消除材料敏感性的电涡流传感器测量电路

郑 敏 田新启

(东南大学火电机组振动国家工程研究中心，南京 210096)

电涡流传感器广泛应用于化工、电力及机械等行业，在静态或动态测量被测金属导体与探头表面的相对位移时具有非接触、线性度高、分辨率高及抗干扰能力强等优点[1]。由于传感器的工作原理，使得被测体的材料特性对传感器输出具有很大影响，材料的电阻率、电导率和磁导率影响着传感器磁场的分布，进而影响激励线圈与被测导体间互感的变化和线圈的等效阻抗，导致传感器灵敏度波动。被测材料对传感器输出特性的影响，使其在应用时需要反复标定和校准，这成为限制其大范围使用的缺陷。

针对上述传感器材料敏感性问题，采用阻抗投影变换方法[2]，设计出能够消除材料敏感性的测量电路，并通过φ11mm传感器测试实验验证测量电路消除材料敏感性的功能。

用具有不同电磁特性的被测材料研究线圈的等效阻抗时发现，不同被测对象在相同的检测距离下，传感器线圈的等效电阻和等效电感存在近似线性关系。采用投影方法，将不同被测材料在相同检测距离下的线圈等效阻抗投影到等效投影面上，使这些不同的阻抗经投影后具有一个相同的值，从而消除传感器对被测材料的敏感性，其原理如图1所示。其中Zi为不同被测体在同一检测距离下的阻抗向量；Xi为不同的检测距离；投影平面p与直线Xi垂直；线圈阻抗Zi在向投影面上投影时，与纵轴的交点为Zpi，投影为Zp(Xi)。等效阻抗Zi的相位角为φi，Zi投影到水平面是等效电阻，投影到垂直面是等效感抗；θ是投影平面与横轴的夹角。

图1 阻抗投影原理

Zi与Zp(Xi)的关系：

Zp(Xi)=Zi×cos(θ-φi)

(1)

Zp(Xi)与Zpi的关系：

(2)

由式(1)、(2)可以得到：

(3)

通过投影的方法，同一检测距离下不同被测材料形成的线圈阻抗可等效到一个相同的值，从而消除材料的敏感性。

2 测量电路设计

根据阻抗投影变换原理设计的测量电路结构如图2所示，包括振荡器、放大电路、V-I转换电路、移相器、相敏检波电路和非线性补偿电路。

图2 基于阻抗投影变换原理的测量电路结构

2.1 振荡器

MAX038集成芯片只需个别的外围元件就能产生从0.1Hz～20MHz的低失真正弦波、三角波及矩形波等信号[3]，具有精密、低失真、低温漂及外围元件少等特点。为减少电路的分立元件，采用集成的信号发生芯片产生1MHz的正弦波信号。其输出电压V0具有恒定幅值、相位和频率，经放大后同时供给换流器和移相器。

2.2 放大电路

由于MAX038输出信号的幅值为2V，不利于后续电路的工作，而且会使相敏检波电路的输出电压过小而影响电路输出信号的进一步处理。为了调节正弦波信号的幅值，使其在合适的范围，采用具有更高输入阻抗和较低输出阻抗的同相比例放大电路进行放大，其放大倍数小于6。

2.3 移相器

移相器的作用是将放大的正弦波信号移动相应的角度，并要超前于激励信号。电路中移相器的输入为前级振荡电路产生的正弦波经放大后的信号Vs，输出为要得到的投影参考信号Vr。移相器设计电路如图3所示，当R1=R2时，|Vs|=|Vr|、相频θ=π-2arctan(ωR3C1)。在信号频率一定时，只需合理选取R3和C1的值，即可得到移相的角度。移相的角度即为投影轴的角度，经实测投影角θ=143.06°。

图3 移相器电路

2.4 V-I转换电路

V-I转换电路，即换流器，是将放大后的振荡器的输出电压Vs变换为电流源Is，给探头线圈提供稳定的高频电流。为了使电压信号准确反映探头线圈的阻抗信息，要求换流器的输出为恒流源。电路结构如图4所示，求得Is=Vs/R7，输出电流源只决定于输出电压Vs和电阻R7，与负载阻抗无关，实现了将输入电压转换为电流源的功能。

