基于電渦流傳感器的小位移測量系統設計

于明軍， 孫福玉, 韓 錚， 張 迪

(赤峰學院 物理與電子信息工程學院， 內蒙古 赤峰 024400)

基于電渦流傳感器的小位移測量系統設計

于明軍， 孫福玉, 韓 錚， 張 迪

(赤峰學院 物理與電子信息工程學院， 內蒙古 赤峰 024400)

針對物理實驗中對小位移的測量讀數困難的問題，提出了一種基于電渦流傳感器測量小位移的方法。根據諧振原理設計了渦流傳感器檢測和調理電路，利用位移量影響諧振電路Q值的特性，實現了小位移量到電壓量的轉換，使用單片機采集信號并用軟件方法對測量結果校準。實驗結果表明，系統可以準確測量小位移，同時可消除使用物理測量工具時產生的讀數誤差。

位移測量; 電渦流傳感器; 數據采集; 微控制器

電渦流傳感器是一種非接觸式的傳感器件,它具有高線性度、高分辨力，可用于位移、振動和轉速等靜態和動態的相對位移變化測量[1]。學生實驗中對小位移的測量通常使用游標卡尺或千分尺，數據不能直觀顯示且存在讀數誤差。本文利用電渦流傳感器設計了一種小位移測量系統，能夠自動顯示測量結果，使用方便且測量精度高。利用單片機采集、處理信號，電路簡單，成本低廉[2]。

1 電渦流傳感器測位移原理

電渦流傳感器的測量原理如圖1所示，根據法拉第電磁感應定律，當傳感器探頭線圈通以正弦交變電流i1時，線圈周圍空間產生正弦交變磁場H1，它使置于此磁場中的被測金屬導體表面產生感應電流，即電渦流i2，電渦流又產生新的交變磁場H2，H2與H1方向相反，并力圖削弱H1，從而導致探頭線圈的等效電阻相應地發生變化[3-4]。

圖1 電渦流傳感器測量原理

將被測金屬導體上形成的電渦流等效成一個短路環中的電流，這樣就可以得到如圖2所示的等效電路。

電路中除了自感L1和L2,外，探頭線圈和導體之間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距離的減小而增大。U1為激勵電壓，根據基爾霍夫電壓平衡方程式，圖2等效電路的平衡方程式如下：

圖2 電渦流傳感器等效電路

可推導出傳感器線圈的等效阻抗為

從而得到探頭線圈等效電阻R和等效電感L為

由上式可知：渦流的影響使得線圈阻抗的等效電阻(實部)增加，而等效電感(虛部)減小，從而使線圈阻抗發生變化，這種變化稱為反射阻抗作用。因此，可將探頭線圈的等效阻抗Z表示成如下一個簡單的函數關系[5]：

其中，x為檢測距離；μ為被測體磁導率；ρ為被測體電阻率；f為線圈中激勵電流頻率。

當固定其中3個參數，便可通過測量阻抗的變化來測量第4個參數的變化，測量位移電路中，常通過測量線圈電感的變化ΔL或ΔZ等來測量距離x的變化。

2 利用電渦流傳感器的位移測量方法

本設計使用變頻調幅式諧振測量法來測量小位移，原理如圖3所示。

圖3 調幅式諧振原理圖

測量中，當探頭線圈逐漸遠離被測金屬表面時，LC回路在某位移處諧振，諧振回路上的輸出電壓最大；當探頭線圈接近(或遠離)被測金屬導體時，諧振回路的Q值發生改變導致回路失諧，使輸出電壓下降[6-7]。輸出電壓與位移之間的關系即為位移型電渦流傳感器的輸出特性，如圖4所示。

圖4 電渦流傳感器電壓與位移變化曲線

線圈軸向的磁場分布對渦流傳感器的靈敏度和線性范圍起決定性作用。另外，線圈的匝數越多，線性范圍越大；線圈薄時，靈敏度高。因此在設計傳感器時，為使一定大小外徑的傳感器有較大的線性范圍和盡可能高的靈敏度，要求線圈厚度越薄越好[8]。本文選用線圈外徑為30 mm，內徑25 mm，匝數500，軸向厚度10 mm。

3 位移數顯測量系統的設計

位移測量系統使用電渦流傳感器特性的前端(近似線性)部分，由傳感器、信號調理電路、AD轉換器、單片機及顯示電路構成，系統原理框圖如圖5所示。

圖5 測量系統框圖

3.1 系統電源

系統所需電源電壓為+15 V和+5 V，利用橋式整流電路將變壓器提供的18 V交流電壓整流并經三端穩壓器7815和7805模塊穩壓得到。

3.2 信號調理電路

信號調理電路如圖6所示，采用三點式振蕩源將電渦流傳感器線圈作為諧振電感L使用。

T1、C1、C2、C3組成電容三點式振蕩器，產生頻率為1 MHz左右的正弦載波信號。電渦流傳感器接在振蕩回路中作為振蕩回路的可變電感元件。線圈Q值發生變化，振蕩器的諧振頻率發生變化，諧振曲線變得平坦，檢波輸出的電壓幅值Vo變小。Vo變化反映了位移x的變化。振蕩器的作用是將位移變化引起的振蕩回路的Q值變化轉換成高頻載波信號的幅值變化。D1、C4、L3、C6組成了由二極管和LC形成的π形濾波的檢波器[9]。

