磁軸承電渦流位置傳感器采集卡設(shè)計(jì)

摘要：電渦流位置傳感器是一種非接觸式的無損檢測(cè)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，可以精準(zhǔn)地測(cè)量目標(biāo)對(duì)象的位置信息。通過單片機(jī)與上位機(jī)通訊，傳輸指令和數(shù)據(jù)，使用 ADC 對(duì)調(diào)理的電壓進(jìn)行采集，經(jīng)過運(yùn)算通過 DAC 將信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，獲得校準(zhǔn)后精準(zhǔn)的位置信息，采集卡同時(shí)具備單雙探頭切換功能，滿足不同磁軸承裝備需求。

關(guān)鍵詞：電渦流；測(cè)距；采集卡

磁軸承是磁懸浮電機(jī)的核心部分，其位置檢測(cè)對(duì)磁軸承控制系統(tǒng)的精度至關(guān)重要。這種基于磁懸浮原理的控制系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中廣泛采用，如機(jī)械加工、鋼鐵冶金及食品醫(yī)藥等，其優(yōu)點(diǎn)包括無接觸、無油污、低機(jī)械磨損和噪音。電渦流傳感器通過電磁感應(yīng)原理工作，非接觸地將距離信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，適用于惡劣環(huán)境，精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本文介紹的磁軸承電渦流位置傳感器采集卡是一個(gè)多功能設(shè)備，利用電渦流傳感器原理進(jìn)行測(cè)距，具有雙模式切換、調(diào)零、通信及距離與電壓/電流標(biāo)定功能。

硬件設(shè)計(jì)介紹

下面首先對(duì)電渦流傳感器的基本原理進(jìn)行介紹，接著介紹磁軸承電渦流位置傳感器采集卡硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

電渦流傳感器基本原理

電渦流傳感器是一種利用檢測(cè)線圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的渦流效應(yīng)進(jìn)行非接觸式測(cè)量的傳感器，其具備靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。電渦流位置傳感器的原理是基于電磁感應(yīng)，金屬導(dǎo)體靠近線圈的表面和內(nèi)部的感應(yīng)電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)與線圈周圍的磁場(chǎng)方向相反，并削弱了線圈周圍的磁場(chǎng)，致使傳感器自身線圈的等效阻抗發(fā)生隨之變化。電渦流效應(yīng) h 和被測(cè)物體的材料（電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ）以及幾何形狀有關(guān)，和線圈的勵(lì)磁電流頻率 f 和線圈幾何參數(shù)r 有關(guān)，此外，線圈與導(dǎo)體的距離 x 也是影響電渦流效應(yīng)的關(guān)鍵因素。所以，傳感器線圈受渦流影響的等效阻抗的函數(shù)關(guān)系為

式中，r為線圈與被測(cè)體的尺寸因子。

檢測(cè)線圈是電渦流傳感器的核心部分。對(duì)于式（1-1），只改變其中的某一個(gè)參數(shù)，而其他參數(shù)保持不變，則傳感器線圈阻抗 Z 便和這個(gè)變化的參數(shù)一一對(duì)應(yīng)。于是，對(duì)該變化的參數(shù)的測(cè)量便可以通過與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出的阻抗 Z 的變化量得到。因此，如果被測(cè)材料不變，阻抗 Z 就成為了距離 x 的單值函數(shù)，基于此，便可做成渦流式位移傳感器，通過阻抗的變化達(dá)到測(cè)距的目的。

傳感器采集卡硬件系統(tǒng)

電渦流傳感器采集卡硬件系統(tǒng)主要包含單片機(jī)、振蕩電路、調(diào)理電路、調(diào)零電路、電壓電流輸出電路，RS485 總線通信等。

在該系統(tǒng)中，單片機(jī)為振蕩電路提供固定占空比的方波信號(hào)，振蕩電路將放大后的方波信號(hào)作為傳感器探頭的諧振源，經(jīng)過單雙線圈獲得的信號(hào)在調(diào)理電路的作用下得到原始的電壓信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過 ADC 傳遞給單片機(jī)，然后，單片機(jī)計(jì)算并通過 DAC 輸出需要補(bǔ)償?shù)碾妷盒盘?hào)給調(diào)零電路，于是便得到了最終的標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)。另外，上位機(jī)可以和單片機(jī)進(jìn)行通訊，通過 RS485 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)可以發(fā)送校零指令、單雙線圈切換指令、電壓電流輸出切換指令、數(shù)據(jù)讀取指令（包括調(diào)零前后的輸出電壓和偏置電壓）。

硬件電路設(shè)計(jì)

電渦流位置傳感器常用的諧振測(cè)量電路有四種：調(diào)頻式、調(diào)幅式、電橋式、恒頻調(diào)幅式。各種電路各有特點(diǎn)，此處不詳述。本文選用恒頻調(diào)幅電路進(jìn)行位置識(shí)別。首先，使用固定頻率的晶振生成激勵(lì)信號(hào)，晶振的優(yōu)點(diǎn)包括高頻率精度和低溫漂，頻率在1兆赫以上時(shí)誤差可控制在百萬分之三十以內(nèi)。接著通過驅(qū)動(dòng)放大得到固定幅值方波，考慮到電渦流傳感器需用正弦波，故通過串聯(lián)電容和電阻轉(zhuǎn)換為1.2288兆赫正弦波。就安裝方式而言，磁軸承的徑向和軸向使用的傳感器不同，軸向通常用單個(gè)電渦流傳感器，而徑向則使用一對(duì)。不同的安裝位置需要不同的信號(hào)采集電路，包括單端信號(hào)采集電路和差動(dòng)信號(hào)采集電路。

