基于MAX1452的電渦流傳感器設計

鹿文龍 漢海霞

摘要：基于MAX1452設計電渦流傳感器電路，利用MAX1452多溫度點補償功能，對電渦流傳感器進行溫度補償，可使電渦流傳感器具有溫度誤差自動修正功能，改善電渦流傳感器的溫度特性。設計的電渦流傳感器在實際測試中性能穩定，溫度特性良好，對提升電渦流傳感器測量精度和溫度特性具有重要意義。

關鍵詞：電渦流;距離測量;MAX1452;溫度補償

傳統的電渦流傳感器普遍沒有溫度補償功能，通常溫度特性較差。即便進行了溫度補償，效果也很有限，只能通過放置一個與探頭線圈溫度特性相反的電感進行粗略補償，且補償溫度范圍很窄，無法取得良好的補償效果。為了提高電渦流傳感器的溫度特性，減小溫度對電渦流傳感器的影響。本文提出一種基于MAX1452的電渦流傳感器設計，在實現電渦流測量的同時，可以對電渦流傳感器進行溫度補償。本設計可以在（-40～125）°C范圍內對電渦流傳感器進行溫度補償，并可多個溫度點補償。在保證電渦流傳感器輸出性能的基礎上，改善了電渦流傳感器的溫度特性。MAX1452采用數字化補償方式，補償精度高，操作方便，可以實現傳感器的批量補償。

1電渦流傳感器結構和工作原理

如圖1所示，電渦流傳感器由探頭、電路板、外殼和線纜組成[1]。探頭內部是1個線圈，可等效為電感L。電路板包括振蕩電路、諧振電路、檢波電路、補償放大電路和濾波電路，其中諧振電容C與探頭線圈L組成LC諧振電路，其諧振頻率f為1/2πLC。外殼用于保護和固定內部元件，線纜用于傳感器供電和信號輸出。

電渦流傳感器采用非接觸式測量原理[2]，通常用于測量距離。圖2為電渦流傳感器工作原理，當金屬板置于探頭線圈附近，它們之間的間距為δ，線圈輸入交變電流i1時，便產生交變磁通量Φ1。金屬板在此交變磁場中會產生感應電流i2，這個電流在金屬板內是閉合的，所以稱之為“渦流”。這個渦電流也將產生交變磁場Φ2，與線圈的磁場變化方向相反，Φ2總是抵抗Φ1的變化，由于渦流磁場Φ2的作用使探頭線圈的等效阻抗發生變化。利用這種渦流效應，電渦流傳感器通過將距離變化轉換為阻抗變化來進行測量。

2電渦流傳感器溫度誤差分析

分析的電渦流傳感器基于調幅式原理，由振蕩電路、諧振電路和信號處理電路組成。其中諧振電路由探頭線圈[3]和諧振電容組成，是電渦流傳感器的敏感元件。由振蕩電路產生固定頻率的振蕩信號注入諧振電路，諧振電路構成的LC振蕩電路產生諧振。當被測距離發生變化時，探頭線圈的阻抗會發生變化，進而引起其端電壓發生變化，測量此端電壓便可間接測量距離。

如圖3所示，R為探頭線圈的等效電阻[4]，L為探頭線圈的等效電抗。當環境溫度發生變化時，探頭金屬導體的電導率會發生改變，探頭線圈也會因為熱脹冷縮而改變幾何尺寸。因此，環境溫度對探頭線圈的電阻和電抗都會產生影響。

R=R（T）（1）L=L（T，d）（2）

式中：T為環境溫度，d為待測距離。

當傳感器工作時，整個測量電路的工作頻率位于諧振頻率附近。當電路處于諧振狀態時，諧振回路的等效阻抗Z可以表示為：

Z≈Q02?R

式中：Q0為并聯諧振回路的品質因數。

當傳感器的環境溫度發生變化時，線圈電阻的變化量[5]為：

?R=?T?kR（5）諧振頻率下諧振回路等效

輸出阻抗的最大變化量為：?Z=Q02T??kR?（6）

當環境溫度發生變化時，諧振回路的等效阻抗發生變

化，引起探頭端電壓發生變化，引起傳感器輸出信號發生變化，產生溫度誤差。要提高傳感器的測量精度，必須采取措施對傳感器進行溫度補償[6]。

3基于MAX1452電渦流傳感器電路設計

電渦流傳感器的電路[7]基于MAX1452設計，由振蕩電路、諧振電路、檢波電路、補償放大電路和濾波電路組成，分別實現振蕩源信號、諧振振蕩、信號檢波、信號放大、溫度補償和信號濾波的功能。

3.1電源電路設計

電源電路對外部供電進行穩壓和濾波處理，可將電壓精確穩定至5V，為MAX1452電路供電。穩壓源選擇高精度電壓基準源LT1461-5，其電壓輸入范圍為（7～20）V，輸出電壓為5VDC±0.04%，溫度系數小于2×10-5/°C，工作溫度范圍為（-40～125）°C。在LT1461-5穩壓電路的輸入端和輸出端分別設計有低通濾波器和高頻濾波電容，可進一步對電源進行濾波處理，消除外界電磁干擾，提高電路的電磁兼容性。

3.2振蕩電路設計

振蕩電路的振蕩源使用MAX1452內部集成的1MHz振蕩器，該振蕩器振蕩頻率穩定，占空比為50%，帶載能力不小于1mA，可為探頭感應線圈提供穩定可靠的振蕩源信號。

