CN215452889U - 一种高精度的电涡流传感器数字解调电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种高精度的电涡流传感器数字解调电路，涉及电涡流位移传感器检测技术领域，包括谐振电路、模数转换电路、数字鉴相电路和滤波放大电路，通过改进传统鉴相方案中需要构造正交信号的缺点，通过将电涡流传感器端的模拟信号转化为数字信号进行鉴相，在继承了传统鉴相方案灵敏度高、抗干扰能力强的基础上，无需构造正交信号解调，大大降低了鉴相的难度。
Description
技术领域
本实用新型涉及电涡流位移传感器检测技术领域，具体涉及一种高精度的电涡流传感器数字解调电路。
背景技术
电涡流传感器是工业中广泛使用的非接触式的位移传感器，其主要原理为，利用高频交变信号激励探测线圈，当导电的被测物体靠近探测线圈时，表面会感应出涡流从而反过来影响探测线圈内的磁通，从而影响了探测线圈的等效电感和电阻，通过建立探测线圈等效阻抗和位移之间的关系，实现对位移的非接触式测量。由于线圈的阻抗变化一般都比较小，因此对阻抗微小变化量进行高精度的测量，是电涡流解调方案的关键。
目前普遍使用的方案是检幅方案，通过对线圈端电压进行整流滤波处理，可以提取到幅值大小的信号。其优点是方案简单，易实现。但由于线圈的阻抗变化非常小，需要通过高增益的放大器对线圈上的微小电压变化量进行放大，这会导致无关的干扰信号被放大，导致信噪比较差。此外，检幅方案非常容易受到器件温漂的影响，需要额外的去零漂电路解决，大大增加了硬件的成本。除检幅方案之外，电涡流信号解调电路还可通过鉴相实现。鉴相方案的核心是通过模拟乘法器，将电感上的电压信号和一路与激励信号正交的正弦信号相乘并经过滤波后，便可得到包含了相位信息的低频信号。其优点是利用了正余弦信号的正交性，可以排除无关频率信号的影响，因此抗干扰能力强。并且相位信号随激励线圈的阻抗变化更为明显，因此灵敏度更高。但鉴相方案需要构造一路和激励信号正交的正弦信号，较为繁琐困难。因此在实践中使用较少。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种高精度的电涡流传感器数字解调电路，通过改进传统鉴相方案中需要构造正交信号的缺点，通过将电涡流传感器端的模拟信号转化为数字信号进行鉴相，在继承了传统鉴相方案灵敏度高、抗干扰能力强的基础上，无需构造正交信号解调，大大降低了鉴相的难度。
一种高精度的电涡流传感器数字解调电路，包括谐振电路、模数转换电路、数字鉴相电路和滤波放大电路；
所述谐振电路在探测线圈两端并联电容，再串联分压电阻；
所述模数转换电路为带有正反馈的比较电路，其输入端分别接探测线圈的端电压和设定的比较电压；
所述数字鉴相电路包括异或门，以激励的方波信号和模数转换电路输出的数字信号作为输入；
所述滤波放大电路包括滤波器，所述滤波器以数字鉴相电路输出的方波信号作为反相输入，以参考信号作为正相输入。
优选的，所述模数转换电路包括第一电阻R1和第三电阻R3，第一电阻R1另一端和第二电阻R2串联后接地，且第一电阻R1和第二电阻R2的连接点接到运算放大器的同相输入端，第三电阻R3和第四电阻R4串联后接地，且第三电阻R3和第四电阻R4的连接点接到运算放大器的反相输入端。
优选的，所述运算放大器输出端和同相输入端之间跨接第五正反馈电阻R5。
优选的，所述滤波放大电路包括六电阻R6和第七电阻R7，所述第七电阻R7和第八电阻R8串联后接地，且第七电阻R7和第八电阻R8的连接点接至运算放大器的同相输入端，所述第六电阻R6与第一电容C1串联后接地，第六电阻R6与第一电容C1的连接点接至第九电阻R9，第九电阻R9连接到第二运算放大器的反相输入端。
优选的，所述第一电容C1上还并联第十电阻R10。
本实用新型的优点在于：通过改进传统鉴相方案中需要构造正交信号的缺点，通过将电涡流传感器端的模拟信号转化为数字信号进行鉴相，在继承了传统鉴相方案灵敏度高、抗干扰能力强的基础上，无需构造正交信号解调，大大降低了鉴相的难度。
附图说明
图1为本实用新型中的电涡流传感器谐振电路图；
