节电路，输出一路幅值可控的稳定正弦波激励信号，该信号施加至限流电阻、探头线圈9和补偿电容组成的电路两端，当电涡流效应发生变化时，探头两端的交变电压发生相应微小变化，该交变电压经过精密整流电路6和无源滤波电路整形为直流电压信号，并由固定增益信号放大电路7放大输出，最终输出值的偏置电压可以通过信号放大电路的偏置调节DAC电路5进行调节，以保证电涡流传感器正常测量。

根据本实用新型实施例的电涡流传感器的前置调理电路，支持远程改变激励频率和幅度，使用同一套前置调理电路，满足不同材质金属目标和测量量程的工程需求，以完成不同材质的金属目标的检测。允许一套电涡流装置适应多种金属材质目标测量，并且可以在线调整量程，扩展了电涡流传感器在多材质金属膜厚测量应用。本实用新型可以根据探头参数微调激励频率以达到良好谐振状态，提高传感器灵敏度。本实用新型可针对不同探头参数进行远程调节，支持高增益电涡流传感器安装调试，控制信号放大电路的偏置电压，保持不同传感器探头连接同一前置器时的输出一致性。本实用新型可以在更换探头后通过远程调节参数，实现传感器最终输出的灵敏度和偏置电压一致，避免了全部更换的施工难度，满足探头互换性需求，降低系统维护成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种电涡流传感器的前置调理电路，其特征在于，包括：核心控制器、DDS正弦波信号源电路、自动增益控制器、自动增益控制器的幅度调节DAC电路、检测电路、精密整流电路、信号放大电路、信号放大电路的偏置调节DAC电路、数字通信接口电路，其中，

所述数字通信接口电路与所述核心控制器双向连接，所述核心控制器的输出端与所述DDS正弦波信号源电路的输入端、自动增益控制器的幅度调节DAC电路的输入端、信号放大电路的偏置调节DAC电路的输入端连接；

所述自动增益控制器的幅度调节DAC电路的输出端与所述自动增益控制器的输入端连接，用于向所述自动增益控制器输出幅度调节信号，所述DDS正弦波信号源电路的输出端与所述自动增益控制器的输入端连接，输出的正弦波激励信号经过自动增益控制器，向所述检测电路输出幅值可控的稳定正弦波激励信号；

所述检测电路输出交变电压至所述精密整流电路，由所述精密整流电路对该交变电压进行整流，输出直流电压信号至所述信号放大电路进行信号放大，

所述信号放大电路进一步接收来自所述信号放大电路的偏置调节DAC电路的偏置调节信号，最终输出经过偏置调节后的模拟信号耦合至电涡流传感器的探头。

2.如权利要求1所述的电涡流传感器的前置调理电路，其特征在于，所述核心控制器通过数字通信总线与所述自动增益控制器的幅度调节DAC电路、所述信号放大电路的偏置调节DAC电路连接。

3.如权利要求1所述的电涡流传感器的前置调理电路，其特征在于，所述检测电路包括分压电阻、探头线圈、补偿电容阵列，其中，所述分压电阻的另一端与所述探头线圈的一端连接，所述探头线圈的另一端接地，所述补偿电容阵列与所述探头线圈并联连接，分别接收来自所述自动增益控制器的正弦波激励信号，所述探头线圈与补偿电容阵列并联发生谐振。

4.如权利要求1所述的电涡流传感器的前置调理电路，其特征在于，所述自动增益控制器采用负反馈控制系统。