作者 / 劉志昌
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劉志昌(1987-)，男，助理工程師，研究方向：磁懸浮用電渦流位移傳感器結構設計與探頭布置方案設計、傳感器前置器信號處理。
摘要：電渦流傳感器由探頭、前置器以及信號傳輸線纜三部分組成，前置器中高頻振蕩電壓通過延伸電纜流入探頭線圈，對前置器部分的高頻小信號處理，基本上都採用全模擬電路或者結合軟體校正電路設計，該前置器採用模擬電路對高頻信號進行處理，可通過實時調整電路可調電阻參數，實現傳感器輸出電壓信號的調節，特別是對傳感器輸出量程與電壓零點的調節，該方式可以即滿足數字電路軟體校正調節功能，又滿足模擬電路成本低的要求，該方法可實現電渦流位移傳感器探頭不同電感參數與線性量程調節。
引言
電渦流位移傳感器由探頭、延伸電纜、前置器構成，本文提供了一種電渦流位移傳感器前置器信號處理改進方案，通過實時調整前置器電路中的電阻參數，能夠有效調節傳感器輸出量程與輸出電壓大小，能夠既滿足數字軟體校正電路調節，又滿足模擬電路成本低的要求。
該前置器的信號調節電路包括高頻正弦波產生電路、濾波、檢波、放大以及限幅電路等電路，其中電壓跟隨電路能夠調節輸出電壓零點位移，達到對輸出信號電壓進行實時調節的作用;另外，該信號調節電路還在原有基本的反相器電路中增加一個放大器模塊和一個可調電阻，對輸出的線性量程與輸出電壓範圍可變的電壓信號進行調節，輸出需要符合要求的位移-電壓信號。
1 電渦流位移傳感器原理
根據法拉第電磁感應定律可知，當電渦流位移傳感器探頭線圈通以正弦高頻交變電流i1時，傳感器線圈必然產生正弦交變的電磁場H1，該交變磁場使置於此磁場中的被測金屬導體表面產生感應電渦流，如圖1中所示。同時，被測物體中的電渦流i2又產生交變電磁場H2;磁場H2與H1方向相反，並對電磁場H1起到遏制與減弱作用，從而導致探頭檢測線圈的等效電阻值相應地變化。其變化大小取決於被測金屬導體中電阻率ρ值，磁導率μ，探頭線圈與被測導體的距離為x，以及探頭線圈激勵電流頻率f等參數數值。如果只改變其中一個參數數值，而其餘參數數值保持不變，則阻抗Z參數就成為該變化參數的單值函數，從而確定其該參數數值的大小變化情況。
電渦流位移傳感器的工作原理，如圖1所示。
2 電渦流傳感器總體設計方案
電渦流位移傳感器能夠非接觸、高線性度、高分辨力地並且可靜態和動態地測量被測金屬物體與傳感器探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化測量儀器。電渦流位移傳感器能夠準確地測量被測金屬導體與傳感器探頭端面之間的相對位移變化。根據圖2的組成框圖，構成電渦流位移傳感器整體結構。
對組成的框圖(圖2)，具體說明每個組成部分結構：
(1)敏感元件：電渦流位移傳感器探頭線圈是通過與被測導體之間的渦流場相互作用，從而探頭部分產生了被測信號，該探頭是由多股漆包線繞制的成扁平形狀的線圈，並固定在線圈支架上。
(2)傳感元件: 傳感器前置器是由一個能夠屏蔽外界幹擾高頻電路信號的金屬密封盒構成，傳感器信號處理電路裝在該密封盒子中，並用環氧樹脂材料進行灌封密封。
(3)測量電路：該電路可採用放大器電路、三極體及其外圍電路來產生高頻振蕩信號。考慮到當採用運算放大器電路和三極體電路構成的正弦波高頻振蕩電路，有許多的模擬電路參數需要處理。
3 信號處理電路