图2为本实用新型中模数转换电路图；
图3为本实用新型中数字鉴相电路图；
图4为本实用新型的信号相位关系图；
图5为本实用新型中滤波放大电路图。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
如图1至图5所示，一种高精度的电涡流传感器数字解调电路，包括谐振电路、模数转换电路、数字鉴相电路和滤波放大电路；
所述谐振电路在探测线圈两端并联电容，再串联分压电阻；
所述模数转换电路为带有正反馈的比较电路，其输入端分别接探测线圈的端电压和设定的比较电压；
所述数字鉴相电路包括异或门，以激励的方波信号和模数转换电路输出的数字信号作为输入；
所述滤波放大电路包括滤波器，所述滤波器以数字鉴相电路输出的方波信号作为反相输入，以参考信号作为正相输入。
所述模数转换电路包括第一电阻R1和第三电阻R3，第一电阻R1另一端和第二电阻R2串联后接地，且第一电阻R1和第二电阻R2的连接点接到第一运算放大器的同相输入端，第三电阻R3和第四电阻R4串联后接地，且第三电阻R3和第四电阻R4的连接点接到第一运算放大器的反相输入端。
所述运算放大器输出端和同相输入端之间跨接第五正反馈电阻R5。
所述滤波放大电路包括六电阻R6和第七电阻R7，所述第七电阻R7和第八电阻R8串联后接地，且第七电阻R7和第八电阻R8的连接点接至第二运算放大器的同相输入端，所述第六电阻R6与第一电容C1串联后接地，第六电阻R6与第一电容C1的连接点接至第九电阻R9，第九电阻R9连接到第二运算放大器的反相输入端。
所述第一电容C1上还并联第十电阻R10。
一种高精度的电涡流传感器数字解调电路，主要由谐振电路、模数转换电路、数字鉴相电路以及滤波放大电路构成。所述的谐振电路在探测线圈两端并联电容，再串联分压电阻，通过高频的激励源来激励此电路，使得电路工作在谐振状态。对探测线圈上的交流正弦信号进行模数转换，整形成对应的数字信号，该数字信号的相位包含了探测线圈阻抗变化的信息。数字鉴相器将整形后的数字信号进行相移提取，产生和相移正比的脉宽信号。最后通过高通滤波放大电路，提取和相移相关的电压平均值，滤除激励相关的高频分量，并对有效的小信号进行一定程度的放大，得到可实际采样的电平信号。
模数转换电路通过带有正反馈的比较电路实现，输入端分别是线圈端电压和设定的比较电压，当线圈端电压高于比较值时输出高电平，当端电压低于比较值时输出低电平。通过上述的转换后，正弦信号转换为数字信号，数字信号的相位包含了和位移相关的信息。
数字鉴相电路以激励的方波信号和探测线圈上的正弦信号处理后的数字信号作为输入，通过一定的逻辑运算，包含并不局限于异或运算，将探测线圈上的相移信号提取，转化为数字信号的脉宽。
滤波放大电路以包含了探测线圈相移信息的方波信号作为输入，通过二阶的高通滤波，保留低频的相位信息，滤除激励频率相关分量，将脉宽信号转变为电平信号，同时对信号的大小进行一定的调理。
具体实施方式及原理：
步骤一：构造谐振电路，如附图1，图中R0为串联的分压电阻，C0为谐振电容，Ls和Rs分别是探测线圈的等效电感和电阻。选取合适的谐振电容C0和线圈并联连接，后和分压电阻R0串联，并通过激励源给该电路激励。图中激励信号一般采用方波激励信号，主要原因是方波信号一般可通过晶振和D触发器整形产生，因此实现较为容易，硬件成本低，由于谐振电路对方波激励中的直流分量以及其他的高频谐波都有很好的抑制效果，因此电感上的电压信号为无直流偏置的正弦信号。
为了保证探测效果，需要选取一静态工作点，例如当被测物体处于中间量程位置时，线圈的电感和电阻分别为Ls0和Rs0，整个电路处于谐振状态，此时线圈端电压的正弦信号和激励信号同相位。当被测物体和探测线圈发生变化时，系统的谐振点发生变化，线圈端电压的幅值和相位均发生偏移。
