消除材料敏感性的電渦流傳感器測量電路

鄭 敏 田新啟

(東南大學(xué)火電機(jī)組振動(dòng)國家工程研究中心，南京 210096)

電渦流傳感器廣泛應(yīng)用于化工、電力及機(jī)械等行業(yè)，在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測量被測金屬導(dǎo)體與探頭表面的相對(duì)位移時(shí)具有非接觸、線性度高、分辨率高及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于傳感器的工作原理，使得被測體的材料特性對(duì)傳感器輸出具有很大影響，材料的電阻率、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率影響著傳感器磁場的分布，進(jìn)而影響激勵(lì)線圈與被測導(dǎo)體間互感的變化和線圈的等效阻抗，導(dǎo)致傳感器靈敏度波動(dòng)。被測材料對(duì)傳感器輸出特性的影響，使其在應(yīng)用時(shí)需要反復(fù)標(biāo)定和校準(zhǔn)，這成為限制其大范圍使用的缺陷。

針對(duì)上述傳感器材料敏感性問題，采用阻抗投影變換方法[2]，設(shè)計(jì)出能夠消除材料敏感性的測量電路，并通過φ11mm傳感器測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測量電路消除材料敏感性的功能。

用具有不同電磁特性的被測材料研究線圈的等效阻抗時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同被測對(duì)象在相同的檢測距離下，傳感器線圈的等效電阻和等效電感存在近似線性關(guān)系。采用投影方法，將不同被測材料在相同檢測距離下的線圈等效阻抗投影到等效投影面上，使這些不同的阻抗經(jīng)投影后具有一個(gè)相同的值，從而消除傳感器對(duì)被測材料的敏感性，其原理如圖1所示。其中Zi為不同被測體在同一檢測距離下的阻抗向量；Xi為不同的檢測距離；投影平面p與直線Xi垂直；線圈阻抗Zi在向投影面上投影時(shí)，與縱軸的交點(diǎn)為Zpi，投影為Zp(Xi)。等效阻抗Zi的相位角為φi，Zi投影到水平面是等效電阻，投影到垂直面是等效感抗；θ是投影平面與橫軸的夾角。

圖1 阻抗投影原理

Zi與Zp(Xi)的關(guān)系：

Zp(Xi)=Zi×cos(θ-φi)

(1)

Zp(Xi)與Zpi的關(guān)系：

(2)

由式(1)、(2)可以得到：

(3)

通過投影的方法，同一檢測距離下不同被測材料形成的線圈阻抗可等效到一個(gè)相同的值，從而消除材料的敏感性。

2 測量電路設(shè)計(jì)

根據(jù)阻抗投影變換原理設(shè)計(jì)的測量電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括振蕩器、放大電路、V-I轉(zhuǎn)換電路、移相器、相敏檢波電路和非線性補(bǔ)償電路。

圖2 基于阻抗投影變換原理的測量電路結(jié)構(gòu)

2.1 振蕩器

MAX038集成芯片只需個(gè)別的外圍元件就能產(chǎn)生從0.1Hz～20MHz的低失真正弦波、三角波及矩形波等信號(hào)[3]，具有精密、低失真、低溫漂及外圍元件少等特點(diǎn)。為減少電路的分立元件，采用集成的信號(hào)發(fā)生芯片產(chǎn)生1MHz的正弦波信號(hào)。其輸出電壓V0具有恒定幅值、相位和頻率，經(jīng)放大后同時(shí)供給換流器和移相器。

2.2 放大電路

由于MAX038輸出信號(hào)的幅值為2V，不利于后續(xù)電路的工作，而且會(huì)使相敏檢波電路的輸出電壓過小而影響電路輸出信號(hào)的進(jìn)一步處理。為了調(diào)節(jié)正弦波信號(hào)的幅值，使其在合適的范圍，采用具有更高輸入阻抗和較低輸出阻抗的同相比例放大電路進(jìn)行放大，其放大倍數(shù)小于6。

2.3 移相器

移相器的作用是將放大的正弦波信號(hào)移動(dòng)相應(yīng)的角度，并要超前于激勵(lì)信號(hào)。電路中移相器的輸入為前級(jí)振蕩電路產(chǎn)生的正弦波經(jīng)放大后的信號(hào)Vs，輸出為要得到的投影參考信號(hào)Vr。移相器設(shè)計(jì)電路如圖3所示，當(dāng)R1=R2時(shí)，|Vs|=|Vr|、相頻θ=π-2arctan(ωR3C1)。在信號(hào)頻率一定時(shí)，只需合理選取R3和C1的值，即可得到移相的角度。移相的角度即為投影軸的角度，經(jīng)實(shí)測投影角θ=143.06°。

圖3 移相器電路

2.4 V-I轉(zhuǎn)換電路

V-I轉(zhuǎn)換電路，即換流器，是將放大后的振蕩器的輸出電壓Vs變換為電流源Is，給探頭線圈提供穩(wěn)定的高頻電流。為了使電壓信號(hào)準(zhǔn)確反映探頭線圈的阻抗信息，要求換流器的輸出為恒流源。電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，求得Is=Vs/R7，輸出電流源只決定于輸出電壓Vs和電阻R7，與負(fù)載阻抗無關(guān)，實(shí)現(xiàn)了將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流源的功能。

