一种电涡流位移传感器及实现方法技术

本发明专利技术公开了一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器及实现方法。该传感器包括交流谐振升压电桥、稳幅电路、幅度补偿与加法电路、正交采样触发信号生成电路和高速采样处理器；所述方法包括：通过双路采样方法进行双路采样数据，根据双路采样数据(S1、S2)计算谐振电路损耗电阻；根据电路损耗电阻计算线圈位移；根据温度S3，计算温度补偿后的位移温飘。本发明专利技术通过线圈升压，稳幅激励，幅度补偿的方法提高了传感器的灵敏度和测量范围；通过正交采样，数字处理的方法减小了外界干扰，提高了动态响应与稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种电涡流位移传感器及实现方法
本专利技术涉及一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器，该传感器广泛用于位移、振动测量、也适用于生产线状态监控。
技术介绍
该类传感器的基本原理是发射交变电磁场的线圈靠近金属时会出现涡流效应，线圈到金属面距离越近，损耗越大。在其他因素不变的情况下，可以通过测量损耗来测量传感器与金属面的距离。目前，电涡流位移传感器的线性范围只有探头直径的一半；在测量量程内，电感探头输出信号的变化范围小，灵敏度低；采用二极管式的绝对值检波，抗干扰性低；并且内部集成大量的模拟器件，造成温飘严重，系统复杂等缺点。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器及实现方法，所述传感器为高可靠性，低温漂的电涡流位移传感器。本专利技术的目的通过以下的技术方案来实现：一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器，包括：所述传感器包括交流谐振升压电桥、稳幅电路、幅度补偿与加法电路、正交采样触发信号生成电路和高速采样处理器；所述交流谐振升压电桥，由谐振器、与谐振器并联的电阻(R2)及与谐振器串联的电容(C1)和电阻(R1)组成；所述谐振器由电感探头(Lx)、两个串联电容(C2、C3)组成；稳幅电路，由可变增益放大器(4)、同步检波电路(3)、幅度平均电路(6)和比较调节器(7)组成；幅度补偿与加法电路，由运放与电阻组成，用于调节幅度补偿的大小，并将补偿信号和稳幅电路输出信号相加，相加后得到的信号作为交流谐振升压电桥的激励信号(S1)；正交采样触发信号生成电路，由高速比较器组成，该比较器设置有两个输入端，一端连接在同步检波电路(3)输出端上，另一端输入为特定值的直流电压(S_ut)。一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器的实现方法，包括：通过双路采样方法进行双路采样数据，根据双路采样数据(S1、S2)计算谐振电路损耗电阻；根据电路损耗电阻计算线圈位移；根据温度S3，计算温度补偿后的位移温飘。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：采用幅度补偿技术，可以增加传感器的输出范围，提高灵敏度；采用高速比较器，对稳幅的同步检波信号B进行幅度比较，从而产生正交采样触发信号；这种方法结构简单，能可靠的产生相位差为90度的正交采样触发信号(S_t)；采用测量探头线圈与两个电容串联，并从一个电容两端输入激励；在相同的激励电压条件下，相比从线圈两端输入激励信号，可以显著提高电感线圈两端的激励电压，增大测量范围；采用高速比较器和高速模拟开关组成同步检波器，相比用二极管组成的绝对值电路，具有速度快、精度高、稳定性好的优点；采用相位差为90度的正交采样方法，降低了采样速率，并且可以简便的求得探头电感线圈的阻抗；同时采用数字信号处理的方法比用模拟电路进行信号处理稳定性好、结构简单、重构方便的优点。传感器做一次测量时，采样个数n可以调整，调整采样个数可以改变系统的动态响应；每次测量时采样个数n越小，动态响应越高，并且由于采集电桥的激励信号S1与输出信号S2作为测量位移的依据，传感器的动态响应不受限于稳幅电路的动态响应；系统的动态响应仅和采样频率和采样个数n有关。