3.3 數據采集電路

數據采集顯示電路如圖7所示，使用10bit A/D 轉換器TLC1543作為模數轉換器件， 參考電壓設置為5 V，與調理電路輸出電壓最大限度匹配，A/D轉換器輸出的數字信號由單片機讀取，經過軟件校準后由顯示電路顯示。

圖6 信號調理模塊

圖7 數據采集顯示電路

使用單片機的 P3.4-P3.7引腳控制AD轉換器的時鐘、輸入端口選擇、數字量輸出和片選端(CLOCK 、D_IN、D_OUT 、CS)，使用P2.0-P2.3控制數碼管顯示電路的位選信號，P0口上拉后用于數碼管顯示數據的并行輸出[10]。實驗中，為了便于調試系統，使用游標卡尺作為基準元件進行實驗。測量系統實物見圖8。

4 實驗結果

由于實驗中使用了電渦流傳感器特性前端的近似線性部分，所以輸出采集的電壓與位移之間并非嚴格線性關系。為了使系統測量能夠獲得較好的線性度，需要對測量系統進行校準[11-12]。實驗中采用軟件校準方法，在單片機內部建立誤差表，采用逐點補差的方式校準，校準后的電壓-距離關系能夠保證測量的準確度及精度。實測結果與校準后的結果見圖9。

圖8 測量系統實物

圖9 實際測量曲線與校準結果

5 結束語

本文中對距離測量儀器進行了電化改造，使用電渦流傳感器設計了測量系統，通過實驗驗證了可行性，對實驗數據進行了軟件校準，達到了一定的精度。實驗教學及研究中，利用控制器與現代傳感器結合，對測量儀器進行改進和探索是值得實驗者重視的工作[13]。

References)

[1] 廖志凌,陳子國,梅從立.基于電渦流傳感器的鍛錘錘頭位移檢測系統設計[J].鍛壓技術,2014(1):121-125.

[2] 卓鄭安,周順,阮海宇.基于單片機的普及型地震報警器設計與應用[J].實驗技術與管理,2014,31(4):84-88.

[3] 劉同娟,馬向國,金能強.電渦流傳感器在混合懸浮控制器中的應用[J].傳感器與微系統,2009(2):113-115.

[4] 姚煥新,苗恩銘,牛鵬程.電渦流傳感器測量精度的新型誤差分析方法[J].中國機械工程,2012(22):2757-2760.

[5] 朱猛,龍寧波,張昊.散斑相關法標定電渦流傳感器電壓輸出曲線[J].光電工程,2013(10):17-21.

[6] 高松巍,劉云鵬,楊理踐.大位移電渦流傳感器測量電路的設計[J].儀表技術與傳感器,2009(12):88-90.

[7] 黃品梅,黃道平,梁錦燊.非接觸測量綜合設計實驗開發[J].實驗技術與管理,2012，29(4):36-38.

[8] 于亞婷,杜平安,李代生.電渦流傳感器線圈阻抗計算方法[J].機械工程學報,2007(2):210-214.

[9] 孟祥軍,張軍.基于C8051F300單片機電渦流式測距傳感器[J].電焊機,2013(10):41-46.

[10] 楊鴿,鄭萍,葉建平,等.基于PLC和單片機的多模式綜合實驗系統設計[J].實驗技術與管理,2013，30(10):83-86.

[11] 苗恩銘,牛鵬程,顏焱.電渦流傳感器誤差修正技術研究[J].中國機械工程,2011(21):2527-2530.

[12] 李移,曹現剛.電渦流位移傳感器曲線擬合方程式的研究[J].煤礦機械,2013(1):94-96.

[13] 張富貴,黃海松,呂敬堂,等.單片機設計性實驗與工程實踐能力的培養[J].實驗技術與管理,2011,28(2):135-138.

A displacement measurement system by using eddy current sensor

Yu Mingjun, Sun Fuyu, Han Zheng, Zhang Di

(Physical and Electronic Information Engineering College,Chifeng University, Chifeng 024400, China)

Aiming at the difficulty of reading measurement result of micro-displacement in physical experiments, this article proposes a new method to measure micro-displacement by Eddy current sensor.According to the principle of resonance, the eddy current sensor detection and signal modulation circuit was designed.By considering the features of micro-displacement influence theQvalue of resonance circuit, the conversion from displacement to voltage is achieved. A chip microcomputer is used for the data acquisition and processing as well as adjusting measuring results.The results of the tests indicate that the design is reasonable and can get more accurate results.At the same time, the error in reading can be avoided.

displacement measuring; eddy current sensor; data acquisition; microcontroller

2014- 09- 02 修改日期：2014- 11- 09

赤峰學院教育教學研究項目(JYXM201318);內蒙古自然科學基金資助項目(2013MS0916)

于明軍(1981—)，女(蒙古族)，內蒙古赤峰，工學學士，講師，主要研究方向為嵌入式技術.

E-mail：han3100@126.com

TP212.1

A

1002-4956(2015)5- 0111- 04