基于电涡流传感器的小位移测量系统设计

于明军， 孙福玉, 韩 铮， 张 迪

(赤峰学院 物理与电子信息工程学院， 内蒙古 赤峰 024400)

基于电涡流传感器的小位移测量系统设计

于明军， 孙福玉, 韩 铮， 张 迪

(赤峰学院 物理与电子信息工程学院， 内蒙古 赤峰 024400)

针对物理实验中对小位移的测量读数困难的问题，提出了一种基于电涡流传感器测量小位移的方法。根据谐振原理设计了涡流传感器检测和调理电路，利用位移量影响谐振电路Q值的特性，实现了小位移量到电压量的转换，使用单片机采集信号并用软件方法对测量结果校准。实验结果表明，系统可以准确测量小位移，同时可消除使用物理测量工具时产生的读数误差。

位移测量; 电涡流传感器; 数据采集; 微控制器

电涡流传感器是一种非接触式的传感器件,它具有高线性度、高分辨力，可用于位移、振动和转速等静态和动态的相对位移变化测量[1]。学生实验中对小位移的测量通常使用游标卡尺或千分尺，数据不能直观显示且存在读数误差。本文利用电涡流传感器设计了一种小位移测量系统，能够自动显示测量结果，使用方便且测量精度高。利用单片机采集、处理信号，电路简单，成本低廉[2]。

1 电涡流传感器测位移原理

电涡流传感器的测量原理如图1所示，根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流i2，电涡流又产生新的交变磁场H2，H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化[3-4]。

图1 电涡流传感器测量原理

将被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2所示的等效电路。

电路中除了自感L1和L2,外，探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，图2等效电路的平衡方程式如下：

图2 电涡流传感器等效电路

可推导出传感器线圈的等效阻抗为

从而得到探头线圈等效电阻R和等效电感L为

由上式可知：涡流的影响使得线圈阻抗的等效电阻(实部)增加，而等效电感(虚部)减小，从而使线圈阻抗发生变化，这种变化称为反射阻抗作用。因此，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数关系[5]：

其中，x为检测距离；μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。

当固定其中3个参数，便可通过测量阻抗的变化来测量第4个参数的变化，测量位移电路中，常通过测量线圈电感的变化ΔL或ΔZ等来测量距离x的变化。

2 利用电涡流传感器的位移测量方法

本设计使用变频调幅式谐振测量法来测量小位移，原理如图3所示。

图3 调幅式谐振原理图

测量中，当探头线圈逐渐远离被测金属表面时，LC回路在某位移处谐振，谐振回路上的输出电压最大；当探头线圈接近(或远离)被测金属导体时，谐振回路的Q值发生改变导致回路失谐，使输出电压下降[6-7]。输出电压与位移之间的关系即为位移型电涡流传感器的输出特性，如图4所示。

图4 电涡流传感器电压与位移变化曲线

线圈轴向的磁场分布对涡流传感器的灵敏度和线性范围起决定性作用。另外，线圈的匝数越多，线性范围越大；线圈薄时，灵敏度高。因此在设计传感器时，为使一定大小外径的传感器有较大的线性范围和尽可能高的灵敏度，要求线圈厚度越薄越好[8]。本文选用线圈外径为30 mm，内径25 mm，匝数500，轴向厚度10 mm。

3 位移数显测量系统的设计

位移测量系统使用电涡流传感器特性的前端(近似线性)部分，由传感器、信号调理电路、AD转换器、单片机及显示电路构成，系统原理框图如图5所示。

图5 测量系统框图

3.1 系统电源

系统所需电源电压为+15 V和+5 V，利用桥式整流电路将变压器提供的18 V交流电压整流并经三端稳压器7815和7805模块稳压得到。

3.2 信号调理电路

信号调理电路如图6所示，采用三点式振荡源将电涡流传感器线圈作为谐振电感L使用。

T1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器，产生频率为1 MHz左右的正弦载波信号。电涡流传感器接在振荡回路中作为振荡回路的可变电感元件。线圈Q值发生变化，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线变得平坦，检波输出的电压幅值Vo变小。Vo变化反映了位移x的变化。振荡器的作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。D1、C4、L3、C6组成了由二极管和LC形成的π形滤波的检波器[9]。

3.3 数据采集电路

数据采集显示电路如图7所示，使用10bit A/D 转换器TLC1543作为模数转换器件， 参考电压设置为5 V，与调理电路输出电压最大限度匹配，A/D转换器输出的数字信号由单片机读取，经过软件校准后由显示电路显示。

