利用电涡流位移传感器寻迹设计

苏珍 康学亮 唐帅

摘  要：该文谈论为了实现对强磁、强光环境中智能车的寻迹方法，展开对涡流式传感器的研究。利用电涡流位移传感器的基本原理，检测参考物铝箔位置的变化对传感器阻抗的影响，判断阻抗的变化做出位置的判断。

关键词：位移传感器  电磁感应  电涡流  阻抗

中图分类号：TH822   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（a）-0054-02

电涡流位移传感器是通过输入交变电流在产生交变磁场，有金属导磁材料介入时，交变磁场产生变化，交变磁场的变化导致线圈中的阻抗发生变化。在测量电路中将涡流线圈中的阻抗变化转换为电动势和电流的变化。它具有灵敏度高、体积小等特点，被广泛应用于各种位移变化的场所当中。用于寻迹的传统的寻迹传感器大多为光电式传感器或电磁式传感器，此类传感器具备接线简单、成本低廉等优点。但是复杂多变的环境里，光线明暗的变化与磁场复杂场所都会导致传感器的灵敏度下降，检测能力差。与之相比，基于电涡流位移传感器不受环境的影响，强光、无光与磁场复杂的环境对其灵敏度都影响不大。这使得电涡流式位移传感器更适合工作在一些环境复杂的场所。

该文主要针对基于电涡流原理进行设计，首先介绍了电涡流系统的工作原理，并根据原理设计模型以及设计测量电路分析电路阻抗的变化，以及传感器效果最佳的值。

1  传感器模型及原理分析

电涡流位移传感器模型如图1所示，它[1]由感器激励线圈和被测金属体组成。激励线圈是绕在绝缘体陶瓷上。根据电磁感应定律，当传感器励磁线圈中通以正弦交变电流时，线圈周围将产生交变磁场，在被测导体上面因为互感关系产生电动势，从而产生电涡流。使得位于该磁场中的金属导体产生新的感应电流，新的感应电流又产生新的交变磁场，新的交变磁场又会反抗原交变磁场（见图2）。

2  电路设计

电涡流传感器按照输入的正弦交流电的频率不同，一般可以分为两种。高频信号输入时，在金属表面产生反射常作位移传感器方面。低频信号输入时，常表现为穿透性所以常用作工业探伤领域。高频反射型电涡流位移传感器内部电路图如图3所示，输入信号源为22kHz石英晶振输入一个高频信号。

测量电路采用调幅式测量电路[2，3]对高频信号进行处理。信号检测部分由线圈、石英晶体及电容组成振荡电路。涡流线圈和电容组成一个LC谐振电路。信号检测电路再通一个串联电阻R，向LC谐振电路提供一个稳频稳幅的高频激励信号，也作为一个恒流源输入并给LC谐振电路提供一定频率的激励电流。

3  传感器阻抗的分析

由图可得，传感器线圈的阻抗等于电感的感抗并联电容的容抗，所以阻抗Z=，ω为石英频率。

要使谐振回路的阻抗最大，石英晶体频率等于LC振蕩回路的谐振频率，及，由于ω=2πf0，ω=，得1-ω2LC=0。由此可得，无论是L增加导致1-ω2LC<0，还是L减小导致1-ω2LC>0，两种情况都使谐振回路的阻抗减小。由此可得，当被测金属体与振荡线圈的相对位置为某一确定的值时，回路中的阻抗最大谐振回路上的电流最大，新交变磁场对交变磁场的影响也最大。在这一点上，位移传感器的寻迹效果也最好，所以在传感器放置的高度就在这一点上。

参考文献

[1] 胡向东.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2] 张国雄.测控电路[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 郝晓剑.测控电路设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2012.