基于電渦流傳感器微小距離測量系統(tǒng)

張春暉

摘? ?要：本文研究了一種基于電渦流傳感器高精度微小位移測量系統(tǒng)。針對溫度對電渦流傳感器測量位移的精確性的影響，通過調(diào)試測量了不同溫度下電渦流位移傳感器的輸入輸出特性，擬合了不同溫度下電渦流傳感器輸出電壓和輸入位移的曲線，補償溫度對輸入與輸出的非線性誤差。針對電渦流位移傳感器的輸入輸出存在的非線性關(guān)系，通過設(shè)計硬件電路、一次或二次曲線擬合和軟件控制算法對非線性矯正，提高了系統(tǒng)測量精度。

關(guān)鍵詞：電渦流傳感器;曲線擬合;STM32F103單片機;電容三點式振蕩電路

引言

微小位移測量精度要求越來越高，尤其航空航天對于微小位移的測量幾乎沒有偏差，測量必須精確，測量位移的傳感器不外乎以下幾種，諸如激光位移傳感器、超聲波位移傳感器、電容式位移傳感器、光柵式位移傳感器和電渦流位移傳感器。激光位移傳感器、超聲波位等位移測量傳感器易受外界環(huán)境的影響，光柵式位移傳感器價格較高，電渦流傳位移傳感器精度高，抗干擾能力強，電渦流位移傳感器是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，當電渦流傳感器被高頻正弦波信號激勵時，會在周圍環(huán)境中產(chǎn)生交變磁場，當金屬導(dǎo)體靠經(jīng)磁場時又會反作于先前產(chǎn)生的磁場，削弱其強度，同時線圈的阻抗就會發(fā)生變化，利用線圈的阻抗發(fā)生變化而引起電路正弦波信號的頻率的變化來表征位移量，由于溫度變化和阻抗與距離間的非線性影響測量精度。

本文設(shè)計了一種高精度微小位移測量系統(tǒng)，通過溫度補償和非線性補償算法提高測量精度，測量位移的范圍在0.1mm-10mm，精度±0.2%。

1 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

測量系統(tǒng)由正弦波振蕩電路、檢測電路、單片機、LCD顯示電路構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

通過電容三點式振蕩電路產(chǎn)生1MHz的高頻正弦波信號去激勵電渦流傳感器，再經(jīng)π型濾波器和放大電路輸出電壓，由單邊機采樣進行收數(shù)據(jù)處理輸出電壓和位移的函數(shù)關(guān)系，測量結(jié)果由LCD屏幕顯示。

2 LC電容三點式正弦波振蕩器的電路

LC正弦波振蕩電路的種類很多，考慮到電渦流傳感器的特性，采用的有電容三點式振蕩器，電路如圖2所示。

電容C1=2500pF，C2=2500Pf，電感L=10μH，通過計算得到正弦波振蕩電路的頻率為：

電路仿真波形如圖3所示。

3 溫度補償

通過在不同溫度下測量距離和輸出電壓數(shù)據(jù)得出如下關(guān)系曲線，補償溫度對測量的影響，不同溫度下測量距離和輸出電壓關(guān)系如圖4所示。

4 數(shù)據(jù)采集及非線性校正

電渦流傳感器輸出的電壓通過STM32F103單片機讀取，STM32F103

的內(nèi)部集成12路的A/D模塊，通過keil5軟件編程將電壓的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過二次曲線擬合得到輸入距離和輸出電壓如圖5所示。

5 實驗結(jié)果與結(jié)論

在室內(nèi)環(huán)境溫度20°C下進行對電渦流傳感器的輸入位移和輸出電壓數(shù)據(jù)進行了測試，記錄了電渦流傳感器輸入位移在0mm-10.00mm時電渦流傳感器的測試數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由上表測試數(shù)據(jù)誤差小于0.2%，證明測量系統(tǒng)電路和補償算法有效。