磁軸承電渦流位置傳感器采集卡設計

摘要：電渦流位置傳感器是一種非接觸式的無損檢測設備，其結構簡單、抗干擾能力強，可以精準地測量目標對象的位置信息。通過單片機與上位機通訊，傳輸指令和數據，使用 ADC 對調理的電壓進行采集，經過運算通過 DAC 將信號進行補償，獲得校準后精準的位置信息，采集卡同時具備單雙探頭切換功能，滿足不同磁軸承裝備需求。

關鍵詞：電渦流；測距；采集卡

磁軸承是磁懸浮電機的核心部分，其位置檢測對磁軸承控制系統的精度至關重要。這種基于磁懸浮原理的控制系統在工業應用中廣泛采用，如機械加工、鋼鐵冶金及食品醫藥等，其優點包括無接觸、無油污、低機械磨損和噪音。電渦流傳感器通過電磁感應原理工作，非接觸地將距離信號轉換為電信號，適用于惡劣環境，精度高、結構簡單。本文介紹的磁軸承電渦流位置傳感器采集卡是一個多功能設備，利用電渦流傳感器原理進行測距，具有雙模式切換、調零、通信及距離與電壓/電流標定功能。

硬件設計介紹

下面首先對電渦流傳感器的基本原理進行介紹，接著介紹磁軸承電渦流位置傳感器采集卡硬件系統結構。

電渦流傳感器基本原理

電渦流傳感器是一種利用檢測線圈與被測導體之間的渦流效應進行非接觸式測量的傳感器，其具備靈敏度高、動態響應好、抗干擾能力強等優點。電渦流位置傳感器的原理是基于電磁感應，金屬導體靠近線圈的表面和內部的感應電流產生的交變磁場與線圈周圍的磁場方向相反，并削弱了線圈周圍的磁場，致使傳感器自身線圈的等效阻抗發生隨之變化。電渦流效應 h 和被測物體的材料（電阻率ρ、磁導率μ）以及幾何形狀有關，和線圈的勵磁電流頻率 f 和線圈幾何參數r 有關，此外，線圈與導體的距離 x 也是影響電渦流效應的關鍵因素。所以，傳感器線圈受渦流影響的等效阻抗的函數關系為

式中，r為線圈與被測體的尺寸因子。

檢測線圈是電渦流傳感器的核心部分。對于式（1-1），只改變其中的某一個參數，而其他參數保持不變，則傳感器線圈阻抗 Z 便和這個變化的參數一一對應。于是，對該變化的參數的測量便可以通過與傳感器配用的測量電路測出的阻抗 Z 的變化量得到。因此，如果被測材料不變，阻抗 Z 就成為了距離 x 的單值函數，基于此，便可做成渦流式位移傳感器，通過阻抗的變化達到測距的目的。

傳感器采集卡硬件系統

電渦流傳感器采集卡硬件系統主要包含單片機、振蕩電路、調理電路、調零電路、電壓電流輸出電路，RS485 總線通信等。

在該系統中，單片機為振蕩電路提供固定占空比的方波信號，振蕩電路將放大后的方波信號作為傳感器探頭的諧振源，經過單雙線圈獲得的信號在調理電路的作用下得到原始的電壓信號，此信號經過 ADC 傳遞給單片機，然后，單片機計算并通過 DAC 輸出需要補償的電壓信號給調零電路，于是便得到了最終的標準的電壓信號。另外，上位機可以和單片機進行通訊，通過 RS485 總線進行數據傳輸，上位機可以發送校零指令、單雙線圈切換指令、電壓電流輸出切換指令、數據讀取指令（包括調零前后的輸出電壓和偏置電壓）。

硬件電路設計

電渦流位置傳感器常用的諧振測量電路有四種：調頻式、調幅式、電橋式、恒頻調幅式。各種電路各有特點，此處不詳述。本文選用恒頻調幅電路進行位置識別。首先，使用固定頻率的晶振生成激勵信號，晶振的優點包括高頻率精度和低溫漂，頻率在1兆赫以上時誤差可控制在百萬分之三十以內。接著通過驅動放大得到固定幅值方波，考慮到電渦流傳感器需用正弦波，故通過串聯電容和電阻轉換為1.2288兆赫正弦波。就安裝方式而言，磁軸承的徑向和軸向使用的傳感器不同，軸向通常用單個電渦流傳感器，而徑向則使用一對。不同的安裝位置需要不同的信號采集電路，包括單端信號采集電路和差動信號采集電路。