采用拟合多项式来校正传感器的测量温飘的方法，比一般采用的查表法速度更快，存储容量更小，提高了传感器的频率响应性能。附图说明图1是大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器结构图；图2是稳幅电路；图3是幅度补偿与加法电路；图4是正交采样触发信号生成电路；图5是电桥信号(S1与S2)的波形；图6a和6b是稳幅信号(A)与同步检波输出信号(B)的波形；图7是正交采样触发信号(S_t)与同步检波输出信号(B)的波形。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述。如图1所示，为大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器结构，包括：交流谐振升压电桥、稳幅电路、幅度补偿与加法电路、正交采样触发信号生成电路和高速采样处理器；所述交流谐振升压电桥，由谐振器、与谐振器并联的电阻R2及与谐振器串联的电容C1和电阻R1组成；所述谐振器由电感探头Lx、两个串联电容C2、C3组成；稳幅电路，由可变增益放大器4、同步检波电路3、幅度平均电路6和比较调节器7组成；幅度补偿与加法电路，由运放与电阻组成，用于调节幅度补偿的大小，并将补偿信号和稳幅电路输出信号相加，相加后得到的信号作为交流谐振升压电桥的激励信号S1；正交采样触发信号生成电路，由高速比较器组成，该比较器设置有两个输入端，一端连接在同步检波电路3输出端上，另一端输入特定值的直流电压S_ut。本实施例采用幅度补偿技术可以增加传感器的输出范围，提高灵敏度。其原因如下：假设电感探头在测量位移最大和最小之间，其损耗电阻Rx的值域为{Rx|Rmin≤Rx≤Rmax}，令则Krx的值域为可假设则Krx的值域为{Krx|Krx_min≤Krx≤Krx_max}；假设电桥稳幅激励(S1＝A)时，传感器的输出(S2)范围为：Dran_1＝A*(Krx_max-Krx_min)，当电桥带幅度补偿，补偿方式为：S1＝K*S2+A，其输出(S2)范围为：当K*Krx＜1时，所以Dran_2＞Dran_1，幅度补偿技术可以提高传感器的输出范围，同时也提高了灵敏度。上述电感Lx是电涡流传感器探头的线圈，该线圈发射高频的电磁场，当线圈靠近金属面时，产生涡流效应，出现涡流损耗；并且距离越近，损耗越大。电阻R1是比例分压电阻；电阻R2是衰减匹配电阻，通过调整R2电阻，可调整电桥的衰减比；电容C2、C3为谐振电容；电容C1为隔直流电容。电桥的激励信号为S1、输出信号为S2，且该电桥和外部的放大器形成可控的自激电路，自激的频率由探头Lx的电感量，电容C2、C3的大小确定。幅度补偿与加法电路中：输入信号由谐振器输出信号S2和稳幅信号A组成，外部可控的自激电路确定了电桥信号的大小关系为：S1＝K*S2+A，其中“K”为补偿系数，A为稳幅信号，该信号与电桥输出信号S2同频同相。从交流电桥(C1、C2、C3、R1、R2、Lx)自身来看，如果分压系统为Krx，可以得到S2＝Krx*S1；S2的大小由外部的放大电路和交流电桥自身的分压关系共同决定。使用幅度补偿的方法可扩大电涡流位移传感器的量程和灵敏度；不过环路的总增益(K*Krx)要控制在小于1的范围内，否则环路将失去控制。同时，通过改变稳幅电路的给定，可实现稳幅叠加信号的幅度的修改，最终能改变交流电桥上的激励信号S1和输出信号S2。上述交流谐振升压电桥中谐振器的抽头设置在电容C3的两端。上述比较调节器的输入端分别是幅度平均电路的输出信号C与基准电压S_ua。可变增益放大器的输入信号来自电桥的输出信号S2，输出信号A是稳幅信号，该稳幅信号由同步检波3、幅度平均6、比较调节器7组成闭环控制网络来实现。具体过程是：同步检波相当于对需要稳幅的信号取绝对值；然后对取绝对值的信号B进行幅度平均，相当于稳幅信号的幅度信息转化成了直流电压C；该电压C与给定的直流电压S_ua进行比较，并做负反馈调节，使得输出信号A的绝对值的平均值始终等于给定的直流电压S_ua，达到稳幅的目的。