高精度電渦流傳感器的標(biāo)定研究

劉學(xué)　王艷林　高宏　陳青山

摘要：線性度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，為減小電渦流傳感器的非線性誤差，提高其測(cè)量精度，對(duì)電渦流傳感器的輸出結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。給出了電渦流傳感器輸出電壓與探頭線圈和被測(cè)金屬導(dǎo)體之間距離的關(guān)系式，在滿足的±0.5mm量程，分辨率達(dá)到萬(wàn)分之一的前提下，分別采用直線擬合法和曲線擬合法對(duì)電渦流傳感器進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用曲線擬合采用3階多項(xiàng)式擬合要比直線擬合法線性誤差更小，非線性誤差由17.19%降到0.7%。

關(guān)鍵詞：精度；電渦流傳感器；標(biāo)定；曲線擬合法

中圖分類號(hào)：TH711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0080-02

0 引言

目前對(duì)非線性補(bǔ)償問題的解決方法主要有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種方法。前者是在傳感器的輸出端設(shè)置補(bǔ)償電路來實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償功能，但是其電路通常較為復(fù)雜且精度比較低，同時(shí)在當(dāng)前的微機(jī)化的趨勢(shì)下，硬件電路補(bǔ)償逐漸被軟件補(bǔ)償所替代。軟件補(bǔ)償時(shí)通過有函數(shù)補(bǔ)償和算法補(bǔ)償來有效減少信號(hào)中的非線性失真，從而提高傳感器的精度。目前常用的補(bǔ)償算法有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。函數(shù)補(bǔ)償法通常需要對(duì)傳感器的輸出特性比較清楚的前提下使用，而算法補(bǔ)償則不需要事先推導(dǎo)關(guān)系式，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法本身比較復(fù)雜，所以軟件處理方法需要根據(jù)工作環(huán)境而定。

鑒上述，通過對(duì)電渦流傳感器輸入輸出關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，運(yùn)用函數(shù)擬合的方法對(duì)電渦流傳感器進(jìn)行非線性校正，計(jì)算過程簡(jiǎn)單且精度滿足工業(yè)要求，為電渦流傳感器的標(biāo)定提供了一種行之有效的方法。

1 電渦流傳感器測(cè)距原理

設(shè)圖1中線圈的電阻為R1，電感值為L(zhǎng)1，則其阻抗為Z=R1+jwL1；其短路電路的電阻值為R2，電感值L2；線圈與短路環(huán)之間的互感系數(shù)為M。M的值隨它們之間的距離d的減小而增大。加在線圈兩端的激勵(lì)電壓為U。根據(jù)基爾霍夫定律，可以列出電壓平衡方程組。

3 結(jié)語(yǔ)

通過運(yùn)用直線擬合和曲線擬合分別對(duì)電渦流傳感器進(jìn)行非線性校正，其中直線擬合的非線性誤差分別為17.19%、10.99%。曲線擬合的非線性誤差為0.7%。有結(jié)果可以看出，曲線擬合的結(jié)果比較好，采用曲線擬合使電渦流傳感器的輸出精度顯著提高，曲線擬合法運(yùn)用3階多項(xiàng)式來逼近，只需通過Matlab計(jì)算得出擬合曲線系數(shù)，再將表達(dá)式寫入到微處理即可。由此可見，對(duì)電渦流傳感器的標(biāo)定應(yīng)該采用曲線擬合法，其非線性誤差可以從17.19%降到0.7%。

參考文獻(xiàn)

[1] 于鵬，許媛媛.利用插值法和曲線擬合法標(biāo)定電渦流傳感器[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2007（1）：139-141.

[2] 于亞婷，杜平安，廖雅琴等.基于BP網(wǎng)絡(luò)的電渦流傳感器非線性補(bǔ)償[J].自動(dòng)化與儀表，2016，26（10）：54-56.

[3] 俞阿龍.基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的渦流傳感器非線性補(bǔ)償方法研究[J].電氣自動(dòng)化，2008，20（5）：66-68.

[4] Zilian Qu，Qian Zhao，Yonggang Meng.Improvement of sensitivity of eddy current sensors for nano-scale thickness measurement of Cu films[J].NDT & E International，2014：53-57.

[5] Gobi，K， Kannapiran，B，Devaraj，D.Design， Development and Performance Evaluation of Eddy Current Displacement Sensor Based Pressure Sensor with Target Temperature Compensation[J].DEFENCE SCIENCE JOURNAL，2018，68（2）：203-209.

[6] 宋士蘭.基于電渦流傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)的研究[D].上海：東華大學(xué)，2018.

[7] 胡泊.MATLAB在電渦流傳感器標(biāo)定中的應(yīng)用[J].電子世界，2014（12）：370-371.

Abstract：Linearity is an important indicator of the static characteristics of a sensor. In order to restrain the nonlinear error and to improve the accuracy， calibration of precision eddy current sensor is studied. The relationship between the output voltage of the eddy current sensor and the distance from the probe coil to the measured metal conductor is inferred. In the case that the range is ±0.5mm and resolution reaches one ten thousandth， the precision eddy current sensor is calibrated respectively through Straight line fitting method and Curve fitting method. Experimental results show that， the Curve fitting method is better than the Straight line fitting method， and the nonlinear error is improved from 17.19% to 0.7%.

Key words：accuracy； eddy current sensor； calibration； least square method