單端信號采集電路

電渦流傳感器探頭安裝在磁軸承軸向位置，磁軸承軸向進行測距是通過改變電渦流傳感器阻抗實現的，通過其電感阻抗的變化，影響整個諧振點，從而實現電壓信號的變化。R1主要作用是分壓限流，防止短路或諧振時電流過大燒壞電路器件，R2為電渦流傳感器線圈內阻，C1為諧振電容。此時的電壓信號為交流電壓信號，通過二極管D1單相整流和 R3、C2組成的RC一階濾波電路輸出最終的電信號。為了提高電渦流傳感器的動態性能，這部分信號帶寬一般設計在磁軸承電頻率的十倍以上，通過改變晶振頻率來實現。

差動信號采集電路

電渦流傳感器探頭安裝在磁軸承徑向的兩端，與單端不同之處是，這里有兩個完全對稱的探頭和調理電路，兩個輸出的電信號經過差動電路，通過對零漂的抑制，輸出更接近實際數據的電信號。

由于探頭的不一致，安裝的不精確，以及電子元件的寄生參數不一致，以及溫漂等因素的影響，導致實際的差動電路不能得到理想的距離和電壓的關系式。這里通過校準電路來解決這個問題。

校準電路

在實際應用中，單端電路必然會存在零漂問題，而差動電路得到的電壓信號仍然帶有一定的零漂，使得測量的數據帶有一定的誤差，因此采集卡設計了校準電路對電信號進行了校準，通過單片機計算并輸出需要補償的偏置電壓信號，這個信號再經過基準源，輸入到校準電路，輸出最終的電壓信號。特別注意的是，在校準電路中為了提高信號輸出的分辨率，運放選用軌至軌的運放，另外運放的偏置電壓和偏置電流都需要比較低，為了不影響采集的動態特性，運放的壓擺率選用信號帶寬的 5 倍以上。

單/雙探頭切換功能

這里的采集卡可實現單/雙探頭切換功能，通過單片機信號控制模擬開關，進行多路復用，從而實現單/雙探頭的切換。硬件可以采用如TI公司的TMUX6119，具有±16.5伏輸入電壓、低電容、低泄漏電流、精密SPDT開關等特點。類似的芯片很多，都可以滿足此功能，這里不做過多贅述。另外RS485等其他基本功能電路，這部分內容過于通用，文章不一一介紹。

軟件設計

主程序設計

主程序流程狀態比較簡單，主要是配置寄存器和RS485 通信功能，分為初始化寄存器、數據和狀態，判斷當前命令狀態，執行相應的命令（如狀態寄存器更新、傳感器校準等），獲取新的命令。

校準子程序

此子程序配合硬件電路實現磁軸承電渦流位置傳感器的校準功能。主要功能包括：判斷單端或差分模式、切換電路模式、ADC 采集信號、參數擬合運算、輸出 DAC 校準電壓信號。

自定義置零功能表

采集卡增加 CRC 校驗位，降低誤碼率。采集卡需要功能完善的指令實現數據交互。采集卡需要向下兼容，因此需要預留足夠的指令。

實驗介紹

實驗平臺

實驗平臺由電渦流傳感器、測距工裝、電路板組成。磁軸承上的電渦流傳感器有九個，軸向有一個單獨的傳感器，徑向有 8 個傳感器，分為 4 組輸出。

上位機操作界面

系統代碼包括0x01至0xA6，如“讀取傳感器前的電壓”“讀取傳感器的位置”等，有利于維護系統的穩定性。在數據處理過程中，從傳感器采集數據開始，經過模擬到數字轉換器（ADC）處理信號，然后數據通過數字到模擬轉換器（DAC）輸出。實驗設置部分包括傳感器、電路板及其他組件的具體連接方式，物理布局形式科學合理。QT源碼編譯后的界面展現出系統運行的圖像曲線，能夠顯示系統狀態和傳感器讀數，同時還可提供用戶交互界面，便于對系統實時運行狀態進行監測。

結論

磁軸承電渦流位置傳感器的應用領域非常廣泛，其采集系統的設計是整個采集卡的重要部分。本文設計的磁軸承電渦流位置傳感器采集卡設計具備雙模式切換功能、調零功能、通信功能、距離和電壓/電流標定功能。不僅可以為后期的磁軸承懸浮研發拓展提供有力工具，還能改善電渦流傳感器上位機系統的跨平臺操作，提高界面設計的耦合性，進一步降低磁懸浮系統的設計成本。