步骤二：如图2所示，对探测线圈上的电压进行整形处理，由于电感线圈上的电压为正弦信号，将其通过一个比较器将其整形成方波，电路具体实现形式如图2。探测线圈的端电压从第一电阻R1的一端输入，第一电阻R1另一端和第二电阻R2串联后接地，将第一电阻R1和第二电阻R2的连接点接到第一运算放大器的同相端输入端，参考电压Uref接至第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端和第四电阻R4串联后接地，并将R3和R4的连接点接到第一运算放大器的反相输入端，参考电压Uref为一精密基准电压，主要目的是为正弦信号的提供一个比较值，本例为了便于说明，可认为Uref为零。实际实施过程中，Uref需要根据供电电压等实际情况调整。第五电阻R5为正反馈电阻，两端分别连接至第一运算放大器的输出端和同相输入端，其作用一方面用于构成正反馈，加快比较器翻转的速度，另一方面为比较过程提供一个滞环，防止信号在比较值附近抖动时产生大量毛刺。
步骤3：将激励的方波信号Uin和比较器的输出信号Uz接到二输入异或门的输入端，输出信号Uf，如图3所示。从图4可以看到异或门输出信号的脉宽正比于线圈电压和激励信号之间的相位差。
步骤4：上述步骤输出信号Uf的脉宽包含了线圈的阻抗变化产生的相移信息，需要进一步将其处理成电平信号并进行放大才能供数字信号处理器进行采样使用。为了滤除高频信号，保留Uf的平均电压信号，本实用新型采用了滤波效果更佳的二阶低通滤波器，具体实现形式如图5所示，参考信号Uref接到第七电阻R7的一端，R7电阻的另一端和第八电阻R8串联后接地，将第七第八电阻的连接点接至第二运算放大器的同相输入端，此部分电路为信号提供直流偏置，根据实际应用的信号规格进行配置。信号Uf从第六电阻R6的一端输入，另一端接至第一电容C1，第一电容C1的另一端接地。R6和C1的连接点上的电压为经过一阶低通滤波后的结果，将该点电压连接至第九电阻R9的一端输入，R9另一端连接到第二运算放大器的反相输入端，第十电阻和第十电容并联，并跨接在第二运算放大器输出端和反相输入端，构成第二个低通滤波器，根据所需的信号截止频率以及信号增益，配置两个低通滤波器的电阻和电容参数。
基于上述，本实用新型通过改进传统鉴相方案中需要构造正交信号的缺点，通过将电涡流传感器端的模拟信号转化为数字信号进行鉴相，在继承了传统鉴相方案灵敏度高、抗干扰能力强的基础上，无需构造正交信号解调，大大降低了鉴相的难度。
由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。
Claims (5)
1.一种高精度的电涡流传感器数字解调电路，其特征在于，包括谐振电路、模数转换电路、数字鉴相电路和滤波放大电路；
所述谐振电路在探测线圈两端并联电容，再串联分压电阻；
所述模数转换电路为带有正反馈的比较电路，其输入端分别接探测线圈的端电压和设定的比较电压；
所述数字鉴相电路包括异或门，以激励的方波信号和模数转换电路输出的数字信号作为输入；
所述滤波放大电路包括滤波器，所述滤波器以数字鉴相电路输出的方波信号作为反相输入，以参考信号作为正相输入。
2.根据权利要求1所述的一种高精度的电涡流传感器数字解调电路，其特征在于：所述模数转换电路包括第一电阻R1和第三电阻R3，第一电阻R1另一端和第二电阻R2串联后接地，且第一电阻R1和第二电阻R2的连接点接到第一运算放大器的同相输入端，第三电阻R3和第四电阻R4串联后接地，且第三电阻R3和第四电阻R4的连接点接到第一运算放大器的反相输入端。
3.根据权利要求2所述的一种高精度的电涡流传感器数字解调电路，其特征在于：所述运算放大器输出端和同相输入端之间跨接第五正反馈电阻R5。
4.根据权利要求1所述的一种高精度的电涡流传感器数字解调电路，其特征在于：所述滤波放大电路包括第六电阻R6和第七电阻R7，所述第七电阻R7和第八电阻R8串联后接地，且第七电阻R7和第八电阻R8的连接点接至第二运算放大器的同相输入端，所述第六电阻R6与第一电容C1串联后接地，第六电阻R6与第一电容C1的连接点接至第九电阻R9，第九电阻R9连接到第二运算放大器的反相输入端。
5.根据权利要求4所述的一种高精度的电涡流传感器数字解调电路，其特征在于：所述第一电容C1上还并联第十电阻R10。
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