電渦流傳感器諧振電路的優(yōu)化設(shè)計

劉文磊，仇國富

（南京理工大學，江蘇 南京 210094）

0 引言

諧振測量法是電渦流位移傳感器測量電路的常用方法，它分為定頻調(diào)幅和變頻調(diào)幅調(diào)頻法兩種，由于定頻調(diào)幅測量法頻率穩(wěn)定性高，動態(tài)性能好，因此在動態(tài)位移測量中，經(jīng)常用到的是定頻調(diào)幅測量法。由于其測量電路各參數(shù)的取值對檢測效果的影響非常大，因此需要精心設(shè)計。然而對于電路中參數(shù)的選擇，國內(nèi)的參考文獻并沒有給出明確的方法。本文通過理論計算并經(jīng)過大量的實驗驗證，給出了定頻諧振電路中各參數(shù)的選擇依據(jù)，對于傳感器靈敏度的大幅度提高有重要的意義。

1 定頻調(diào)幅法測量原理

利用電渦流效應(yīng)測量位移時，通常激勵線圈工作在較高頻率，由高頻激勵電壓通過耦合電阻R激勵并聯(lián)的敏感線圈L和諧振電容C，定頻調(diào)幅測量電路原理圖如圖1所示，圖中L表示電渦流傳感器的敏感線圈，C為諧振電容，R為耦合電阻，加上恒定頻率的激勵信號Ui，并聯(lián)部分相當于一個分壓器，當此電路本身的諧振頻率跟給定的頻率相同時電路發(fā)生諧振，此時并聯(lián)部分的阻抗最大，輸出電壓Uo也最大。

改變敏感線圈與被測物體之間的距離，由于電渦流效應(yīng)，線圈的等效電感L發(fā)生了變化，激勵信號的頻率不變，故電路處于失諧狀態(tài)，并聯(lián)部分阻抗發(fā)生變化，輸出電壓Uo也跟著變化，根據(jù)文獻［1］對電渦流的分析可知，在很小的范圍內(nèi)，輸出電壓的幅值跟位移成近似線性的關(guān)系。這就是定頻調(diào)幅測量位移的原理。

圖1 定頻調(diào)幅法原理框圖

定頻調(diào)幅測量法因其動態(tài)性能較好，頻率穩(wěn)定性高，在電渦流傳感器的設(shè)計中被廣泛應(yīng)用，尤其是在動態(tài)位移的測量中應(yīng)用最為廣泛［1］。

2 測量電路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

定頻諧振測量電路作為諧振測量法的一種，其測量電路各參數(shù)的取值對檢測效果的影響非常大，直接影響到傳感器的靈敏度與穩(wěn)定性，因此需要精心設(shè)計。倘若設(shè)計不合理，即使后面的信號調(diào)理電路設(shè)計得非常巧妙，也不會得到很好的測量效果，大大降低電渦流傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，甚至產(chǎn)生非常嚴重的漂移現(xiàn)象。所以，諧振電路中，匹配電容、電阻參數(shù)的正確選擇，成為了整個測量電路中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。

定頻調(diào)幅測量法的核心部分電路模型如圖2所示，R1，L1為電渦流線圈的敏感線圈的等效電阻和等效電感，C為諧振電容，R為耦合電阻，Ui為高頻激勵信號，Uo為傳感器兩端電壓信號，L2，R2為被測導體的等效電感和等效電阻，M為互感系數(shù)。輸入一個頻率穩(wěn)定的高頻激勵信號Ui，利用電容C與電渦流線圈構(gòu)成一個并聯(lián)諧振回路，當被測物與電渦流線圈的距離發(fā)生變化時，由于電渦流效應(yīng)，電渦流線圈與被測導體之間的互感系數(shù)M也將發(fā)生變化，從而輸出電壓發(fā)生變化［3］。

圖2 電渦流傳感器諧振電路等效圖

當電渦流傳感器空載時，測量電路可以簡化為圖3所示，其中，R1，C1是諧振電路匹配電阻，L1，R2是渦流傳感器探頭線圈直流等效電感和等效電阻，U·為輸入激勵信號，U0為L與R兩端電壓，也是傳感器的輸出電壓。

圖3 渦流傳感器諧振電路原理簡化圖［2］

電渦流傳感器的靈敏度是指在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化ΔU0對輸入量變化ΔS（S指的是測量位移）的比值，由于測量位移的變化與電感L1是線性關(guān)系，所以靈敏度就可以轉(zhuǎn)化為ΔU0與ΔL1的關(guān)系［1］。由上面的分析及其圖3可知:L1與R2是電渦流探頭線圈的固有參數(shù)，所以提高電渦流傳感器靈敏度只能從耦合電阻R1與匹配電容C1的參數(shù)優(yōu)化方面考慮。