圖4 V-I轉(zhuǎn)換電路

2.5 相敏檢波電路

相敏檢波電路是實(shí)現(xiàn)阻抗投影變換的關(guān)鍵電路。當(dāng)輸入信號(hào)和參考信號(hào)同頻率時(shí)，檢波電路的輸出隨兩信號(hào)相位差的余弦而變化。相敏檢波電路由乘法器和低通濾波電路組成[4]，其原理如圖5所示。

圖5 相敏檢波電路原理

設(shè)探頭信號(hào)：

Vm(t)=Vmcos(ωt+φm)

(4)

參考信號(hào)：

Vr(t)=Vrcos(ωt+φr)

(5)

乘法電路的輸出信號(hào)：

(6)

為此，選擇高速、帶寬、高乘法精度的HA1-2556型四象限模擬乘法器，實(shí)現(xiàn)Vm在Vr方向上的投影變換。同時(shí)設(shè)計(jì)截止頻率為10kHz的三階巴特沃斯低通濾波器，過濾乘法器輸出的高頻分量，并抑制噪聲干擾，使得整個(gè)電路的工作更加穩(wěn)定可靠。經(jīng)濾波后，乘法器輸出信號(hào)中的2MHz交流信號(hào)的幅值衰減為原來的1/106。

2.6 非線性補(bǔ)償電路

為獲得良好的線性化補(bǔ)償，以函數(shù)補(bǔ)償法為基礎(chǔ)[5]，通過模擬電路實(shí)現(xiàn)三次補(bǔ)償函數(shù)的運(yùn)算，進(jìn)而設(shè)計(jì)出線性化器。非線性補(bǔ)償電路原理如圖6所示，電路采用AD534模擬乘法器、AD620放大器和LM317穩(wěn)壓器。其中，AD534為四象限乘法器，最大誤差0.25%；LM317穩(wěn)壓器通過改變調(diào)節(jié)電阻的值提供所需的3個(gè)基準(zhǔn)電壓V1、V2和V3；AD620對(duì)校正后的信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大，僅需一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益倍數(shù)A。電路中的輸入與輸出有如下關(guān)系：

Va=(V1-Vp)×(Vp-Vn)

(7)

Vb=(V2-Va)×(Vp-Vn)

(8)

Vout=A×(Vb-V3)

(9)

由式(7)～(9)得出對(duì)相敏檢波電路輸出電壓信號(hào)Vp補(bǔ)償后的輸出Vout=A(V2×Vp-V1×Vp2+Vp3-V3)。當(dāng)校正函數(shù)發(fā)生改變時(shí)，只需根據(jù)校正函數(shù)中的各項(xiàng)系數(shù)調(diào)整相應(yīng)穩(wěn)壓電路的輸出，就可以得到所需的補(bǔ)償函數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出線性化。

圖6 補(bǔ)償電路原理

3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

利用φ11mm傳感器探頭測得不同被測材料下傳感器輸出的電壓值。在不同材料下對(duì)應(yīng)的傳感器輸出特性曲線如圖7所示。同時(shí)給出這些擬合直線的直線方程及線性擬合度等參數(shù)，見表1。

圖7 傳感器輸出線性擬合結(jié)果

被測材料擬合直線方程(Y=A+BX)AB線性擬合度夾角(°)銅0．4001．1780．9995849．67鐵0．3711．1900．9993749．96鋁0．3811．1900．9993749．9645#鋼0．3671．1810．9993849．74A3鋼0．4321．1800．9992749．72不銹鋼0．4001．1780．9995849．67DT4鐵0．4121．8100．9992749．74

從圖7和表1可以看出，經(jīng)非線性補(bǔ)償后，傳感器輸出的線性擬合度達(dá)到0.999。同時(shí)由擬合直線的斜率和夾角得出，不同材料對(duì)應(yīng)的擬合直線近似重合，這表明傳感器在不同材料下的輸出特性近似相同，能消除被測材料的影響。

4 結(jié)束語

在分析阻抗投影變換原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)阻抗投影變換原理的測量電路，實(shí)現(xiàn)了消除傳感器對(duì)被測材料的敏感性。通過實(shí)驗(yàn)測試，得出兩個(gè)結(jié)論：相敏檢波電路實(shí)現(xiàn)了線圈等效阻抗的投影，完成了輸出值的同一化，非線性補(bǔ)償電路對(duì)7種被測材料的輸出補(bǔ)償具有良好的線性化結(jié)果；從輸出擬合直線的重合性得出測量電路的正確性，也實(shí)現(xiàn)了消除材料敏感性的功能，得到設(shè)計(jì)的φ11mm傳感器的材料敏感性誤差為±1.8%，優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器。

[1] 李玉軍,劉軍,周軍偉,等.電渦流傳感器在鋁箔厚度測量中的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù),2005,24(6):77～78.

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[4] 趙維謙,譚久彬,劉冰峰,等.改善調(diào)幅式傳感器測量電路精度的措施[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2001,22(3):247～250.

[5] 薛亞琴,劉奕平.電渦流傳感器特性曲線擬合的新方法[J].傳感器技術(shù),2003,22(7):42～44.