信號處理電路採用如圖3所示的LC諧振電路處理傳感器探頭反饋的高頻振蕩信號，該前置器電路由一個頻率及幅值電壓可調的振蕩電路來提供一個高頻激勵諧振迴路信號。LC諧振迴路的輸出幅值電壓為 ，其中i0為電路中的激勵電流，Z為電路的等效阻抗。當傳感器測量時，傳感器探頭線圈遠離被測物時，LC諧振迴路處於諧振狀態，諧振迴路上的輸出激勵電壓幅值最大;當傳感器探頭線圈接近於被測物時，探頭線圈中的等效電感L發生變化，從而導致諧振迴路失諧，等效阻抗值發生變化，使輸出信號電壓幅值下降。輸出的電壓信號經過檢波電路、放大電路、濾波電路處理後，輸出與位移相對應的電壓信號。從而實現了將傳感器中的L-x之間關係轉換成了V-x之間關係，通過對輸出信號電壓數值的測量，可確定電渦流傳感器探頭端面與被測金屬導體之間的非接觸距離x。如，將電渦流位移傳感器探頭檢測量程設計為0~2mm，在該量程範圍內，LC隨著L與被測物位移量變化而幅值相應的變化，經過檢波、放大、濾波後，位移傳感器輸出電壓信號為0~5V，實現傳感器前置器高頻信號處理與信號調理。電渦流傳感器就是利用渦流效應，將非電量轉換為阻抗的變化而進行測量的。
4 前置器電路改進方案
圖4所示電路為前置器信號處理過程中的電壓跟隨電路，該電路能夠對其輸出的電壓信號進行調節，實現線性量程調節與電壓信號輸出調節;通過調節不同變化的激勵信號，能夠輸出相對應的電壓反饋信號，通過調節輸出零點電壓與不同範圍電壓值，從而調整輸出線性量程範圍;該電路由兩個運算放大器組成，電位器R52與放大器U2B組成電壓跟隨電路，輸出可變電壓，通過調節R52電位器數值大小，可調節輸出電壓零點位移;電位器R31與放大器U2C組成反相器電路，通過調節R31電位器數值與U2B放大器輸出大小調節，經過運算放大器U2C比較後，輸出可調節的線性量程與輸出電壓範圍可變的電壓信號，經過兩組電位器大小調節，實現對線性量程與輸出電壓範圍可調功能。
圖4中信號調節電路放在圖3的濾波器信號輸出位置，信號調節電路輸入濾波後電壓信號，通過信號調節電路中兩個電位器參數調節，實現電渦流位移傳感器可變線性量程與輸出電壓範圍的功能，該前置器信號調節電路滿足探頭電感參數L從10μH到70μH範圍內進行調節，輸出滿足要求的線性量程位移變化量，該信號調節電路方案與調試方法簡單、成本低，使用者僅需要對前置器兩個電位器參數進行調節即可。
5 結論
當電渦流位移傳感器前置器配合不同電感參數的探頭，對前置器進行調試與校準後，傳感器線性量程輸出的位移信號可以調節，經過實際測量，探頭電感參數從10μH~70μH變化範圍內，均可通過該設計方案的前置器進行信號處理，輸出所要求的線性量程與電壓信號。
本文設計的前置器電路可以通過實時調整其電路電阻參數，能夠有效調節傳感器輸出量程與輸出電壓大小，可以即滿足數字軟體校正電路調節，又滿足模擬電路成本低的要求，可對電渦流位移傳感器探頭不同電感參數與線性量程。
電渦流位移傳感器前置器電路信號處理電路的改進，能夠簡化電渦流位移傳感器電路調節的難度，對傳感器靜態校準與位移調零具有明顯改善。
參考文獻：
[1]袁希光.傳感器技術手冊[M].北京:國防工業出版社,1986,12.
[2]方志宏,黃克強,傅周東.耐高壓電渦流式位移傳感器的設計和優化[J].儀表技術與傳感器,1998(2):4-6.
[3]謝文湘.對差動變壓器式位移傳感器的探討[J].中量計報,1994(24):38-44.
[4]邵東向,郭華.電感式位移傳感器線性補償技術[J].傳感器技術,1999(2):38-40.
[5]王家禎,王俊傑.傳感器與變送器[M].北京:清華大學出版社,2001,9.
[6]任吉林,吳禮平,李林.渦流檢測[M].北京:國防工業出版社,1985,10.
[7]譚祖根,汪樂宇.電渦流檢測技術[M].北京:原子能出版社,1986.
[8]Kwun H.,Bartels K.A二Magnetostrictive sensor technology and its applications. Ultrasonics.1998(36).
本文來源於《電子產品世界》2018年第1期第69頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。