2.1 匹配電阻R1的選擇

目前對電阻R1的阻值大小的選擇，一致說法是匹配電阻值越小其靈敏度越高，但也不能太小，說法一直比較含糊，而本人通過理論計算及分析，得出了靈敏度與匹配電阻大小的一般關(guān)系，通過比較發(fā)現(xiàn)，以前的說法并不完全正確。又通過大量的實驗，證實了所提出的觀點的正確性。

在圖3的LC諧振網(wǎng)絡(luò)中，當通有激勵頻率為ω/2π的信號時，LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的導納為:

諧振網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓為:

兩端對諧振電感求導數(shù):

可知:由第二節(jié)的分析可知，渦流傳感器靈敏度與有關(guān)，且越大，電壓幅值隨著等效電感變化的就越明顯，則其靈敏度就越高，所以只要求出使得達到最大值的電阻R1，便可得出傳感器靈敏度達到最大時的電阻的參數(shù)。通過對R求導，可以很快捷的求出與R之11間的函數(shù)關(guān)系。

表1 實驗數(shù)據(jù)表

由式（1）和式（2）可知，函數(shù)F（R1）的二階導數(shù)存在拐點，R1在（0，Z1）區(qū)間，F(xiàn)（R1）遞減，在（Z1，∞）區(qū)間，F(xiàn)（R1）遞增。所以|F（R1）|最大點在:R1=0或R1=Z1或在R1→∞點處。表1是通過實驗得出的數(shù)據(jù):其中，U1是不同阻值電阻在同一初始位置處的電壓值，這里為了方便，把不同阻值的電阻在初始位置處的電壓統(tǒng)一調(diào)節(jié)為2.952V，U2是探頭線圈從初始位置向金屬板靠近20um時的電壓值，ΔU是探頭移動20um時電壓的變化量。

ΔU與電阻的擬合曲線見圖4。

由曲線可知:隨著電阻增加，電壓靈敏度是逐漸增大的，但是由于電阻值的增加，其輸出振幅會大幅度的減小，因此選擇具體阻值大小的時候，需要考慮這個因素。

圖4 匹配電阻與電壓變化量擬合曲線

2.2 匹配電容C1與靈敏度的關(guān)系

表2 激勵信號頻率對靈敏度的影響

為了比較直觀的看出頻率與平均電壓變化量的關(guān)系，列出了頻率電壓直方圖如下:

圖4 頻率、電壓直方圖

由于激勵信號的頻率與平均電壓的變化量之間并沒有什么明確的關(guān)系，只能根據(jù)實驗結(jié)果做出相應(yīng)的選擇。提高激勵信號的頻率，雖然可以提高Q值，降低探頭功耗，增大響應(yīng)帶寬。但是激勵信號頻率過高，會使得諧振電容過小，電纜（連接探頭線圈與前置電路的導線）電容及探頭項圈的線間電容對傳感器的性能影響就會過大，不利于提高傳感器性能，而且電渦流傳感器必須工作在自諧振頻率（電感達到峰值的頻率稱為自諧振頻率）以下，因此激勵信號頻率選擇一般工作在100kHz10MHz之間［1，5］。

3 結(jié)束語

本文主要研究了基于定頻調(diào)幅法的電渦流傳感器參數(shù)的選取，及其對傳感器靈敏度的影響。通過正確的選擇諧振電路中各元器件的參數(shù)，大大提高了傳感器的原始靈敏度，降低了后期處理的難度，從整體上提高了傳感器的信噪比和穩(wěn)定性。此外，這種方法對其他電渦流傳感器檢測電路的設(shè)計也具有一定的參考價值。

［1］馮冠平.諧振傳感器理論及器件［M］.北京:清華大學出版社，2008.455.

［2］王昌明，孔德仁，何云峰.傳感與測試技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.379.

［3］廖雅琴.電渦流傳感器的仿真與設(shè)計［D］.成都:電子科技大學，2007.

［4］高松巍，劉云鵬，楊理踐.大位移電渦流傳感器測量電路的設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009（12）.

［5］杜方芳，祝長生.電渦流傳感器前置器的參數(shù)對測量系統(tǒng)特性的影響［J］.傳感檢測技術(shù)，2004（9）.