在图2中，高速比较器U7在信号的过零点触发，形成一个方波信号。该方波信号控制高速模拟开关U5；当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器，其特征在于，所述传感器包括交流谐振升压电桥、稳幅电路、幅度补偿与加法电路、正交采样触发信号生成电路和高速采样处理器；所述交流谐振升压电桥，由谐振器、与谐振器并联的电阻(R2)及与谐振器串联的电容(C1)和电阻(R1)组成；所述谐振器由电感探头(Lx)、两个串联电容(C2、C3)组成；稳幅电路，由可变增益放大器(4)、同步检波电路(3)、幅度平均电路(6)和比较调节器(7)组成；幅度补偿与加法电路，由运放与电阻组成，用于调节幅度补偿的大小，并将补偿信号和稳幅电路输出信号相加，相加后得到的信号作为交流谐振升压电桥的激励信号(S1)；正交采样触发信号生成电路，由高速比较器组成，该比较器设置有两个输入端，其中一端连接在同步检波电路(3)的输出端上，另一端输入直流电压(S_ut)。

【技术特征摘要】
1.一种大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器，其特征在于，所述传感器包括交流谐振升压电桥、稳幅电路、幅度补偿与加法电路、正交采样触发信号生成电路和高速采样处理器；所述交流谐振升压电桥，由谐振器、与谐振器并联的电阻(R2)及与谐振器串联的电容(C1)和电阻(R1)组成；所述谐振器由电感探头(Lx)、两个串联电容(C2、C3)组成；稳幅电路，由可变增益放大器(4)、同步检波电路(3)、幅度平均电路(6)和比较调节器(7)组成，所述比较调节器的输入端分别是幅度平均电路的输出信号(C)与基准电压S_ua；幅度补偿与加法电路，由运放与电阻组成，用于调节幅度补偿的大小，并将补偿信号和稳幅电路输出信号相加，相加后得到的信号作为交流谐振升压电桥的激励信号S1；正交采样触发信号生成电路，由高速比较器组成，该比较器设置有两个输入端，其中一端连接在同步检波电路(3)的输出端上，另一端输入直流电压S_ut。2.如权利要求1所述的大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器，其特征在于，交流谐振升压电桥中谐振器的抽头设置在电容(C3)的两端。3.如权利要求1所述的大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器，其特征在于，幅度补偿与加法电路中：输入信号由谐振器输出信号S2和稳幅信号A组成；交流谐振升压电桥的激励信号S1与输入信号S2和稳幅信号A的符合关系式为：S1＝K*S2+A，其中“K”为补偿系数。4.如权利要求1所述的大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器，其特征在于，所述正交采样触发信号生成电路中比较器的一个输入端输入特定值的直流电压S_ut的大小为：5.一种如权利要求1所述的大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器的实现方法，其特征在于，所述方法包括：通过双路采样方法进行双路采样数据，根据双路采样数据S1、S2计算谐振电路损耗电阻；根据电路损耗电阻计算线圈位移；根据温度S3，计算温度补偿后的位移温漂。6.如权利要求5所述的大量程高精度高动态响应电涡流位移传感器的实现方法，其特征在于，所述双路正交采样包括双路ADC，该ADC由上升沿和下降沿触发采样；触发采样信号来源于正交采样触发信号发生电路的输出信号S_t。7.如权利要求5所述的大量程高精度高动态响应电涡流位移...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昌，周松斌，韩威，刘忆森，黄可嘉，刘伟鑫，
申请(专利权)人：广东省自动化研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44