磁轴承电涡流位置传感器采集卡设计

摘要：电涡流位置传感器是一种非接触式的无损检测设备，其结构简单、抗干扰能力强，可以精准地测量目标对象的位置信息。通过单片机与上位机通讯，传输指令和数据，使用 ADC 对调理的电压进行采集，经过运算通过 DAC 将信号进行补偿，获得校准后精准的位置信息，采集卡同时具备单双探头切换功能，满足不同磁轴承装备需求。

关键词：电涡流；测距；采集卡

磁轴承是磁悬浮电机的核心部分，其位置检测对磁轴承控制系统的精度至关重要。这种基于磁悬浮原理的控制系统在工业应用中广泛采用，如机械加工、钢铁冶金及食品医药等，其优点包括无接触、无油污、低机械磨损和噪音。电涡流传感器通过电磁感应原理工作，非接触地将距离信号转换为电信号，适用于恶劣环境，精度高、结构简单。本文介绍的磁轴承电涡流位置传感器采集卡是一个多功能设备，利用电涡流传感器原理进行测距，具有双模式切换、调零、通信及距离与电压/电流标定功能。

硬件设计介绍

下面首先对电涡流传感器的基本原理进行介绍，接着介绍磁轴承电涡流位置传感器采集卡硬件系统结构。

电涡流传感器基本原理

电涡流传感器是一种利用检测线圈与被测导体之间的涡流效应进行非接触式测量的传感器，其具备灵敏度高、动态响应好、抗干扰能力强等优点。电涡流位置传感器的原理是基于电磁感应，金属导体靠近线圈的表面和内部的感应电流产生的交变磁场与线圈周围的磁场方向相反，并削弱了线圈周围的磁场，致使传感器自身线圈的等效阻抗发生随之变化。电涡流效应 h 和被测物体的材料（电阻率ρ、磁导率μ）以及几何形状有关，和线圈的励磁电流频率 f 和线圈几何参数r 有关，此外，线圈与导体的距离 x 也是影响电涡流效应的关键因素。所以，传感器线圈受涡流影响的等效阻抗的函数关系为

式中，r为线圈与被测体的尺寸因子。

检测线圈是电涡流传感器的核心部分。对于式（1-1），只改变其中的某一个参数，而其他参数保持不变，则传感器线圈阻抗 Z 便和这个变化的参数一一对应。于是，对该变化的参数的测量便可以通过与传感器配用的测量电路测出的阻抗 Z 的变化量得到。因此，如果被测材料不变，阻抗 Z 就成为了距离 x 的单值函数，基于此，便可做成涡流式位移传感器，通过阻抗的变化达到测距的目的。

传感器采集卡硬件系统

电涡流传感器采集卡硬件系统主要包含单片机、振荡电路、调理电路、调零电路、电压电流输出电路，RS485 总线通信等。

在该系统中，单片机为振荡电路提供固定占空比的方波信号，振荡电路将放大后的方波信号作为传感器探头的谐振源，经过单双线圈获得的信号在调理电路的作用下得到原始的电压信号，此信号经过 ADC 传递给单片机，然后，单片机计算并通过 DAC 输出需要补偿的电压信号给调零电路，于是便得到了最终的标准的电压信号。另外，上位机可以和单片机进行通讯，通过 RS485 总线进行数据传输，上位机可以发送校零指令、单双线圈切换指令、电压电流输出切换指令、数据读取指令（包括调零前后的输出电压和偏置电压）。

硬件电路设计

电涡流位置传感器常用的谐振测量电路有四种：调频式、调幅式、电桥式、恒频调幅式。各种电路各有特点，此处不详述。本文选用恒频调幅电路进行位置识别。首先，使用固定频率的晶振生成激励信号，晶振的优点包括高频率精度和低温漂，频率在1兆赫以上时误差可控制在百万分之三十以内。接着通过驱动放大得到固定幅值方波，考虑到电涡流传感器需用正弦波，故通过串联电容和电阻转换为1.2288兆赫正弦波。就安装方式而言，磁轴承的径向和轴向使用的传感器不同，轴向通常用单个电涡流传感器，而径向则使用一对。不同的安装位置需要不同的信号采集电路，包括单端信号采集电路和差动信号采集电路。

