差动式电涡流位移传感器_丛华

�� � 年 第 � 一卷 第�期 装 甲兵工程学院学报 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � 一� � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 差动式电涡流位移传感器 丛 华 安 钢 张又明 刘维平 王树礼 �清华大学工程物理系 , 北京 � � � �� �� 摘要 �设计 了差动式精 密电涡流位移传感器 。通过对参数 的合理选择与优化 , 侧圣 电路尽重未用线 性集成元件 , 较好地解决 了一般载频调幅 式电涡流位移传感器线性范围 小 、线性度差 、时漂和 温漂 大的故点 , 能够满足 在�� � � � 的动态范围 内 , 对高速转轴 在复杂环境温 度条件下 , 进行长期挤确的 位移和振动监测的需要 。 关键词 � 电涡流 ,位 移 �传感器 电涡流位移传感器是一种特殊的 电感传感器 。其基本原理是利用以高频激励的检测线圈 的电感 , 随检测线圈与被检测体之间的距离变化而变化 , 来进行位移检测 。 一般的载频调 幅式 电涡流位移传感器 , 存在以下几个问题 � ��� 由于大都采用分立元件 , 参数分散性大 , 调试复杂 。 ��� 检测线 圈的电感 、 电阻以及各个分立元件的参数 , 都是温度的函数 , 尤其 是检测线圈的电阻变化 , 使得温漂和时漂问题难以解决 ‘’·� 。 ��� 电 路 复杂 , 对于 � �� � 的信号 , 一向有 � � ’ �左右的相移 , 并且高频噪 声较大 , 不适用于对高速转轴进行精确监测 。 另外 , 利用电涡流位移传感器对高速转轴进行精确监测还存 在位置误差问题 �见图 � � , 热膨胀误差问题等等 。基于这些原因 , 现 研制了差动式精密电涡流位移传感器 。 图� 位置误 差示意图 结构特点与工作原理 传感器检测线圈是 自行研制的 , 为在检测范围之内充分提高灵敏度与线性度 , 对其结构参 数进行了优化 。检测电路基本采用线性集成元件 , 结构简单紧凑 , 调试方便 。如图 �所示 。 � � � 振荡源与高频放大 对于一般载频调幅式电涡流位移传感器来说 , 振荡源对其幅值和频率的稳定性要求是很 高的 , 因为它直接影响传感器输出的稳定性 。但是 , 对于差动式传感器 , 作为共模信号 , 对其幅 值和频率的稳定性要求并不高 。利用 �� ,进行高频放大 、一对小功率晶体管推挽输出 , 就可以极 大地提高振荡器的带负载能力 , 输出电压可达士 � � � 以�上 , 如图�所示 。 � � � 电压跟随器 为进一步减小线圈电路之间的藕合带来的误差 , 电路 中还采用了电压跟随电路 , 对振荡源 与谐振电路进行隔离 。 �� � � �对于 � � � � 的信号来说 , 输出电压可达士 ��� 以上 , 并且温漂小 , 失调电压低 , 频响好 , 噪声小 。 收稿 日期 � � � , �一 ��一 � � 第 � 期 丛 华等 � 差动式电涡流位移传感器 滤滤滤滤滤滤滤滤滤滤滤 波波 谐谐谐谐谐谐谐 振振振 倍 压压压 与与高高高高高高高频放放放 电 路路路 检 波 ����� 调 整整整整整整��� � � ����� 大与跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟 差 动动 振振荡器器器 随电路路路路路路路路路路路路路路路路 输 出出谐谐谐谐谐谐谐谐谐 振振振 倍 压 ����� 滤 波波波波波波 电电电电电电电 路路路 检 波波波 与与 调调调调调调调调调调调 整整 图 � 传感器结构原理 图 � � � 谐振电路中的参数选择 图 �谐振电路中检测线圈电感 � 、并联谐振 电容 � 、检测线圈电阻 凡 的等效阻抗为 � , 串联 电阻 � 的选择对传感器的灵敏度和信噪 比 �� � � �有重大影响 。 �� 电路谐 振时阻抗角很小 , � 禽助一 ‘点 , 当 。值很大时 , �‘ �忽 �� 七 � �� � 。明显可 以看出 , 当 。�黔 � �掀一 。时 , 。的取值最优 。理口 �乙 � 论和 实践都证明了 � 有一个最优的取值范围 , 即 �、 �� ��这里需要说明的是 � 在谐振电路中 有一个变化范围 � 。 图 � 振荡器与高频放大原理 图 � 谐振电路 原理 图 � 滤 波与调 整电路 �� 倍压检波 利用高速开关管 �� � �� 进行倍压检波 ,得到较高的灵敏度和频响特性 。 �� � 滤波与调整电路 利用有源滤波器可有效地抑制高频 噪声 。同时利用 � , 可进行小范围内的灵敏度调节 。为 使差动电路具有良好的对称性 , 利用 � � 恒压源电路 中 � �进行偏移量调整 �见图�所示 � 。这是 因为 , 差动式传感器安装会有偏差 , 需要进行可靠的调零 。 �· � 差动输出 采用仪器运算放大器 ��� �进行差动放大输 出 , 电路参数不再进行调整 , 以保证整个仪器 的可靠性 。 � 传感器性能测试分析 线性度 、时间漂移和温度漂移 , 是 电涡流传感器的主要性能指标 , 按图�所示连接试验设 装 甲兵工程学院学报 �� � � , � � �� � 备 。首先将传感器增量灵敏度调节到�� � �加 � 左右 , 以每 �� �� 为增量间隙 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 输出电压值 , 测量范围为 � � � , 校准时检测对象为铝合金 。 � � � 传感器输出曲线 图 �和图�分别是�� ℃下 , 对功组 �每组 ��� 个数据 �试验 台标定的传感器输出值进行平均后 , 得到的传感器输出曲 线和传感器标准偏差 �即偏离标准直线值 �曲线 。