成绩评定：
传感器技术
课程设计
题目位移电涡流传感器测量电路设计
摘要
电涡流传感器由于具有对介质不敏感、非接触的特点,广泛应用于对金属的位移检测中。
为扩大电涡流传感器的测量围,采用恒频调幅式测量电路,引用指数运算电路作为非线性补偿环节。
利用Matlab计算软件辅助设计了直径为60mm电涡流传感器探头,并结合测量电路进行实验。
实验结果表明最大测量围接近90mm,验证了该系统工作的稳定性,证明设计达到了预期效果。
关键词:电涡流传感器;测量电路;大位移;线性化
目录
一、设计目的------------------------- 1
二、设计任务与要求--------------------- 1
2.1设计任务------------------------- 1
2.2设计要求------------------------- 1
三、设计步骤及原理分析 ----------------- 1
3.1设计方法------------------------- 1 3.2设计步骤------------------------- 2
3.3设计原理分析---------------------- 6
四、课程设计小结与体会 ----------------- 6
五、参考文献-------------------------- 6
一、设计目的
1.了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
2.了解电涡流传感器的前景及用途
二、设计任务与要求
2.1设计任务
扩大电涡流传感器的测量围,采用恒频调幅式测量电路,引用指数运算电路
作为非线性补偿环节。
验证了该系统工作的稳定性,证明设计达到了预期效果。
2.2设计要求
1. 工作在常温、常压、稳态、环境良好；
2. 设计传感器应用电路并画出电路图;
3. 应用围：测量物体的位移。
三、设计步骤及原理分析
3.1设计方法
电涡流传感器具有体积小、非接触、对介质不敏感的特点,被广泛应用于对金属位移等的测量中。
尽管用电涡流传感器非接触测量位移已经得到广泛的应用,但是测量位移的线性围受到传感器线圈直径的限制,位移测量围为线圈直径的1/3~1/5,大直径的传感器,其测量围最大可以接近到直径的1/2。
在许多领域希望能进一步扩大传感器的测量围,以满足大位移的非接触测量。
文中采用指数运算电路作为非线性补偿环节来改善传感器原有的传输特性,扩大传感器测量围。
由电磁感应定律可知:闭合金属导体中的磁通发生变化时,就会在导体中产生闭合的感应电涡流,阻碍磁通量的变化。
如图1所示,传感线圈由交流信号激励,在产生焦耳热的同时,又要产生磁滞损耗,它们造成交变磁场能量的损失,进而使传感器的等效阻抗Z发生变化。
影响阻抗Z的因素有被测导体的电导率、磁导率、线圈的激励频率f及传感器与被测导体间的位移x等,只要保证这些影响因素只有位移x变化,其他都保持不变,则传感器的等效阻抗Z将变成位移x的一元函数Z(x),经过线性化处理后
用Z的变化就能很好地反映出x的变化,实现测量位移x的目的。
3.2设计步骤
3.2.1测量电路的设计
电涡流传感器的测量电路可以归纳为调幅式和调频式2种。
调幅式电路又可细分成恒定频率的调幅式与频率变化的调幅式2种,文中采用恒定频率调幅式电路,其特点是输出可以被调理为直流电压,优势在于调节为直流电压后,采用指数运算电路对传感器的非线性段进行线性化补偿,可最大限度地扩大传感器测量围。
测量电路由电涡流传感器、信号源电路、前级放大电路、检波滤波电路、指数补偿电路等5部分构成。
3.2.2传感器参数的确定
传感器的主要元件是一支固定于框架上的扁平线圈与一个电容并联所构成的并联谐振回路。
线圈尺寸和形状关系到传感器的灵敏度和测量围,采用计算机Matlab计算软件得到传感器线圈的最优结构参数:外径为60mm,径为57mm,轴向厚度为3mm,匝数为80,线径为0.25mm.
