基于LDC1614的磁浮電渦流位移傳感器設計*

胡瑞霞, 馬衛華, 史天成, 羅華軍

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室,四川 成都 610031； 2.成都勒科瑞科技有限公司,四川 成都 610000； 3.中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412000)

0 引 言

在實際工程應用中,通常需要用非接觸的方式測量與目標物體的間隙。目前,常用的非接觸測量間隙方法有3類,第1類是以光纖的方式測量間隙,通過反射到的光強確定與被測物體的距離；第2類是電容法測量間隙,通過絕緣電極和金屬板形成電容,后級通過調理電路及濾波器輸出易于分析的信號；第3類是電渦流類,主要根據線圈電感大小得到實際的距離,優點是靈敏度高,不受油污和介質的影響[1]。目前的電渦流傳感器主要分為模擬電渦流傳感器和數字電感傳感器,其中模擬電渦流傳感器的缺點是電路板體積大,并且調理電路復雜,而數字電感傳感器可以大大縮減電路板體積,從而將整個間隙傳感器的體積縮小,同時數字電感傳感器有功耗小、調試簡單等優點,這些均是模擬電渦流傳感器無法比擬的。通過實際的測量,數字電感傳感器能精確測量0～20 mm的位移,同時在9～11 mm的時候精度能達到0.01 mm,通過軟件濾波判斷求平均,最終的間隙值能達到穩定,并且重復性基本達到要求[2],轉換時間控制在0.5 ms以下,如果對速度有更高要求,可以適當增加IIC時鐘的頻率,本設計中時鐘頻率選擇建議值1 MHz。

1 磁浮傳感器檢測原理

數字電感傳感器測量原理基于電磁感應現象,當給電感線圈接通以高頻率的0～3.3 V的交流電壓時,線圈周圍會產生交變磁場,此時如果有金屬物體靠近線圈,在金屬表面同樣也會產生感應電流,這種現象稱為渦流。電渦流自身也會產生磁場,但產生的磁場方向和電感線圈產生的磁場方向完全相反。原理類似于一對耦合線圈,通過傳感器產生的磁場是初級,電渦流產生的磁場是次級[3,4]。由于兩者會產生互感現象,電渦流傳感器的頻率就會因為阻礙而減小,產生的電渦流大小與金屬物體的材質、大小和距離等有關。相同大小相同材料的金屬距離傳感器越近則頻率減小得越多。圖1即為抽象出的互感模型。

圖1 互感模型

(1)

式中x為傳感器和F軌的間隙,L(x)為目標金屬物的互感電感；I1為流過電感傳感器的電流；I2為感應出的渦流大小。

由于互感的存在,初級線圈的電感量會有所變化,這種變化會體現在頻率的變化上。所以,傳感器的震蕩頻率fsensor為

(2)

式中L為電渦流線圈的電感量,C為并聯的電容量。

根據傳感器的頻率和內部時鐘的參考率,LDC1614會輸出數字量。4個通道全部獲取到28位的DATAx(x=0～3)并傳輸給單片機的時間大約為256 μs

(3)

LDC1614的內部結構圖如圖2所示[5,6],用于取代和模擬電渦流傳感器的信號調理部分。

圖2 LDC1614內部結構

2 磁浮傳感器軟件設計

磁浮電渦流位移傳感器的軟件設計流程如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

目前較流行的單片機都有IIC的接口,直接用單片機內部模塊效率會高一些,主要需要配置LDC1614的相關寄存器,包括通道的分頻系數和采樣模式等,本設計中需要調整時鐘的分頻系數使得輸入到線圈的頻率大約是4 MHz,這樣在20 mm間隙范圍內返回的頻率都會有變化。同時單片機需要外接并行的NORFLASH,是為了保證較快的查表速率。NORFLASH的容量達到1 Mbit以上就能滿足所有數據的存儲。傳感器的每個通道會獲取到0～228-1的數字量,而這個數字量可以作為NORFLASH的地址,通過對地址的查找,得到實際的間隙值并通過RS485方式輸出給后端處理器。