取 �� 组数 据进行平均 , 目的是为了尽量降低传感器标定过程中的偶 然因素的影响 。 � � � 线性度 从图 � 、图�可以看到 , 在 �� ‘� 条件下 , 以每 �� 拼� 为增 量间隙记录输出电压值 , 得到传感器输出曲线 。在全量范围 �� � � , ��� �内 , 传感器输出最大标准偏差小于士 � � � , 即 传感器线性度为士 � � � � 。 电电泥泥泥 � � � � � �信号号 士士 � �� � ����� 夕叼理机机 瓜瓜簇� 育渝 恒恒恒恒·· , 坛中舀 一】温尺 、、 二二� 夕 箱台台 图� 试验设备连接示意图 止止共一片丫丫 � � � � � � � � � 一 � , � � � 一 � � � � �曰护叮潺 汾�卜叼田招妇潺一 � � � � 位移 � 八� � 图 � 传感器实际标定曲线 �� 时间稳定性 � � � � 位移 �,� � � 图 � 传感器标准偏差值曲线 从图 �可以看到 , 常温下 � �� ℃左右 �传感器通 电�� �� 之内即可达到稳态 。达到稳态后 , 每 � � �� 记录一次输出电压值 , 经 �� � 实验测定 , 最大漂移量小于�� � � , 其长期稳定性优于 � � � � � 。 的即��加叨。 �任�劫出钾笼挥牡三��巴奋书漫 时间 亡� , 图 � 传感器时间特性 � � � � � � � ! �口 � � � � � � �‘� 刁�西时间 乙�� 图 �� 传感器温度特性 � � � 温度稳定性 灵敏度和零点的温度漂移 , 一直是电涡流传感器的主要问题 , 一般国外产品灵敏度的温度 系数为� � � � � ℃左右 , 并且标定条件为前置器与探头处于同一温度环境下 。而笔者设计的传感 器 , 当把探头单独从 �� ℃的环境下放入 ��� ℃的环境下时 , 利用 �� � �� 信号处理机记录的传感 器输出特性如图 �� 所示 。零点的温度漂移量小于 �� � � , 即 � � �� � � ℃ 。 在 � � ℃条件下 , 以每 �� 协� 为增量间隙记录输出电压值 , 得到增量灵敏度后 , 再进行全量 程范围平均 , 灵敏度为�� � � 加� 。在 � �� ℃下用同样的方法得到平均灵敏度 曲线 , 其灵敏度约 为� � � � � � � “� 。试验结果表明 , 灵敏度温漂小于 � � �� � ℃ 。 第 � 期 丛 华等 � 差动式电揭流位移传感器 � 结论 经实验结果验证 , 笔者设计的差动式电涡流位移传感器 , 理论是正确的 , 技术是可行的 , 尤 其适用于对高速转轴进行位移 、振动监测 , 具有很好的时间和温度稳定性 。电涡流位移传感器 检测电路采用线性集成元件 , 较之采用分立元件 , 虽然成本有所提高 , 但是传感器的性能好 , 同 时大大减小了电路的复杂程度 。 参 考 文 献 凌保明 ,诸葛向彬 , 凌 云 � 电涡流传感器温度稳定性研究 � 仪器仪表学报 , �� � 刁 严钟豪 ,谭祖根 � 非电量检测技术 � 北京 � 机械工业出版社 , �� ! 冯冠平 , 卢道江 ,付尚新 , 陈立基 � 感应电涡流原理及调颇线路在非接触位移测量中的应用 � 清华大学学报 , � � � � � ���� � � � ��� � � � � � � � � � � � ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � �� � � ���� � � � � � � � � �� � �� ��� � � � � � �� � �� � � � � � �� �� � ��� ��� � ���� � � !∀ # ∃ � % % & � ∋ � �� ! % ∀() ∃# � � ∗ � ! (� (+ �, ) # � # ∗ � !� �( # �� ( � − ∃� . !� % # % + ) !∀∗ 议ed rea so n a b ly a n d lin ea r in teg rated elem en t 15 ad o Pted to d etee t th e eireu it , a s a r e - su l t , i t o v e r e o r m e s th e d e f e c ts u su a l l y e n c o u n t e r e d b y t h e e a r r i e r A M e d d y e u r r e n t d i s P l a c e m e n t s e n s o r s u e h a s s m a l l l i n e a r s c o P e , l o w l i n e a r d e g r e e a n d l a r g e t i m e a n d t e m P e r a t u r e d r i f t . I t e a n m e e t t h e r e - q u i r e m e n ts f o r t h e h i g h 一sPeed rotor to eonduet long一 te rm ae eu ra te d isP laee m en t a nd v ibratio n su pe r- v isi o n in eo m P liea ted a m bien t tem P era tu re w ithin 1 0 k H z d y na m ie sp h ere. K ey w o rd s :Ed dy eu rren t ; d isP la eem en t ; se nso r