曹現(xiàn)剛，史春蕾

(西安科技大學機械工程學院，陜西西安 710054)

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基于PSoC的定頻調幅式電渦流傳感器的設計

曹現(xiàn)剛，史春蕾

(西安科技大學機械工程學院，陜西西安 710054)

針對煤礦提升系統(tǒng)閘間隙監(jiān)測保護中存在的問題，結合電渦流測量原理、可編程片上系統(tǒng)(PSoC)和定頻調幅式電路的特點，設計了一種基于PSoC的調幅式電渦流傳感器。給出了系統(tǒng)設計方案，在PSoC芯片上實現(xiàn)了信號發(fā)生、幅值放大、整流、AD轉換以及CAN通訊等功能，詳細闡述了其軟硬件邏輯設計。

電渦流傳感器；調幅式；可編程片上系統(tǒng)(PSoC)；間隙監(jiān)測

0 引言

隨著盤式制動閘在煤礦提升機制動系統(tǒng)中的大規(guī)模應用，閘瓦與制動盤之間間隙監(jiān)測成為保障其安全運行的關鍵[1]。電渦流傳感器作為一種非接觸測量工具，憑借其可靠性好、分辨率高、響應速度快、抗干擾能力強及不受油污等介質影響的優(yōu)點，在煤礦提升機閘間隙監(jiān)測方面展現(xiàn)了巨大的應用優(yōu)勢。

結合定頻調幅式測量原理及其穩(wěn)定性高的特點[2-3]，文中設計了一種基于可配置嵌入式單片機PSoC的定頻調幅式電渦流傳感器。該設計的最大優(yōu)勢在于充分利用PSoC芯片內部的可編程互聯(lián)陣列有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字模塊資源[4]，具有設計靈活、開發(fā)時間短、穩(wěn)定性高等特點，減小了外圍電路，提高了抗干擾能力和集成度。

1 基本測量原理及方案設計

1.1 電渦流測量原理

圖1為電渦流形成的基本原理圖，激勵線圈通以高頻電流i1時，其周圍產生一交變磁場H1，當被測導體進入交變磁場靠近線圈時，導體表面發(fā)生肌膚效應并產生電渦流i2。根據(jù)互感原理，該電渦流會對原磁場產生干擾，導致測量線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化。其中，線圈阻抗Z是關于金屬導體電阻率ρ、磁導率μ、縱向距離x、橫向位置y、線圈尺寸γ、激勵電流強度I、角頻率ω的函數(shù)。

Z=F(ρ、μ、x、y、γ、I、ω)

當其它參數(shù)固定，只變化x時，測量線圈的等效阻抗只與線圈到被測物之間的距離有關，經過線性化處理后，等效阻抗Z的變化就能很好的反映出測量距離x的變化，達到電渦流傳感器測量位移的目的。

圖1 電渦流測量原理

1.2 方案設計

盤式制動閘主要由制動閘座、制動閘盤和制動閘瓦組成，工作時，油壓推動制動閘瓦加緊制動閘盤，達到提升機制動的目的。實際應用中，提升機閘盤被盤形制動閥反復制動，表面容易產生凸起和裂紋，造成不安全事故發(fā)生，《煤礦安全規(guī)程》第431條規(guī)定：盤式制動閘的閘瓦與制動盤之間的間隙不得大于2 mm[1]。為此，設計的基于PSoC的定頻調幅式電渦流傳感器結構如圖2虛線所示，由感應線圈、振蕩電路、轉換電路、PSoC數(shù)字化設計模塊和CAN總線收發(fā)電路組成。利用PSoC提供的豐富的內部集成數(shù)字模擬模塊，包括脈沖寬度調制PWM模塊、CAN模塊、運算放大器Opamp模塊、ADC_DelSig模塊、比較器Comp模塊、混頻器Mixer模塊、可編程增益放大器PGA模塊，實現(xiàn)電渦流傳感器的功能設計與開發(fā)。外加存儲器EEPROM為后面進行電渦流傳感器線性化、軟件濾波算法等內容的實現(xiàn)提供存儲空間。并將渦流傳感器采集的信息以工業(yè)現(xiàn)場常用的CAN通訊形式上傳給主控制器，進行數(shù)據(jù)分析與監(jiān)測。

圖2 電渦流傳感器結構框圖

2 電渦流傳感器硬件設計

2.1 定頻調幅式測量原理

本文設計的電渦流位移傳感器采用定頻調幅式電路測量原理，其特點是輸出可被調理為直流電壓，可通過反函數(shù)法對傳感器進行線性化補償，擴大傳感器的測量范圍。定頻調幅式測量原理如圖3所示。

圖3 定頻調幅式測量原理

振蕩器作為激勵源，給傳感器線圈L與并聯(lián)電容C組成的并聯(lián)回路提供一個頻率穩(wěn)定的高頻激勵信號，當回路的固有頻率f0與振蕩器高頻信號頻率f1相等時，輸出的電壓u最大。實際測量時，被檢測金屬導體相對于傳感器線圈移動，傳感器的等效阻抗發(fā)生變化，使測量回路失調，輸出電壓隨之變化[5]。

2.2 基于PSoC的電渦流傳感器測量電路設計

采用圖形化開發(fā)工具PSoC Creator作為開發(fā)平臺，該平臺可以根據(jù)構造的硬件電路自動生成高質量的可供調用的API函數(shù)，使開發(fā)者將精力更多地放在應用程序編程上，成熟而又豐富的用戶模塊，提高了開發(fā)效率、靈活性以及可靠性。

