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一种线性量程可调的电涡流传感器

作者:刘志昌时间:2017-12-26来源:电子产品世界收藏
编者按:电涡流传感器由探头、前置器以及信号传输线缆三部分组成,前置器中高频振荡电压通过延伸电缆流入探头线圈,对前置器部分的高频小信号处理,基本上都采用全模拟电路或者结合软件校正电路设计,该前置器采用模拟电路对高频信号进行处理,可通过实时调整电路可调电阻参数,实现传感器输出电压信号的调节,特别是对传感器输出量程与电压零点的调节,该方式可以即满足数字电路软件校正调节功能,又满足模拟电路成本低的要求,该方法可实现电涡流位移传感器探头不同电感参数与线性量程调节。

作者 / 刘志昌

本文引用地址:article/201712/373601.htm

  珠海格力电器股份有限公司(广东 珠海 519070)

  刘志昌(1987-),男,助理工程师,研究方向:磁悬浮用电涡流位移结构设计与探头布置方案设计、信号处理。

摘要:电涡流由探头、以及信号传输线缆三部分组成,中高频振荡电压通过延伸电缆流入探头线圈,对前置器部分的高频小信号处理,基本上都采用全模拟或者结合软件校正设计,该前置器采用模拟对高频信号进行处理,可通过实时调整电路可调电阻参数,实现输出电压信号的调节,特别是对输出量程与电压零点的调节,该方式可以即满足数字电路软件校正调节功能,又满足模拟电路成本低的要求,该方法可实现电涡流位移探头不同电感参数与线性量程调节。

引言

  电涡流位移由探头、延伸电缆、前置器构成,本文提供了一种电涡流位移前置器信号处理改进方案,通过实时调整前置器电路中的电阻参数,能够有效调节输出量程与输出电压大小,能够既满足数字软件校正电路调节,又满足模拟电路成本低的要求。

  该前置器的信号调节电路包括高频正弦波产生电路、滤波、检波、放大以及限幅电路等电路,其中电压跟随电路能够调节输出电压零点位移,达到对输出信号电压进行实时调节的作用;另外,该信号调节电路还在原有基本的反相器电路中增加一个放大器模块和一个可调电阻,对输出的线性量程与输出电压范围可变的电压信号进行调节,输出需要符合要求的位移-电压信号。

1 电涡流位移原理

  根据法拉第电磁感应定律可知,当电涡流位移探头线圈通以正弦高频交变电流i1时,线圈必然产生正弦交变的电磁场H1,该交变磁场使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电涡流,如图1中所示。同时,被测物体中的电涡流i2又产生交变电磁场H2;磁场H2与H1方向相反,并对电磁场H1起到遏制与减弱作用,从而导致探头检测线圈的等效电阻值相应地变化。其变化大小取决于被测金属导体中电阻率ρ值,磁导率μ,探头线圈与被测导体的距离为x,以及探头线圈激励电流频率f等参数数值。如果只改变其中一个参数数值,而其余参数数值保持不变,则阻抗Z参数就成为该变化参数的单值函数,从而确定其该参数数值的大小变化情况。

  电涡流位移的工作原理,如图1所示。

2 电涡流总体设计方案

  电涡流位移能够非接触、高线性度、高分辨力地并且可静态和动态地测量被测金属物体与探头表面的距离。它是一种非接触的线性化测量仪器。电涡流位移能够准确地测量被测金属导体与探头端面之间的相对位移变化。根据图2的组成框图,构成电涡流位移整体结构。

  对组成的框图(图2),具体说明每个组成部分结构:

  (1)敏感元件:电涡流位移探头线圈是通过与被测导体之间的涡流场相互作用,从而探头部分产生了被测信号,该探头是由多股漆包线绕制的成扁平形状的线圈,并固定在线圈支架上。

  (2)传感元件: 前置器是由一个能够屏蔽外界干扰高频电路信号的金属密封盒构成,信号处理电路装在该密封盒子中,并用环氧树脂材料进行灌封密封。

  (3)测量电路:该电路可采用放大器电路、三极管及其外围电路来产生高频振荡信号。考虑到当采用运算放大器电路和三极管电路构成的正弦波高频振荡电路,有许多的模拟电路参数需要处理。

3 信号处理电路

  信号处理电路采用如图3所示的LC谐振电路处理探头反馈的高频振荡信号,该前置器电路由一个频率及幅值电压可调的振荡电路来提供一个高频激励谐振回路信号。LC谐振回路的输出幅值电压为 ,其中i0为电路中的激励电流,Z为电路的等效阻抗。当测量时,探头线圈远离被测物时,LC谐振回路处于谐振状态,谐振回路上的输出激励电压幅值最大;当探头线圈接近于被测物时,探头线圈中的等效电感L发生变化,从而导致谐振回路失谐,等效阻抗值发生变化,使输出信号电压幅值下降。输出的电压信号经过检波电路、放大电路、滤波电路处理后,输出与位移相对应的电压信号。从而实现了将中的L-x之间关系转换成了V-x之间关系,通过对输出信号电压数值的测量,可确定电涡流探头端面与被测金属导体之间的非接触距离x。如,将电涡流位移探头检测量程设计为0~2mm,在该量程范围内,LC随着L与被测物位移量变化而幅值相应的变化,经过检波、放大、滤波后,位移输出电压信号为0~5V,实现前置器高频信号处理与信号调理。电涡流就是利用涡流效应,将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。

4 前置器电路改进方案

  图4所示电路为前置器信号处理过程中的电压跟随电路,该电路能够对其输出的电压信号进行调节,实现线性量程调节与电压信号输出调节;通过调节不同变化的激励信号,能够输出相对应的电压反馈信号,通过调节输出零点电压与不同范围电压值,从而调整输出线性量程范围;该电路由两个运算放大器组成,电位器R52与放大器U2B组成电压跟随电路,输出可变电压,通过调节R52电位器数值大小,可调节输出电压零点位移;电位器R31与放大器U2C组成反相器电路,通过调节R31电位器数值与U2B放大器输出大小调节,经过运算放大器U2C比较后,输出可调节的线性量程与输出电压范围可变的电压信号,经过两组电位器大小调节,实现对线性量程与输出电压范围可调功能。

  图4中信号调节电路放在图3的滤波器信号输出位置,信号调节电路输入滤波后电压信号,通过信号调节电路中两个电位器参数调节,实现电涡流位移可变线性量程与输出电压范围的功能,该前置器信号调节电路满足探头电感参数L从10μH到70μH范围内进行调节,输出满足要求的线性量程位移变化量,该信号调节电路方案与调试方法简单、成本低,使用者仅需要对前置器两个电位器参数进行调节即可。

5 结论

  当电涡流位移前置器配合不同电感参数的探头,对前置器进行调试与校准后,线性量程输出的位移信号可以调节,经过实际测量,探头电感参数从10μH~70μH变化范围内,均可通过该设计方案的前置器进行信号处理,输出所要求的线性量程与电压信号。

  本文设计的前置器电路可以通过实时调整其电路电阻参数,能够有效调节输出量程与输出电压大小,可以即满足数字软件校正电路调节,又满足模拟电路成本低的要求,可对电涡流位移探头不同电感参数与线性量程。

  电涡流位移前置器电路信号处理电路的改进,能够简化电涡流位移电路调节的难度,对静态校准与位移调零具有明显改善。

  参考文献:

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  本文来源于《电子产品世界》2018年第1期第69页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。




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