基于MAX1452的电涡流传感器设计

鹿文龙 汉海霞

摘要：基于MAX1452设计电涡流传感器电路，利用MAX1452多温度点补偿功能，对电涡流传感器进行温度补偿，可使电涡流传感器具有温度误差自动修正功能，改善电涡流传感器的温度特性。设计的电涡流传感器在实际测试中性能稳定，温度特性良好，对提升电涡流传感器测量精度和温度特性具有重要意义。

关键词：电涡流;距离测量;MAX1452;温度补偿

传统的电涡流传感器普遍没有温度补偿功能，通常温度特性较差。即便进行了温度补偿，效果也很有限，只能通过放置一个与探头线圈温度特性相反的电感进行粗略补偿，且补偿温度范围很窄，无法取得良好的补偿效果。为了提高电涡流传感器的温度特性，减小温度对电涡流传感器的影响。本文提出一种基于MAX1452的电涡流传感器设计，在实现电涡流测量的同时，可以对电涡流传感器进行温度补偿。本设计可以在（-40～125）°C范围内对电涡流传感器进行温度补偿，并可多个温度点补偿。在保证电涡流传感器输出性能的基础上，改善了电涡流传感器的温度特性。MAX1452采用数字化补偿方式，补偿精度高，操作方便，可以实现传感器的批量补偿。

1电涡流传感器结构和工作原理

如图1所示，电涡流传感器由探头、电路板、外壳和线缆组成[1]。探头内部是1个线圈，可等效为电感L。电路板包括振荡电路、谐振电路、检波电路、补偿放大电路和滤波电路，其中谐振电容C与探头线圈L组成LC谐振电路，其谐振频率f为1/2πLC。外壳用于保护和固定内部元件，线缆用于传感器供电和信号输出。

电涡流传感器采用非接触式测量原理[2]，通常用于测量距离。图2为电涡流传感器工作原理，当金属板置于探头线圈附近，它们之间的间距为δ，线圈输入交变电流i1时，便产生交变磁通量Φ1。金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2，这个电流在金属板内是闭合的，所以称之为“涡流”。这个涡电流也将产生交变磁场Φ2，与线圈的磁场变化方向相反，Φ2总是抵抗Φ1的变化，由于涡流磁场Φ2的作用使探头线圈的等效阻抗发生变化。利用这种涡流效应，电涡流传感器通过将距离变化转换为阻抗变化来进行测量。

2电涡流传感器温度误差分析

分析的电涡流传感器基于调幅式原理，由振荡电路、谐振电路和信号处理电路组成。其中谐振电路由探头线圈[3]和谐振电容组成，是电涡流传感器的敏感元件。由振荡电路产生固定频率的振荡信号注入谐振电路，谐振电路构成的LC振荡电路产生谐振。当被测距离发生变化时，探头线圈的阻抗会发生变化，进而引起其端电压发生变化，测量此端电压便可间接测量距离。

如图3所示，R为探头线圈的等效电阻[4]，L为探头线圈的等效电抗。当环境温度发生变化时，探头金属导体的电导率会发生改变，探头线圈也会因为热胀冷缩而改变几何尺寸。因此，环境温度对探头线圈的电阻和电抗都会产生影响。

R=R（T）（1）L=L（T，d）（2）

式中：T为环境温度，d为待测距离。

当传感器工作时，整个测量电路的工作频率位于谐振频率附近。当电路处于谐振状态时，谐振回路的等效阻抗Z可以表示为：

Z≈Q02⋅R

式中：Q0为并联谐振回路的品质因数。

当传感器的环境温度发生变化时，线圈电阻的变化量[5]为：

∆R=∆T⋅kR（5）谐振频率下谐振回路等效

输出阻抗的最大变化量为：∆Z=Q02T⋅∆kR⋅（6）

当环境温度发生变化时，谐振回路的等效阻抗发生变

化，引起探头端电压发生变化，引起传感器输出信号发生变化，产生温度误差。要提高传感器的测量精度，必须采取措施对传感器进行温度补偿[6]。

3基于MAX1452电涡流传感器电路设计

电涡流传感器的电路[7]基于MAX1452设计，由振荡电路、谐振电路、检波电路、补偿放大电路和滤波电路组成，分别实现振荡源信号、谐振振荡、信号检波、信号放大、温度补偿和信号滤波的功能。

3.1电源电路设计

电源电路对外部供电进行稳压和滤波处理，可将电压精确稳定至5V，为MAX1452电路供电。稳压源选择高精度电压基准源LT1461-5，其电压输入范围为（7～20）V，輸出电压为5VDC±0.04%，温度系数小于2×10-5/°C，工作温度范围为（-40～125）°C。在LT1461-5稳压电路的输入端和输出端分别设计有低通滤波器和高频滤波电容，可进一步对电源进行滤波处理，消除外界电磁干扰，提高电路的电磁兼容性。

3.2振荡电路设计

振荡电路的振荡源使用MAX1452内部集成的1MHz振荡器，该振荡器振荡频率稳定，占空比为50%，带载能力不小于1mA，可为探头感应线圈提供稳定可靠的振荡源信号。

