田旭峰， 董全林, 郭景昊

(1.微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191)

0 引 言

位移傳感器用于測(cè)量相對(duì)位置，又稱(chēng)線性傳感器[1]。位移測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和過(guò)程控制等領(lǐng)域。最常使用的伺服反饋位移傳感器有電位計(jì)式位移傳感器，差動(dòng)變壓器式位移傳感器、光電式位移傳感器等[2]。電位計(jì)式位移傳感器[3]由于其接觸式測(cè)量的原因，導(dǎo)致其具有易磨損、易氧化、易老化、機(jī)械使用壽命短、分辨力和可靠性低等缺點(diǎn)。差動(dòng)變壓器式位移傳感器[4]實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量，但是由于其測(cè)量特點(diǎn)，導(dǎo)致了其線性區(qū)小，結(jié)構(gòu)尺寸較大，因此，在空間受限時(shí)很難發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。而光電式位移傳感器[5,6]雖然能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，但易受油污、粉塵等環(huán)境條件的影響，且生產(chǎn)、維護(hù)成本較高。

本文在智能閥門(mén)定位控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種新的電磁感應(yīng)式位移傳感器，其精度較高，抗干擾能力強(qiáng)，生產(chǎn)維護(hù)成本低，能夠滿(mǎn)足閥門(mén)定位控制系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)要求。

1 工作原理與各模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計(jì)，以天線與諧振器電磁感應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)。其簡(jiǎn)化系統(tǒng)框圖如圖1所示，由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，施加到發(fā)射線圈上，發(fā)射線圈周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，諧振器在該磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，由于渦流效應(yīng)[7]產(chǎn)生減弱原磁場(chǎng)的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)隨著諧振器的位置變化而變化，因此，在感應(yīng)線圈中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，建立諧振器位置和感應(yīng)信號(hào)的關(guān)系。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理單元進(jìn)行處理，輸入到微處理器單元，即可解算出位移信息。

圖1 電磁感應(yīng)位移傳感器結(jié)構(gòu)

1.1 電磁耦合線圈設(shè)計(jì)

電磁耦合線圈為該傳感器的敏感元件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其由固定部件和可移動(dòng)部件2部分組成。固定部件上包含三組線圈，分別為：正弦激勵(lì)線圈，余弦激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈?？梢苿?dòng)部件為L(zhǎng)C諧振電路。

圖2 電磁耦合線圈結(jié)構(gòu)

各線圈形狀如圖3所示。正弦激勵(lì)線圈形成2個(gè)大小相等方向相反的電流環(huán)，傳感器施加在正弦激勵(lì)線圈上的電流表達(dá)式為

I(t)=Asin(2πf1t)cos(2πf0t)

(1)

式中f1為調(diào)制頻率，為3.9 kHz；f0為載波頻率，為2 MHz；A為常數(shù)。

圖3 線圈形狀

此時(shí)在線圈軸線上形成的磁場(chǎng)表達(dá)式為

Bsin=K1sin(2πf1t)cos(2πf0t)sin(2πx/L)

(2)

式中K1為常數(shù)；x為沿線圈軸線的位置；L為整個(gè)線圈軸線長(zhǎng)度。

當(dāng)無(wú)諧振器作用時(shí)，由于正弦激勵(lì)線圈的2個(gè)電流環(huán)大小相等，方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，所以，感應(yīng)線圈中無(wú)感應(yīng)電信號(hào)。

余弦激勵(lì)線圈中形成3個(gè)電流環(huán)，2個(gè)小環(huán)與大環(huán)的方向相反，大小相等。施加在余弦線圈上的電流表達(dá)式為

Q(t)=Acos(2πf1t)cos(2πf0t)

(3)

同理，可得其在軸線上的磁場(chǎng)分布為

Bcos=K2cos(2πf1t)cos(2πf0t)cos(2πx/L)

(4)

無(wú)諧振器作用時(shí)，余弦激勵(lì)線圈同樣不會(huì)在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電信號(hào)。

當(dāng)存在諧振器作用時(shí)，諧振器會(huì)在正余弦激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流效應(yīng)，減弱原磁場(chǎng)的作用。此時(shí)，原有的平衡被破壞，感應(yīng)線圈中產(chǎn)生隨諧振器位置變化而變化的感應(yīng)電信號(hào)，經(jīng)推導(dǎo)，該電信號(hào)的表達(dá)式為

EMF=K3cos(2πf0t)cos(2πf1t-2πx/L)

(5)

因此，檢測(cè)出該信號(hào)的包絡(luò)波形相位值，即可將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位置值。

1.2 激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元設(shè)計(jì)