图6 信号调理模块

图7 数据采集显示电路

使用单片机的 P3.4-P3.7引脚控制AD转换器的时钟、输入端口选择、数字量输出和片选端(CLOCK 、D_IN、D_OUT 、CS)，使用P2.0-P2.3控制数码管显示电路的位选信号，P0口上拉后用于数码管显示数据的并行输出[10]。实验中，为了便于调试系统，使用游标卡尺作为基准元件进行实验。测量系统实物见图8。

4 实验结果

由于实验中使用了电涡流传感器特性前端的近似线性部分，所以输出采集的电压与位移之间并非严格线性关系。为了使系统测量能够获得较好的线性度，需要对测量系统进行校准[11-12]。实验中采用软件校准方法，在单片机内部建立误差表，采用逐点补差的方式校准，校准后的电压-距离关系能够保证测量的准确度及精度。实测结果与校准后的结果见图9。

图8 测量系统实物

图9 实际测量曲线与校准结果

5 结束语

本文中对距离测量仪器进行了电化改造，使用电涡流传感器设计了测量系统，通过实验验证了可行性，对实验数据进行了软件校准，达到了一定的精度。实验教学及研究中，利用控制器与现代传感器结合，对测量仪器进行改进和探索是值得实验者重视的工作[13]。

References)

[1] 廖志凌,陈子国,梅从立.基于电涡流传感器的锻锤锤头位移检测系统设计[J].锻压技术,2014(1):121-125.

[2] 卓郑安,周顺,阮海宇.基于单片机的普及型地震报警器设计与应用[J].实验技术与管理,2014,31(4):84-88.

[3] 刘同娟,马向国,金能强.电涡流传感器在混合悬浮控制器中的应用[J].传感器与微系统,2009(2):113-115.

[4] 姚焕新,苗恩铭,牛鹏程.电涡流传感器测量精度的新型误差分析方法[J].中国机械工程,2012(22):2757-2760.

[5] 朱猛,龙宁波,张昊.散斑相关法标定电涡流传感器电压输出曲线[J].光电工程,2013(10):17-21.

[6] 高松巍,刘云鹏,杨理践.大位移电涡流传感器测量电路的设计[J].仪表技术与传感器,2009(12):88-90.

[7] 黄品梅,黄道平,梁锦燊.非接触测量综合设计实验开发[J].实验技术与管理,2012，29(4):36-38.

[8] 于亚婷,杜平安,李代生.电涡流传感器线圈阻抗计算方法[J].机械工程学报,2007(2):210-214.

[9] 孟祥军,张军.基于C8051F300单片机电涡流式测距传感器[J].电焊机,2013(10):41-46.

[10] 杨鸽,郑萍,叶建平,等.基于PLC和单片机的多模式综合实验系统设计[J].实验技术与管理,2013，30(10):83-86.

[11] 苗恩铭,牛鹏程,颜焱.电涡流传感器误差修正技术研究[J].中国机械工程,2011(21):2527-2530.

[12] 李移,曹现刚.电涡流位移传感器曲线拟合方程式的研究[J].煤矿机械,2013(1):94-96.

[13] 张富贵,黄海松,吕敬堂,等.单片机设计性实验与工程实践能力的培养[J].实验技术与管理,2011,28(2):135-138.

A displacement measurement system by using eddy current sensor

Yu Mingjun, Sun Fuyu, Han Zheng, Zhang Di

(Physical and Electronic Information Engineering College,Chifeng University, Chifeng 024400, China)

Aiming at the difficulty of reading measurement result of micro-displacement in physical experiments, this article proposes a new method to measure micro-displacement by Eddy current sensor.According to the principle of resonance, the eddy current sensor detection and signal modulation circuit was designed.By considering the features of micro-displacement influence theQvalue of resonance circuit, the conversion from displacement to voltage is achieved. A chip microcomputer is used for the data acquisition and processing as well as adjusting measuring results.The results of the tests indicate that the design is reasonable and can get more accurate results.At the same time, the error in reading can be avoided.

displacement measuring; eddy current sensor; data acquisition; microcontroller

2014- 09- 02 修改日期：2014- 11- 09

赤峰学院教育教学研究项目(JYXM201318);内蒙古自然科学基金资助项目(2013MS0916)

于明军(1981—)，女(蒙古族)，内蒙古赤峰，工学学士，讲师，主要研究方向为嵌入式技术.

E-mail：han3100@126.com

TP212.1

A

1002-4956(2015)5- 0111- 04