利用PSoC實現(xiàn)電渦流傳感器原理圖如圖4所示。PSoC片內時鐘頻率設置為24 MHz，采用PWM模塊產生1MHz頻率的高頻方波信號；結合外部的巴特沃斯低通濾波器將方波信號轉換為正弦信號，激勵由感應線圈L和電容C組成的并聯(lián)諧振回路；當閘瓦與制動盤之間的間隙位移變化時引起LC回路輸出電壓發(fā)生變化，由于諧振電路輸出的電壓信號是毫伏級的微弱電壓信號，采用PSoC內部集成的具有寬帶寬、高輸入阻抗的PGA模塊對電壓幅值進行放大；通過使用混頻器Mixer、比較器Comp以及放大器Opamp模塊構建的精密整流電路結合外部的濾波電路將交流信號轉換為平滑的直流電壓；采用高精度的ADC模塊進行模數(shù)轉換；最終，通過CAN模塊實現(xiàn)與CAN通訊收發(fā)器之間的讀寫，通過使用傳輸速度快、準確性高的CAN總線方式將位移量直接以數(shù)字信號的形式發(fā)送，提高了傳感器輸出的抗干擾性。

圖4 基于PSoC的電渦流傳感器測量電路原理圖

2.3 關鍵模塊參數(shù)配制

基于PSoC內部模塊可配置化的特點[6]，可以在不同時刻，動態(tài)改變存儲在片內閃速存儲器中設定的參數(shù)，動態(tài)地完成芯片上資源的重新分配，重新定義系統(tǒng)所需要功能模塊的種類和數(shù)量，實現(xiàn)新的外圍元器件的功能，完成電渦流傳感器測量電路參數(shù)的調整和電路升級。設計的基于PSoC的電渦流位移傳感器關鍵模塊(PWM模塊、Mixer模塊、ADC模塊和CAN模塊)參數(shù)配置如表1所示。

表1 關鍵模塊參數(shù)

3 電渦流傳感器軟件邏輯設計

利用PSoC Creator為每個應用模塊提供的API函數(shù)進行電渦流傳感器軟件程序的設計，提高了編程效率，整體程序流程如圖5(a)所示。系統(tǒng)上電或者復位以后，初始化各個模塊API階段主要是對設計的模擬電路進行配置以及設置相關運行參數(shù)，開啟定時器中斷。為了保障提升系統(tǒng)閘間隙監(jiān)測的安全性，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸，每隔1 s進行1次通訊暢通的檢測，并以指示燈的形式在控制器中反映。如果CAN通訊暢通，按照設置的采樣率進行AD采集，每次采集1 000個數(shù)，直至采集完成進入中斷，加載EEPROM進行線性化處理和軟件濾波，使實際輸出位移量保持在允許誤差范圍，并將CAN通訊標志Re_Flag置1。如果CAN通訊標志Re_Flag等于1，如圖5(b)CAN通訊流程所示，按照約定的CAN通訊協(xié)議進行CAN報文的發(fā)送和接受，實現(xiàn)電渦流傳感器與控制器之間的實時通信，監(jiān)測煤礦提升系統(tǒng)閘間隙。

(a)整體程序流程圖

(b)CAN通訊流程圖圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結論

本文設計了一種以PSoC芯片為核心、CAN為通訊方式，用于煤礦提升機閘瓦間隙監(jiān)測的定頻調幅式電渦流傳感器，給出了該電渦流傳感器結構框圖，并在PSoC上實現(xiàn)了軟硬件設計，詳細描述了具體設計過程及參數(shù)配置，未來將進一步探索智能算法在電渦流傳感器線性化處理中的應用，進而提高設計的電渦流傳感器測量精度及智能化程度。

[1] 吳巖,孟憲清.新型煤礦盤形閘檢測儀的研制.工礦自動化,2012(1):79-81.

[2] 李中秀,吳峻,李璐.基于FPGA的調頻式電渦流位移傳感器.儀表技術與傳感器,2007(7):7-9.

[3] 鐘建朋,李黎川.一種開關驅動的電渦流式位移傳感器的原理與實驗研究.儀器儀表學報,2010(11):2453-2460.

[4] 何賓.Cortex-M3可編程片上系統(tǒng)原理及應用.北京：化學工業(yè)出版社，2012：8-10.

[5] 邵愛霞,趙輝,劉偉文.定頻調幅式電渦流傳感器電路及其在防水數(shù)顯卡尺中的應用.計算機測量與控制,2005(5):508-510.

[6] 王蕓,曹現(xiàn)剛.基于PSoC3的電渦流傳感器設計.儀表技術與傳感器,2014(8):14-15.

Fixed-frequency Modulation of Eddy Current Displacement Sensor Based on PSoC

CAO Xian-gang ,SHI Chun-lei

(College of Mechanical Engineering of Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Aiming at some existing problems in brake clearance monitoring and protection in coal mine hoisting system,combined with the eddy current measuring principle,characteristics of Programmable System on Chip (PSoC) and fixed-frequency modulation circuit,a kind of amplitude modulated eddy current sensor based on PSoC was designed.The design of the system was given,and functions were fulfilled on one single PSoC,including signal generator,amplitude amplification,rectification,AD conversion and CAN communication,and the logic design of hardware and software was described in detail.

eddy current sensor;amplitude modulated;PSoC;brake clearance

2015-05-29

TM936.1

A

1002-1841(2015)09-0014-03

曹現(xiàn)剛(1970— )，教授，博士，主要研究方向為智能計量技術與儀器，設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術等。 E-mail：172833610@qq.com. 史春蕾(1989—)，碩士研究生，主要研究領域為機械電子工程。E-mail：402557328@qq.com