單端信號(hào)采集電路

電渦流傳感器探頭安裝在磁軸承軸向位置，磁軸承軸向進(jìn)行測(cè)距是通過改變電渦流傳感器阻抗實(shí)現(xiàn)的，通過其電感阻抗的變化，影響整個(gè)諧振點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的變化。R1主要作用是分壓限流，防止短路或諧振時(shí)電流過大燒壞電路器件，R2為電渦流傳感器線圈內(nèi)阻，C1為諧振電容。此時(shí)的電壓信號(hào)為交流電壓信號(hào)，通過二極管D1單相整流和 R3、C2組成的RC一階濾波電路輸出最終的電信號(hào)。為了提高電渦流傳感器的動(dòng)態(tài)性能，這部分信號(hào)帶寬一般設(shè)計(jì)在磁軸承電頻率的十倍以上，通過改變晶振頻率來實(shí)現(xiàn)。

差動(dòng)信號(hào)采集電路

電渦流傳感器探頭安裝在磁軸承徑向的兩端，與單端不同之處是，這里有兩個(gè)完全對(duì)稱的探頭和調(diào)理電路，兩個(gè)輸出的電信號(hào)經(jīng)過差動(dòng)電路，通過對(duì)零漂的抑制，輸出更接近實(shí)際數(shù)據(jù)的電信號(hào)。

由于探頭的不一致，安裝的不精確，以及電子元件的寄生參數(shù)不一致，以及溫漂等因素的影響，導(dǎo)致實(shí)際的差動(dòng)電路不能得到理想的距離和電壓的關(guān)系式。這里通過校準(zhǔn)電路來解決這個(gè)問題。

校準(zhǔn)電路

在實(shí)際應(yīng)用中，單端電路必然會(huì)存在零漂問題，而差動(dòng)電路得到的電壓信號(hào)仍然帶有一定的零漂，使得測(cè)量的數(shù)據(jù)帶有一定的誤差，因此采集卡設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行了校準(zhǔn)，通過單片機(jī)計(jì)算并輸出需要補(bǔ)償?shù)钠秒妷盒盘?hào)，這個(gè)信號(hào)再經(jīng)過基準(zhǔn)源，輸入到校準(zhǔn)電路，輸出最終的電壓信號(hào)。特別注意的是，在校準(zhǔn)電路中為了提高信號(hào)輸出的分辨率，運(yùn)放選用軌至軌的運(yùn)放，另外運(yùn)放的偏置電壓和偏置電流都需要比較低，為了不影響采集的動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)放的壓擺率選用信號(hào)帶寬的 5 倍以上。

單/雙探頭切換功能

這里的采集卡可實(shí)現(xiàn)單/雙探頭切換功能，通過單片機(jī)信號(hào)控制模擬開關(guān)，進(jìn)行多路復(fù)用，從而實(shí)現(xiàn)單/雙探頭的切換。硬件可以采用如TI公司的TMUX6119，具有±16.5伏輸入電壓、低電容、低泄漏電流、精密SPDT開關(guān)等特點(diǎn)。類似的芯片很多，都可以滿足此功能，這里不做過多贅述。另外RS485等其他基本功能電路，這部分內(nèi)容過于通用，文章不一一介紹。

軟件設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)

主程序流程狀態(tài)比較簡(jiǎn)單，主要是配置寄存器和RS485 通信功能，分為初始化寄存器、數(shù)據(jù)和狀態(tài)，判斷當(dāng)前命令狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的命令（如狀態(tài)寄存器更新、傳感器校準(zhǔn)等），獲取新的命令。

校準(zhǔn)子程序

此子程序配合硬件電路實(shí)現(xiàn)磁軸承電渦流位置傳感器的校準(zhǔn)功能。主要功能包括：判斷單端或差分模式、切換電路模式、ADC 采集信號(hào)、參數(shù)擬合運(yùn)算、輸出 DAC 校準(zhǔn)電壓信號(hào)。

自定義置零功能表

采集卡增加 CRC 校驗(yàn)位，降低誤碼率。采集卡需要功能完善的指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。采集卡需要向下兼容，因此需要預(yù)留足夠的指令。

實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電渦流傳感器、測(cè)距工裝、電路板組成。磁軸承上的電渦流傳感器有九個(gè)，軸向有一個(gè)單獨(dú)的傳感器，徑向有 8 個(gè)傳感器，分為 4 組輸出。

上位機(jī)操作界面

系統(tǒng)代碼包括0x01至0xA6，如“讀取傳感器前的電壓”“讀取傳感器的位置”等，有利于維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)處理過程中，從傳感器采集數(shù)據(jù)開始，經(jīng)過模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）處理信號(hào)，然后數(shù)據(jù)通過數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）輸出。實(shí)驗(yàn)設(shè)置部分包括傳感器、電路板及其他組件的具體連接方式，物理布局形式科學(xué)合理。QT源碼編譯后的界面展現(xiàn)出系統(tǒng)運(yùn)行的圖像曲線，能夠顯示系統(tǒng)狀態(tài)和傳感器讀數(shù)，同時(shí)還可提供用戶交互界面，便于對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

結(jié)論

磁軸承電渦流位置傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)采集卡的重要部分。本文設(shè)計(jì)的磁軸承電渦流位置傳感器采集卡設(shè)計(jì)具備雙模式切換功能、調(diào)零功能、通信功能、距離和電壓/電流標(biāo)定功能。不僅可以為后期的磁軸承懸浮研發(fā)拓展提供有力工具，還能改善電渦流傳感器上位機(jī)系統(tǒng)的跨平臺(tái)操作，提高界面設(shè)計(jì)的耦合性，進(jìn)一步降低磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。