基于電渦流傳感器微小距離測量系統

張春暉

摘? ?要：本文研究了一種基于電渦流傳感器高精度微小位移測量系統。針對溫度對電渦流傳感器測量位移的精確性的影響，通過調試測量了不同溫度下電渦流位移傳感器的輸入輸出特性，擬合了不同溫度下電渦流傳感器輸出電壓和輸入位移的曲線，補償溫度對輸入與輸出的非線性誤差。針對電渦流位移傳感器的輸入輸出存在的非線性關系，通過設計硬件電路、一次或二次曲線擬合和軟件控制算法對非線性矯正，提高了系統測量精度。

關鍵詞：電渦流傳感器;曲線擬合;STM32F103單片機;電容三點式振蕩電路

引言

微小位移測量精度要求越來越高，尤其航空航天對于微小位移的測量幾乎沒有偏差，測量必須精確，測量位移的傳感器不外乎以下幾種，諸如激光位移傳感器、超聲波位移傳感器、電容式位移傳感器、光柵式位移傳感器和電渦流位移傳感器。激光位移傳感器、超聲波位等位移測量傳感器易受外界環境的影響，光柵式位移傳感器價格較高，電渦流傳位移傳感器精度高，抗干擾能力強，電渦流位移傳感器是依據法拉第電磁感應原理，當電渦流傳感器被高頻正弦波信號激勵時，會在周圍環境中產生交變磁場，當金屬導體靠經磁場時又會反作于先前產生的磁場，削弱其強度，同時線圈的阻抗就會發生變化，利用線圈的阻抗發生變化而引起電路正弦波信號的頻率的變化來表征位移量，由于溫度變化和阻抗與距離間的非線性影響測量精度。

本文設計了一種高精度微小位移測量系統，通過溫度補償和非線性補償算法提高測量精度，測量位移的范圍在0.1mm-10mm，精度±0.2%。

1 測量系統總體結構設計

測量系統由正弦波振蕩電路、檢測電路、單片機、LCD顯示電路構成，系統結構圖如圖1所示。

通過電容三點式振蕩電路產生1MHz的高頻正弦波信號去激勵電渦流傳感器，再經π型濾波器和放大電路輸出電壓，由單邊機采樣進行收數據處理輸出電壓和位移的函數關系，測量結果由LCD屏幕顯示。

2 LC電容三點式正弦波振蕩器的電路

LC正弦波振蕩電路的種類很多，考慮到電渦流傳感器的特性，采用的有電容三點式振蕩器，電路如圖2所示。

電容C1=2500pF，C2=2500Pf，電感L=10μH，通過計算得到正弦波振蕩電路的頻率為：

電路仿真波形如圖3所示。

3 溫度補償

通過在不同溫度下測量距離和輸出電壓數據得出如下關系曲線，補償溫度對測量的影響，不同溫度下測量距離和輸出電壓關系如圖4所示。

4 數據采集及非線性校正

電渦流傳感器輸出的電壓通過STM32F103單片機讀取，STM32F103

的內部集成12路的A/D模塊，通過keil5軟件編程將電壓的模擬量轉換為數字量，通過二次曲線擬合得到輸入距離和輸出電壓如圖5所示。

5 實驗結果與結論

在室內環境溫度20°C下進行對電渦流傳感器的輸入位移和輸出電壓數據進行了測試，記錄了電渦流傳感器輸入位移在0mm-10.00mm時電渦流傳感器的測試數據，測試數據如表1所示。

由上表測試數據誤差小于0.2%，證明測量系統電路和補償算法有效。