諧振電路由感應線圈L1和諧振電容C7組成LC諧振器，振蕩頻率設計約為1MHz。當給LC諧振器施加震蕩源時，LC諧振器可等效為阻性元件。諧振器中的諧振電容C7為固定容值，那么當感應線圈L1的電感量發生變化時，整個LC諧振器的阻抗將發生變化。感應線圈的阻抗變化與金屬導體的電阻率ρ、磁導率μ、線圈與金屬導體之間的距離δ以及線圈激勵振蕩源頻率f有關，可用函數關系式Z=F（ρ、δ、μ、f）表示。

電渦流傳感器的電阻率ρ、磁導率μ、線圈振蕩源頻率f為固定值，則感應線圈的阻抗變為線圈與金屬導體之間的距離δ的單值函數。當線圈與金屬導體間的距離δ增大時，電渦流效應減弱，感應線圈的阻抗Z變小，諧振器電感L端電壓變小。那么就可以通過檢測電感L的端電壓實現間接測量探頭感應線圈與金屬導體之間距離的目的。

3.3檢波電路設計

諧振電路輸出的是交變電壓信號，需要經過檢波處理后才能被后續電路處理。檢波電路基于峰值檢測原理，由1個二極管和檢波電容組成。檢波電路的仿真如圖5所示，其中二極管選擇1N4148整流二極管，利于二極管的單向導電性，可將交流信號整形為正半周的直流信號。檢波電容則選擇小容值的陶瓷電容，該電容的端電壓為直流信號的峰值，可以實現對整形后直流信號的檢波功能。

3.4放大和濾波電路設計

諧振電路的端電壓幅值較小，需要對檢波后的信號進行放大處理，以滿足傳感器輸出要求。放大電路使用MAX1452內部自帶的可調增益放大器，可通過數字化配置將傳感器輸出信號調整至目標值。濾波電路使用阻容器件和MAX1452內部集成的運算放大器構成1個二階低通濾波器，對設計的濾波器進行頻率特性仿真，可得出該濾波器的通帶截止頻率約為200Hz，可有效濾除高頻噪聲信號，保留低頻有效信號，提高輸出信號的信噪比。

4電渦流傳感器溫度補償

電渦流傳感器的溫度補償是通過MAX1452的溫度補償功能實現的，MAX1452是一種高度集成的模擬傳感器信號處理器，具有放大、校準和溫度補償功能。如圖7所示，MAX1452內部包含1個可編程傳感器激勵、1個16級可編程增益放大器（PGA）、1個768字節（6144位）內部EEPROM、4個16位DAC、1個通用運算放大器以及1個內嵌溫度傳感器。除偏移量和跨度補償外，MAX1452還利用偏移量的溫度系數（TC）和跨度溫度系數（FSOTC）提供獨特的溫度補償。

具體補償方法為，把OFF和FSO查找表當做1個DAC，以MAX1452內部溫度傳感器建立溫度查找表，在不同溫度下，通過調整FSODAC和OFFSETDAC的值校準電渦流傳感器的滿程輸出和零位輸出，從而實現對電渦流傳感器溫度補償的目的。具體的補償步驟包括系數初始化、FSO校準、FSO和FSOTC補償、OTC補償和OFF補償。使用MAX1452對電渦流傳感器進行溫度補償后，當電渦流傳感器在不同溫度工作時，MAX1452內部溫度傳感器感應環境溫度，以溫度值作為補償數據查找表的索引指針。MAX1452利用該指針索引FSODAC和OFFSETDAC值，通過累加器對原始信號進行運算處理，處理后的數據存入輸出數據寄存器，最終輸出補償后的電壓值。

5傳感器性能測試

在-40°C、常溫、100°C環境下，使用MAX1452對電渦流傳感器進行溫度補償，并測試電渦流傳感器性能[8-9]，具體數據如表1所示。

從以上數據可以看出，該電渦流傳感器具有輸出穩定、誤差小的特點。在低溫、常溫、高溫環境下最大非線性誤差為0.15%，具有輸出線性好的優點。經計算，傳感器的最大總誤差小于0.2%，最大溫度誤差小于0.002%FS/°C，指標均達到了較高水平，可見MAX1452對傳感器的輸出校準和溫度補償均取得了良好的效果。

6結束語

基于MAX1452設計的電渦流傳感器具有溫度自動補償功能，補償效果良好。該設計不僅改善了電渦流傳感器的溫度特性，還可以對傳感器進行數字化校準，對實現電渦流傳感器的批量化生產具有重要意義。

參考文獻：

[1]伍艮常.電渦流傳感器的設計[J].中國科技信息，2011（12）：117-118.

[2]翟瑤.微型電渦流傳感器的研究[D].上海：上海交通大學，2016.

[3]宋冠儒，劉沖，李經民，等.電渦流傳感器探頭的結構優化[J].機電技術，2021（4）：61-64.

[4]于亞婷，杜平安，李代生，等.電渦流傳感器線圈阻抗計算方法[J].機械工程學報，2007，43（2）：210-214.

[5]王軍平，王安，樊文俠，等.電渦流傳感器線圈參數對傳感器性能的影響[J].自動化儀表，2001，22（12）：22-24.

[6]叢華，張德魁，趙鴻賓，等.電渦流傳感器溫度穩定性研究[J].清華大學學報，1999，39（10）：65-68.

[7]趙昕明.高溫型電渦流位移傳感器及高精度測量電路[J].自動控制，2004，13（1）：76-78.

[8]陸毅，傅志斌，丁天懷，等.電渦流式位移傳感器低溫標定系統及其誤差分析[J].低溫工程，2004，（2）：41-44.

[9]VYROUBAL D.Impedance of the Eddy-Current Displacement Probe：The Transformer Model[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2004，53（2）：384-391.

作者簡介：鹿文龍（1985—），男，工程師，主要研究方向：傳感器及調理電路設計、測試測量、信號采集與處理