图4 V-I转换电路

2.5 相敏检波电路

相敏检波电路是实现阻抗投影变换的关键电路。当输入信号和参考信号同频率时，检波电路的输出随两信号相位差的余弦而变化。相敏检波电路由乘法器和低通滤波电路组成[4]，其原理如图5所示。

图5 相敏检波电路原理

设探头信号：

Vm(t)=Vmcos(ωt+φm)

(4)

参考信号：

Vr(t)=Vrcos(ωt+φr)

(5)

乘法电路的输出信号：

(6)

为此，选择高速、带宽、高乘法精度的HA1-2556型四象限模拟乘法器，实现Vm在Vr方向上的投影变换。同时设计截止频率为10kHz的三阶巴特沃斯低通滤波器，过滤乘法器输出的高频分量，并抑制噪声干扰，使得整个电路的工作更加稳定可靠。经滤波后，乘法器输出信号中的2MHz交流信号的幅值衰减为原来的1/106。

2.6 非线性补偿电路

为获得良好的线性化补偿，以函数补偿法为基础[5]，通过模拟电路实现三次补偿函数的运算，进而设计出线性化器。非线性补偿电路原理如图6所示，电路采用AD534模拟乘法器、AD620放大器和LM317稳压器。其中，AD534为四象限乘法器，最大误差0.25%；LM317稳压器通过改变调节电阻的值提供所需的3个基准电压V1、V2和V3；AD620对校正后的信号进行差动放大，仅需一个外部电阻来设置增益倍数A。电路中的输入与输出有如下关系：

Va=(V1-Vp)×(Vp-Vn)

(7)

Vb=(V2-Va)×(Vp-Vn)

(8)

Vout=A×(Vb-V3)

(9)

由式(7)～(9)得出对相敏检波电路输出电压信号Vp补偿后的输出Vout=A(V2×Vp-V1×Vp2+Vp3-V3)。当校正函数发生改变时，只需根据校正函数中的各项系数调整相应稳压电路的输出，就可以得到所需的补偿函数，实现输出线性化。

图6 补偿电路原理

3 实验测试结果

利用φ11mm传感器探头测得不同被测材料下传感器输出的电压值。在不同材料下对应的传感器输出特性曲线如图7所示。同时给出这些拟合直线的直线方程及线性拟合度等参数，见表1。

图7 传感器输出线性拟合结果

被测材料拟合直线方程(Y=A+BX)AB线性拟合度夹角(°)铜0．4001．1780．9995849．67铁0．3711．1900．9993749．96铝0．3811．1900．9993749．9645#钢0．3671．1810．9993849．74A3钢0．4321．1800．9992749．72不锈钢0．4001．1780．9995849．67DT4铁0．4121．8100．9992749．74

从图7和表1可以看出，经非线性补偿后，传感器输出的线性拟合度达到0.999。同时由拟合直线的斜率和夹角得出，不同材料对应的拟合直线近似重合，这表明传感器在不同材料下的输出特性近似相同，能消除被测材料的影响。

4 结束语

在分析阻抗投影变换原理的基础上，设计的实现阻抗投影变换原理的测量电路，实现了消除传感器对被测材料的敏感性。通过实验测试，得出两个结论：相敏检波电路实现了线圈等效阻抗的投影，完成了输出值的同一化，非线性补偿电路对7种被测材料的输出补偿具有良好的线性化结果；从输出拟合直线的重合性得出测量电路的正确性，也实现了消除材料敏感性的功能，得到设计的φ11mm传感器的材料敏感性误差为±1.8%，优于传统传感器。

[1] 李玉军,刘军,周军伟,等.电涡流传感器在铝箔厚度测量中的应用[J].传感器技术,2005,24(6):77～78.

[2] Yu Y T,Du P A.Research on the Correlation between Measured Material Properties and Output of Eddy Current Sensor[C].2005 IEEE International Conference on Industrial Technology.Hong Kong:ICIT,2005:428～431.

[3] 黄庆彩,祖静,裴东兴.基于MAX038的函数信号发生器的设计[J].仪器仪表学报,2004,25(z1):321～322.

[4] 赵维谦,谭久彬,刘冰峰,等.改善调幅式传感器测量电路精度的措施[J].仪器仪表学报,2001,22(3):247～250.

[5] 薛亚琴,刘奕平.电涡流传感器特性曲线拟合的新方法[J].传感器技术,2003,22(7):42～44.