激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元主要用于產(chǎn)生振幅調(diào)制的線圈激勵(lì)信號(hào)，具體電路如圖4所示。其中，U1為2個(gè)D觸發(fā)器，選用芯片SN54AHC74，實(shí)現(xiàn)移相與分頻。由單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率為4 MHz的方波，將該方波輸入U(xiǎn)1，經(jīng)過(guò)移相分頻得到頻率為2 MHz的I，-I和Q三個(gè)脈沖信號(hào)。其中，Q與I相位相差90°，Q用于數(shù)字載波信號(hào)，對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的正余弦脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，即圖4中的SIN和COS。經(jīng)過(guò)與門(mén)后，將脈寬調(diào)制信號(hào)與數(shù)字載波信號(hào)進(jìn)行混頻，得到數(shù)字調(diào)制的正余弦激勵(lì)信號(hào)，再分別將其輸入到半橋驅(qū)動(dòng)芯片U2A和U2B，選用AAT4900芯片，最后通過(guò)LC濾波得到模擬的振幅調(diào)制激勵(lì)信號(hào)，即式(1)和式(3)所示的信號(hào)，將其分別施加到正弦線圈和余弦線圈上即可產(chǎn)生期望的電磁場(chǎng)分布。

圖4 激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元電路

1.3 感應(yīng)信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

感應(yīng)信號(hào)處理單元主要用于對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)濾波，以及在不丟失相位信息的前提下進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為便于單片機(jī)處理的脈沖信號(hào)，其具體電路如圖5所示。其中，S(x)為電磁線圈耦合系統(tǒng)輸出的感應(yīng)信號(hào)，GNDB為設(shè)置的參考地電壓，為2.5 V。首先，將感應(yīng)信號(hào)S(x)輸入到一個(gè)高通濾波器，主要為濾除50～60 Hz的工頻干擾。然后，將其通過(guò)由4個(gè)模擬開(kāi)關(guān)組成的交叉模擬開(kāi)關(guān)同步檢波電路，其開(kāi)關(guān)信號(hào)為之前在激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路中產(chǎn)生的同相信號(hào)I和方向信號(hào)-I，其頻率為2 MHz。選用MC74HC4066A芯片，其內(nèi)部集成了4個(gè)能滿(mǎn)足快速通斷的模擬開(kāi)關(guān)，很好地滿(mǎn)足本電路的要求。在同步檢波完成之后，將信號(hào)輸入到由U3組成的低通濾波器，濾除同步檢波后信號(hào)中的高頻成分。再將其通過(guò)由U4組成的帶通濾波器，濾除掉低頻分量和直流分量，可成功提取出感應(yīng)信號(hào)的包絡(luò)波形，此外，還需要對(duì)其進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,將該信號(hào)通過(guò)U5構(gòu)成了一個(gè)過(guò)零比較器，即可實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。為了提高相位檢測(cè)精度，再將該信號(hào)與感應(yīng)信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生的正交信號(hào)Q進(jìn)行混頻，即可得到可供單片機(jī)處理。

圖5 感應(yīng)信號(hào)處理單元電路

1.4 微處理器單元設(shè)計(jì)

選用PIC系列單片機(jī)作為微處理器單元，該系列單片機(jī)具有功耗低，成本低，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[8]，很好地滿(mǎn)足了系統(tǒng)的要求。芯片用于輸出4 MHz的方波，以及3.9 kHz的正余弦脈寬調(diào)制信號(hào)，同時(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)處理的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，提取出其中的相位信息，通過(guò)相應(yīng)的解算將該相位信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位置信息。另外，還可以實(shí)現(xiàn)顯示、通信等附加功能，實(shí)現(xiàn)傳感器智能化。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

根據(jù)相應(yīng)電路模塊的設(shè)計(jì)，制作了實(shí)驗(yàn)電路板，其中包括諧振器電路板、電磁耦合線圈電路板以及主要起信號(hào)處理作用的主板。將諧振器和電磁耦合線圈安裝在一個(gè)2自由度高精密光機(jī)座上。當(dāng)移動(dòng)高精度光機(jī)座位移平臺(tái)時(shí)，每移動(dòng)一個(gè)位移值，分別讀出光機(jī)座和位移傳感器的位移值，兩者的差值即為傳感器的誤差。通過(guò)測(cè)量，得到傳感器的誤差曲線如圖6所示，位移誤差在-0.06～0.04 mm范圍內(nèi)，精度較高。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于智能閥門(mén)定位控制系統(tǒng)中伺服反饋位移傳感器。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：傳感器精度較高，同時(shí)其實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量，延長(zhǎng)使用時(shí)間，大幅提高了工作可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在惡劣環(huán)境下仍能正常工作，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性和較高的性?xún)r(jià)比。

圖6 傳感器的誤差曲線

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