有效判斷數據的主要方式是在軟件中加入中值濾波,這樣每個通道的數據波動就會小很多,然后通過將4個通道的值作對比,理論上因為4個線圈處于水平面上,即便處于傾斜狀態,中間的傳感器數值一定會在兩端傳感器數值的中間,根據這一特性,懸浮高度主要按照4只傳感器的平均值確定,如果中間傳感器的數值出現異常情況則判斷兩端傳感器的狀態,判斷得到兩端傳感器的數值相差不大則懸浮高度按照兩端傳感器的平均值確定,否則按照四個傳感器數值最相近的兩個傳感器的數值取平均作為當前的懸浮高度。

為了保證通信的可靠性,整塊電路板需要做的盡可能小,否則采集的數據干擾會很大,但因為LDC1614采用總線的方式交互,信號傳輸線還是會有干擾存在,運行過程中LDC1614配置寄存器內部的數據可能會改變,這樣采集回的數值將一直是0。在實際情況下不可能出現0,所以判斷到這種情況時需要重新配置寄存器,使得采集回的值恢復正常,整個配置過程大約消耗512 μs。

3 磁浮傳感器測試結果

根據單片機獲取得到傳感器4個通道返回的數據,畫出采樣出光柵尺的實際距離和返回數據的曲線圖,為保證校準曲線的精度,采樣的數目不宜過多,采樣時保證環境溫度的變化盡可能小,最好在恒溫箱中完成。為保證數據一致性需要多次重復實驗,通過采樣到的數據可以擬合出1條曲線,反推出曲線的公式[7,8]。得到通道0的校準曲線如圖4所示。

圖4 傳感器校準曲線

根據擬合出的公式做出傳感器返回數值和實際距離的表,燒寫入NORFLASH中,通過光柵尺和步進電機的搭配,再次確認查表后的數據和實際距離的關系,步進量設定為0.005 mm,通過校準得到傳感器的靈敏度和誤差值,微調NORFLASH內部的數據,使得傳感器的精度基本達到預期要求。

前期使用平面線圈效果不好,受溫度影響明顯,并且電感值波動較大,改用纏繞式線圈,增加線圈半徑,同時線粗選擇0.6 mm的漆包線,這樣線圈的電阻會減小,同時線圈最小半徑也會增大,也使得銅線線圈長度會有所減小。通過對線圈的改進,明顯增大了線圈的品質因數,使得傳感器在9～11 mm處的分辨率達到0.01 mm,并且適當減小了震蕩電容的電容量,保證在靜態情況下采樣值不出現大的波動,整個設計在精度和穩定性上得到驗證。

其余3個線圈同樣也按照這種方法實現距離的測量。由于線圈的電感量會隨溫度變化,所以單片機系統中需要加入溫度傳感器進行溫度補償。根據相同距離不同溫度下間隙的差值呈現線性變化規律,采集回數據進行加減補償,最終得到實際的間隙。但在高溫情況下LDC1614的數據會出現嚴重的波動,并且這種情況在模擬電渦流傳感器中也同樣存在,關于這一點LDC1614并沒能明顯改善模擬電渦流傳感器遺留的缺陷,后期設計還需進一步優化。

4 結 論

本文提出的數字電感傳感器LDC1614在磁浮中完成懸浮間隙的測量,相較于正在使用的模擬電渦流傳感器：

1)功耗和成本大幅降低,校準調試更加簡單,傳感器的驅動電路體積也大大減小,1個LDC1614芯片的通道數就可以滿足設計的要求,即對于間隙的測量精度完全滿足正常懸浮的需要。

2)并且本文考慮到溫漂對試驗結果的影響,設計中加入了溫度傳感器用于減小溫漂帶來的誤差,使得試驗結果更加可靠可信。

3)為了彌補高溫情況下數據不穩定的缺陷,希望后期設計能找到更好的解決方法來穩定間隙數據。