单端信号采集电路

电涡流传感器探头安装在磁轴承轴向位置，磁轴承轴向进行测距是通过改变电涡流传感器阻抗实现的，通过其电感阻抗的变化，影响整个谐振点，从而实现电压信号的变化。R1主要作用是分压限流，防止短路或谐振时电流过大烧坏电路器件，R2为电涡流传感器线圈内阻，C1为谐振电容。此时的电压信号为交流电压信号，通过二极管D1单相整流和 R3、C2组成的RC一阶滤波电路输出最终的电信号。为了提高电涡流传感器的动态性能，这部分信号带宽一般设计在磁轴承电频率的十倍以上，通过改变晶振频率来实现。

差动信号采集电路

电涡流传感器探头安装在磁轴承径向的两端，与单端不同之处是，这里有两个完全对称的探头和调理电路，两个输出的电信号经过差动电路，通过对零漂的抑制，输出更接近实际数据的电信号。

由于探头的不一致，安装的不精确，以及电子元件的寄生参数不一致，以及温漂等因素的影响，导致实际的差动电路不能得到理想的距离和电压的关系式。这里通过校准电路来解决这个问题。

校准电路

在实际应用中，单端电路必然会存在零漂问题，而差动电路得到的电压信号仍然带有一定的零漂，使得测量的数据带有一定的误差，因此采集卡设计了校准电路对电信号进行了校准，通过单片机计算并输出需要补偿的偏置电压信号，这个信号再经过基准源，输入到校准电路，输出最终的电压信号。特别注意的是，在校准电路中为了提高信号输出的分辨率，运放选用轨至轨的运放，另外运放的偏置电压和偏置电流都需要比较低，为了不影响采集的动态特性，运放的压摆率选用信号带宽的 5 倍以上。

单/双探头切换功能

这里的采集卡可实现单/双探头切换功能，通过单片机信号控制模拟开关，进行多路复用，从而实现单/双探头的切换。硬件可以采用如TI公司的TMUX6119，具有±16.5伏输入电压、低电容、低泄漏电流、精密SPDT开关等特点。类似的芯片很多，都可以满足此功能，这里不做过多赘述。另外RS485等其他基本功能电路，这部分内容过于通用，文章不一一介绍。

软件设计

主程序设计

主程序流程状态比较简单，主要是配置寄存器和RS485 通信功能，分为初始化寄存器、数据和状态，判断当前命令状态，执行相应的命令（如状态寄存器更新、传感器校准等），获取新的命令。

校准子程序

此子程序配合硬件电路实现磁轴承电涡流位置传感器的校准功能。主要功能包括：判断单端或差分模式、切换电路模式、ADC 采集信号、参数拟合运算、输出 DAC 校准电压信号。

自定义置零功能表

采集卡增加 CRC 校验位，降低误码率。采集卡需要功能完善的指令实现数据交互。采集卡需要向下兼容，因此需要预留足够的指令。

实验介绍

实验平台

实验平台由电涡流传感器、测距工装、电路板组成。磁轴承上的电涡流传感器有九个，轴向有一个单独的传感器，径向有 8 个传感器，分为 4 组输出。

上位机操作界面

系统代码包括0x01至0xA6，如“读取传感器前的电压”“读取传感器的位置”等，有利于维护系统的稳定性。在数据处理过程中，从传感器采集数据开始，经过模拟到数字转换器（ADC）处理信号，然后数据通过数字到模拟转换器（DAC）输出。实验设置部分包括传感器、电路板及其他组件的具体连接方式，物理布局形式科学合理。QT源码编译后的界面展现出系统运行的图像曲线，能够显示系统状态和传感器读数，同时还可提供用户交互界面，便于对系统实时运行状态进行监测。

结论

磁轴承电涡流位置传感器的应用领域非常广泛，其采集系统的设计是整个采集卡的重要部分。本文设计的磁轴承电涡流位置传感器采集卡设计具备双模式切换功能、调零功能、通信功能、距离和电压/电流标定功能。不仅可以为后期的磁轴承悬浮研发拓展提供有力工具，还能改善电涡流传感器上位机系统的跨平台操作，提高界面设计的耦合性，进一步降低磁悬浮系统的设计成本。