更改版电涡流位移传感器设计总结报告_电涡流传感器设计报告

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传感器与检测技术课程设计

院 系： 专 业： 成 员： 指导老师：--电涡流位移传感器

计 划 报 告

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XXXX年XX月XX日

传感器课程设计

目录

一、概述 …………………………………………………………2

二、总体设计方案…………………………………………………2

三、电涡流传感器的基本原理……………………………………3 3.1 电涡流传感器工作原理………………………………………3 3.2 电涡流传感器等效电路分析…………………………………3 3.3 电涡流传感器测量电路原理…………………………………4

四、电涡流传感器探头参数设计…………………………………6

五、电涡流传感器新型测量电路的设计…………………………7 5.1 电路实现方案…………………………………………………7 5.2 振荡电路的选择………………………………………………7 5.3 滤波电路的选择………………………………………………8 5.4 增益调节电路的选择…………………………………………9 5.5 移相电路的选择………………………………………………9 5.6 电压-电流转换电路的选择…………………………………11

六、误差分析………………………………………………………12 6.1 非线性补偿 …………………………………………………12 6.2 动态特性……………………………………………………13 6.3 温度补偿……………………………………………………13

七、设计总结.…………………………………………………………13

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感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。

电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：

三、电涡流传感器等效电路分析

为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2-3所示的等效电路。

图中R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：

经求解方程组，可得I1和I2表达式：

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由此可得传感器线圈的等效阻抗为:

从而得到探头线圈等效电阻和电感。

通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。

因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数关系：

其中，x为检测距离；μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。

所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中，有通过测量ΔL或ΔZ等来测量x ,ρ,μ,f的变化的电路。

四、电涡流传感器测量电路原理

电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗Z的测量一般用电桥，电感L的测量电路一般用谐振电路，其中谐振电路又分为调频式和调幅式电路。

5ra)h)dx · dy 此电流在轴线任意点P 处所产生的磁感应强度为：

整个载流扁平线圈通以电流I 后，在轴线上任意P 点处产生的磁感应强度为：

式中，x1 就是扁平线圈端面到被测体的距离，可用x表示，所以线圈轴线上某点P 产生的磁感应强度可改写为：

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5.3 滤波电路的选择

通过上节的COMS晶体振荡器，产生出了稳定的方波。方波图形和其分解表达式如图4-6所示。从表达式中可以看出，方波是正弦波的合成波形，其振幅是基波的奇次倍频率波形振幅的合成。若从中抽出高次谐波，即可得到所需正弦波。

由于本次设计需要滤掉方波中高于1M的信号，因此可以选用低通滤波器将方波变成正弦波。滤波电路有多种形式，大致分为有源滤波和无源滤波，二者最大的差别在于滤波电路中是否使用了有源元器件——运算放大器。对于截止频率为MHz数量级的滤波电路，则有源滤波器对运算放大器等的高频特性要求非常严格。因此在本电路中，将采用结构相对简单的无源滤波电路。

在滤波器的近代设计方法中有各种方式，如巴特沃思型、切比雪夫型、贝塞型、高斯型等。本文选用通带内响应最为平坦的巴特沃思型低通滤波器，它对构成滤波器的元件Q值要求较低，因而易于制作和达到设计性能。为了同时满足电路滤波的精确性和结构简单，本次设计预选用巴特沃思型3阶低通滤波器，其基本结构和对数幅频特性如图4-7所示:

5.4 增益调节电路的选择

经过滤波电路后输出的正弦波信号，由于信号幅值的衰减，很难直接满足设计时的要求。因此在电路中，为了便于调节,使输出电压值能满足需要，有必要在滤波电路之后加上一个增益调节环节。常用的增益调节电路，有同相比例放大器和反向比例放大器。具体的电路结构分别如图4-8中（a）、（b）所示：

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上图中两电路的基本特性参数比较如表4-1所示：

从上表中可以看出，两电路都能灵活调节输出电压幅值的大小。但同时考虑到各模块电路之间需要加隔离电路，而同相比例放大的输入电阻趋于无穷大，更适合于做隔离电路。因此兼顾调节幅值和隔离电路的两个功能，本次设计选用同相比例放大电路来做增益调节环节。

5.5 移相电路的选择

本次设计中，要得到两个幅值相等的正交信号，必须采用移相电路。将上节滤波后所得到的交流信号经过90度移相后即可得到两个正交的信号。

本次设计采用如图4-10所示的有源移相电路。

上图中的电路是通过将单节RC移相电路接入到反向放大器的非反向输入端子来实现的。该电路可在保持输入输出电压幅值不变的情况下，进行90度移相，这就有效地解决了采用RC级联所带来的麻烦。根据理想放大器的条件，可得如下方程组：

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从上述方程组可解得该电路输入——输出关系：，令，则上式可写为：

从上式中所列出的该电路传递函数表达式，可得到该电路的幅频特性：

当取R1=R2，即k=1时，上式的值为1，即表明图4-10中的电路输入输出的电压幅值保持不变，且与输入信号频率无关。因此该电路可以实现幅值不变的电路移相。同时，令θ1为上式分子中复数的相角，θ2为分母复数的相角，θ为该电路输入输出移相角度。根据上式可得出表达式：

再由上述方程组经过反三角函数变换可得：

上式即为该电路的相频特性。从该式得到的结果可以看出，该电路电压信号

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满足设计需要。

六、误差分析

6.1 非线性补偿

由于振荡回路的检波输出与测量位移之间为非线性关系, 为了提高涡流传感器的使用范围和精度,必须对电涡流传感器进行非线性补偿。补偿方法有串联式补偿和并联式补偿,本文采用串联式补偿。

式中: x 为测量位移。补偿模块的表达式为

传感器的最终输出与测量位移之间为线性比例关系

式中:k 为比例常数,则要求补偿模块的函数关系为

因为实现串联式非线性补偿的函数为传感器非线性关系的反函数,所以对电涡流传感器进行标定,建立测量位移与检波输出之间的函数,并进行多项式拟合,建立多项式的反函数。

6.2 动态特性

电涡流传感器的动态特性主要由振荡回路和检波回路的频率特性决定, 整个传感器的传递函数表示为：

式中: L1为线圈的电感;R1为线圈的串联电阻;RC2 为检波电路的时间常数。为了在提高系统的动态特性的同时不降低振荡回路的品质因数,在传感器的输出信号流中串联超前校正环节以改善传感器的动态特性。超前校正的传递函数为：

6.3 温度补偿

传统的检波方式采用二极管、电容、电阻实现。由于二极管的导通特性受温度影响比较明显,所以传统的二极管检波输出存在随温度变化而发生漂移的现象。感应线圈本身存在电阻随温度变化而变化的问题,会使传感器输出信号产生较大的误差。

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