3.2.3信号源电路
信号频率及其稳定性对检测效果的影响非常大,一般来说,若振荡频率变化1%,输出变化大约在10%以上。
DDS具有相位连续、转换速度快、信号稳定度高等优
点。
采用AD9850与单片机产生正弦信号,经滤波、功率放大等处理后送给传感器。
AD9850与单片机组成的信号源电路,在参考时钟为125MHz下,输出频率分辨率可达0.029Hz。
3.2.4前级放大电路
电涡流位移传感器是将位移量转化为电信号,由于信号为变化缓慢的非周期信号,而且比较微弱,只有通过放大才能驱动负载。
同时,要求放大电路要有高的输入阻抗,以减小测量电路的负载,提高LC并联谐振回路的品质因数。
采用低噪声、精密集成运算放大器OP37搭建同相输入前级放大电路,同时得到1M以上的高输入阻抗和较低的输出阻抗。
3.2.5检波滤波电路
采用二倍压检波电路与有源二阶低通滤波电路,如图2所示,得到与交流电压信号幅值变化相对应的直流电压信号。
电路还具有电压的调节作用,即调节反馈电阻RW1获取传感器线圈与被测位移为0处所对应的输出电压,为后面的指数非线性补偿等处理做准备。
图2检波与滤波电路
3.2.6指数补偿电路
当位移x在50mm以外变化时,电涡流传感器输出电压仍有变化,只是变化十分缓慢。
为增大测量围,需要一个补偿环节,其传输特性如图3第三象限中曲线2所示,它与第一象限中传感器输出特性(曲线1)一起,实现最终第四象限的线性结果。
在第三象限较远处,当输入(横轴方向)逐渐增大变化时,输出(纵轴方向)的变化率不断增大,这种曲线类似指数运算。
故利用2支双极型晶体管与精密、低噪声运放AD704设计一个指数运算电路,可以达到上述要求。
图3 非线性化补偿图解
如图4所示,在进行指数补偿之前,通过运算放大器A3的减法运算得到位移x 的对应变化电压V2,运算放大器A4和A5的作用是选择指数补偿的起点电压。
5V 电压基准Vref1、Vref2及后面Vref3均由低噪声、低漂移、精密电压基准MAX6250提供;开关二极管D3保证输出电压的单一方向,即V3>0,对指数补偿电路起保护作用。
图4 非线性补偿起点获取电路
指数补偿电路如图5所示,放大器A6、A7与三极管Q1、Q2组成指数补偿电路,放大器A8与A9组成豪兰德(Howland)电流源电路,为指数运算电路提供如图所示的恒定电流:
图5 指数补偿电路
由于指数运算电路只对较远处起作用,对较近的距离反而具有衰减的负面效应,为解决此问题,将指数运算电路输出V4与图5过A3减法运算得到位移x的对应变化电压V2相加得到最终的输出电压Vout。
3.2．7实验结果
把电涡流位移传感器固定在一方,在另一方放置一块厚度为2cm,面积为(200*200)mm2的钢板作为被测导体,当钢板移动时,用游标卡尺读出位移x,在数字电压表上读出补偿前后电压值Vout1和Vout2,并转化成对应的相对电压Vob1和Vob2(输出电压值Vout与最大输出电压Vomax的比值),如表1所示。
把这2组数据画成位移-电压曲线如图6所示。
图6 位移-电压曲线
3.3设计原理分析
实验结果表明:采用指数运算电路作为电涡流位移传感器的非线性补偿环节,能够有效地改善传感器原有的传输特性,线性测量围由原来不足直径的1/2最大可扩展到直径的1倍以上,基本能够满足大位移测量需要。
四、课程设计小结与体会
在这几天的课程设计中我学到了许多，既有有因无从下手和失败而迷茫和沮丧，也有获得成功后的沾沾自喜。
而且发现自己的知识储备实在太少。
在课程设计中每天不断的查资料分析电路，要找出试验电路和经典电路之间的共性。
课程设计真的不容易。
对我的提高确实很大。
五、参考文献
[1]邵东向,郭华.电感式位移传感器线性补偿技术.传感器技术,1999
[2]邵爱霞,辉,伟文.定频调幅式电涡流传感器电路及其在防水数显卡尺中的应用.计算机测量与控制,2005
[3]邰健,朱惠忠.大量程电涡流位移传感器线性化电路研究.仪表技术与传感器,1998。