谐振电路由感应线圈L1和谐振电容C7组成LC谐振器，振荡频率设计约为1MHz。当给LC谐振器施加震荡源时，LC谐振器可等效为阻性元件。谐振器中的谐振电容C7为固定容值，那么当感应线圈L1的电感量发生变化时，整个LC谐振器的阻抗将发生变化。感应线圈的阻抗变化与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈与金属导体之间的距离δ以及线圈激励振荡源频率f有关，可用函数关系式Z=F（ρ、δ、μ、f）表示。

电涡流传感器的电阻率ρ、磁导率μ、线圈振荡源频率f为固定值，则感应线圈的阻抗变为线圈与金属导体之间的距离δ的单值函数。当线圈与金属导体间的距离δ增大时，电涡流效应减弱，感应线圈的阻抗Z变小，谐振器电感L端电压变小。那么就可以通过检测电感L的端电压实现间接测量探头感应线圈与金属导体之间距离的目的。

3.3检波电路设计

谐振电路输出的是交变电压信号，需要经过检波处理后才能被后续电路处理。检波电路基于峰值检测原理，由1个二极管和检波电容组成。检波电路的仿真如图5所示，其中二极管选择1N4148整流二极管，利于二极管的单向导电性，可将交流信号整形为正半周的直流信号。检波电容则选择小容值的陶瓷电容，该电容的端电压为直流信号的峰值，可以实现对整形后直流信号的检波功能。

3.4放大和滤波电路设计

谐振电路的端电压幅值较小，需要对检波后的信号进行放大处理，以满足传感器输出要求。放大电路使用MAX1452内部自带的可调增益放大器，可通过数字化配置将传感器输出信号调整至目标值。滤波电路使用阻容器件和MAX1452内部集成的运算放大器构成1个二阶低通滤波器，对设计的滤波器进行频率特性仿真，可得出该滤波器的通带截止频率约为200Hz，可有效滤除高频噪声信号，保留低频有效信号，提高输出信号的信噪比。

4电涡流传感器温度补偿

电涡流传感器的温度补偿是通过MAX1452的温度补偿功能实现的，MAX1452是一种高度集成的模拟传感器信号处理器，具有放大、校准和温度补偿功能。如图7所示，MAX1452内部包含1个可编程传感器激励、1个16级可编程增益放大器（PGA）、1个768字节（6144位）内部EEPROM、4个16位DAC、1个通用运算放大器以及1个内嵌温度传感器。除偏移量和跨度补偿外，MAX1452还利用偏移量的温度系数（TC）和跨度温度系数（FSOTC）提供独特的温度补偿。

具体补偿方法为，把OFF和FSO查找表当做1个DAC，以MAX1452内部温度传感器建立温度查找表，在不同温度下，通过调整FSODAC和OFFSETDAC的值校准电涡流传感器的满程输出和零位输出，从而实现对电涡流传感器温度补偿的目的。具体的补偿步骤包括系数初始化、FSO校准、FSO和FSOTC补偿、OTC补偿和OFF补偿。使用MAX1452对电涡流传感器进行温度补偿后，当电涡流传感器在不同温度工作时，MAX1452内部温度传感器感应环境温度，以温度值作为补偿数据查找表的索引指针。MAX1452利用该指针索引FSODAC和OFFSETDAC值，通过累加器对原始信号进行运算处理，处理后的数据存入输出数据寄存器，最终输出补偿后的电压值。

5传感器性能测试

在-40°C、常温、100°C环境下，使用MAX1452对电涡流传感器进行温度补偿，并测试电涡流传感器性能[8-9]，具体数据如表1所示。

从以上数据可以看出，该电涡流传感器具有输出稳定、误差小的特点。在低温、常温、高温环境下最大非线性误差为0.15%，具有输出线性好的优点。经计算，传感器的最大总误差小于0.2%，最大温度误差小于0.002%FS/°C，指标均达到了较高水平，可见MAX1452对传感器的输出校准和温度补偿均取得了良好的效果。

6结束语

基于MAX1452设计的电涡流传感器具有温度自动补偿功能，补偿效果良好。该设计不仅改善了电涡流传感器的温度特性，还可以对传感器进行数字化校准，对实现电涡流传感器的批量化生产具有重要意义。

参考文献：

[1]伍艮常.电涡流传感器的设计[J].中国科技信息，2011（12）：117-118.

[2]翟瑶.微型电涡流传感器的研究[D].上海：上海交通大学，2016.

[3]宋冠儒，刘冲，李经民，等.电涡流传感器探头的结构优化[J].机电技术，2021（4）：61-64.

[4]于亞婷，杜平安，李代生，等.电涡流传感器线圈阻抗计算方法[J].机械工程学报，2007，43（2）：210-214.

[5]王军平，王安，樊文侠，等.电涡流传感器线圈参数对传感器性能的影响[J].自动化仪表，2001，22（12）：22-24.

[6]丛华，张德魁，赵鸿宾，等.电涡流传感器温度稳定性研究[J].清华大学学报，1999，39（10）：65-68.

[7]赵昕明.高温型电涡流位移传感器及高精度测量电路[J].自动控制，2004，13（1）：76-78.

[8]陆毅，傅志斌，丁天怀，等.电涡流式位移传感器低温标定系统及其误差分析[J].低温工程，2004，（2）：41-44.

[9]VYROUBAL D.Impedance of the Eddy-Current Displacement Probe：The Transformer Model[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2004，53（2）：384-391.

作者简介：鹿文龙（1985—），男，工程师，主要研究方向：传感器及调理电路设计、测试测量、信号采集与处理