一种电磁感应式位移传感器设计*

2018-03-26田旭峰董全林郭景昊

传感器与微系统 2018年3期

田旭峰，董全林, 郭景昊

(1.微纳测控与低维物理教育部重点实验室，北京 100191；2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 100191)

0 引言

位移传感器用于测量相对位置，又称线性传感器[1]。位移测量技术广泛应用于工业生产和过程控制等领域。最常使用的伺服反馈位移传感器有电位计式位移传感器，差动变压器式位移传感器、光电式位移传感器等[2]。电位计式位移传感器[3]由于其接触式测量的原因，导致其具有易磨损、易氧化、易老化、机械使用寿命短、分辨力和可靠性低等缺点。差动变压器式位移传感器[4]实现了非接触式测量，但是由于其测量特点，导致了其线性区小，结构尺寸较大，因此，在空间受限时很难发挥优势。而光电式位移传感器[5,6]虽然能实现高精度测量，但易受油污、粉尘等环境条件的影响，且生产、维护成本较高。

本文在智能阀门定位控制系统中，设计了一种新的电磁感应式位移传感器，其精度较高，抗干扰能力强，生产维护成本低，能够满足阀门定位控制系统各项指标要求。

1 工作原理与各模块设计

根据法拉第电磁感应定律设计，以天线与谐振器电磁感应技术为基础。其简化系统框图如图1所示，由激励信号发生单元产生激励信号，施加到发射线圈上，发射线圈周围会产生变化的磁场，谐振器在该磁场中运动，由于涡流效应[7]产生减弱原磁场的磁场，该磁场随着谐振器的位置变化而变化，因此，在感应线圈中会产生相应的电信号，建立谐振器位置和感应信号的关系。经过信号处理单元进行处理，输入到微处理器单元，即可解算出位移信息。

图1 电磁感应位移传感器结构

1.1 电磁耦合线圈设计

电磁耦合线圈为该传感器的敏感元件，其结构如图2所示。其由固定部件和可移动部件2部分组成。固定部件上包含三组线圈，分别为：正弦激励线圈，余弦激励线圈和感应线圈。可移动部件为LC谐振电路。

图2 电磁耦合线圈结构

各线圈形状如图3所示。正弦激励线圈形成2个大小相等方向相反的电流环，传感器施加在正弦激励线圈上的电流表达式为

I(t)=Asin(2πf1t)cos(2πf0t)

(1)

式中f1为调制频率，为3.9 kHz；f0为载波频率，为2 MHz；A为常数。

图3 线圈形状

此时在线圈轴线上形成的磁场表达式为

Bsin=K1sin(2πf1t)cos(2πf0t)sin(2πx/L)

(2)

式中K1为常数；x为沿线圈轴线的位置；L为整个线圈轴线长度。

当无谐振器作用时，由于正弦激励线圈的2个电流环大小相等，方向相反，产生的磁场相互抵消，所以，感应线圈中无感应电信号。

余弦激励线圈中形成3个电流环，2个小环与大环的方向相反，大小相等。施加在余弦线圈上的电流表达式为

Q(t)=Acos(2πf1t)cos(2πf0t)

(3)

同理，可得其在轴线上的磁场分布为

Bcos=K2cos(2πf1t)cos(2πf0t)cos(2πx/L)

(4)

无谐振器作用时，余弦激励线圈同样不会在感应线圈中产生感应电信号。

当存在谐振器作用时，谐振器会在正余弦激励线圈产生的磁场中产生涡流效应，减弱原磁场的作用。此时，原有的平衡被破坏，感应线圈中产生随谐振器位置变化而变化的感应电信号，经推导，该电信号的表达式为

EMF=K3cos(2πf0t)cos(2πf1t-2πx/L)

(5)

因此，检测出该信号的包络波形相位值，即可将其转换为对应时刻的位置值。

1.2 激励信号发生单元设计

激励信号发生单元主要用于产生振幅调制的线圈激励信号，具体电路如图4所示。其中，U1为2个D触发器，选用芯片SN54AHC74，实现移相与分频。由单片机编程产生频率为4 MHz的方波，将该方波输入U1，经过移相分频得到频率为2 MHz的I，-I和Q三个脉冲信号。其中，Q与I相位相差90°，Q用于数字载波信号，对单片机产生的正余弦脉宽调制信号进行调制，即图4中的SIN和COS。经过与门后，将脉宽调制信号与数字载波信号进行混频，得到数字调制的正余弦激励信号，再分别将其输入到半桥驱动芯片U2A和U2B，选用AAT4900芯片，最后通过LC滤波得到模拟的振幅调制激励信号，即式(1)和式(3)所示的信号，将其分别施加到正弦线圈和余弦线圈上即可产生期望的电磁场分布。

图4 激励信号发生单元电路

1.3 感应信号处理单元设计

感应信号处理单元主要用于对感应信号进行解调滤波，以及在不丢失相位信息的前提下进行模/数转换，将其转换为便于单片机处理的脉冲信号，其具体电路如图5所示。其中，S(x)为电磁线圈耦合系统输出的感应信号，GNDB为设置的参考地电压，为2.5 V。首先，将感应信号S(x)输入到一个高通滤波器，主要为滤除50～60 Hz的工频干扰。然后，将其通过由4个模拟开关组成的交叉模拟开关同步检波电路，其开关信号为之前在激励信号发生电路中产生的同相信号I和方向信号-I，其频率为2 MHz。选用MC74HC4066A芯片，其内部集成了4个能满足快速通断的模拟开关，很好地满足本电路的要求。在同步检波完成之后，将信号输入到由U3组成的低通滤波器，滤除同步检波后信号中的高频成分。再将其通过由U4组成的带通滤波器，滤除掉低频分量和直流分量，可成功提取出感应信号的包络波形，此外，还需要对其进行模/数转换,将该信号通过U5构成了一个过零比较器，即可实现模/数转换。为了提高相位检测精度，再将该信号与感应信号发生单元产生的正交信号Q进行混频，即可得到可供单片机处理。

图5 感应信号处理单元电路

1.4 微处理器单元设计

选用PIC系列单片机作为微处理器单元，该系列单片机具有功耗低，成本低，稳定性好等优点[8]，很好地满足了系统的要求。芯片用于输出4 MHz的方波，以及3.9 kHz的正余弦脉宽调制信号，同时对经过处理的感应信号进行计数，提取出其中的相位信息，通过相应的解算将该相位信息转换为相应的位置信息。另外，还可以实现显示、通信等附加功能，实现传感器智能化。

2 实验与结果

根据相应电路模块的设计，制作了实验电路板，其中包括谐振器电路板、电磁耦合线圈电路板以及主要起信号处理作用的主板。将谐振器和电磁耦合线圈安装在一个2自由度高精密光机座上。当移动高精度光机座位移平台时，每移动一个位移值，分别读出光机座和位移传感器的位移值，两者的差值即为传感器的误差。通过测量，得到传感器的误差曲线如图6所示，位移误差在-0.06～0.04 mm范围内，精度较高。