電渦流傳感器激勵信號源設計

2016-01-29 03:52:07孫云

機械制造與自動化 2015年4期

孫云

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

電渦流傳感器激勵信號源設計

孫云

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

摘要：在電渦流檢測系統(tǒng)中，電渦流傳感器需正弦信號加以激勵。激勵信號源是檢測系統(tǒng)的關鍵部分之一。介紹了電渦流傳感器信號激勵源電路的工作原理，可以給電渦流傳感器的并聯(lián)諧振回路提供穩(wěn)頻穩(wěn)幅的正弦信號。實驗表明，該激勵信號源電路能夠滿足電渦流傳感器的需求，使渦流傳感器能夠穩(wěn)定地工作。

關鍵詞：電渦流；激勵源；正弦信號；信號調(diào)理電路

Eddy Current Sensor Excitation Signal Source Design

SUN Yun

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:In eddy current testing system, the eddy current sensor needs to be excited by a sinusoidal signal. The excitation source is one of the key parts in the detection system. The article describes the working principle of the eddy current sensor signal source circuit, which can provide a stable amplitude and frequency of the sinusoidal signal for the eddy current sensor. The experiments result show that the excitation signal source circuit meets the needs of the eddy current sensor. It can make the eddy current sensor operate smoothly.

Keywords:eddy current; excitation source; sinusoidal signal; signal conditioning circuit

0引言

電渦流傳感器是一種性能優(yōu)良、能夠測量多種參量的傳感器。其工作基于電渦流效應，即在交流信號的激勵下，被測參量的變化引起電渦流傳感器線圈參數(shù)的變化，進而由測量電路轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)對被測參量的測量[1]。

用于動態(tài)位移測量的電渦流傳感器，一般采用定頻調(diào)幅式測量電路，其原理如圖1所示[2]。圖1中，R為匹配電阻、C為匹配電容，電渦流傳感器等效為電感L并與C并聯(lián)組成諧振回路，E為交流激勵信號源?？蛰d時回路固有頻率與激勵信號源頻率相同，回路諧振，輸出電壓U達到峰值。測量位移時，因被測金屬物體與電渦流傳感器相對距離x的改變，引起傳感器等效電感L變化，回路失諧，輸出電壓U亦發(fā)生相應變化，如圖2所示。經(jīng)后續(xù)電路處理，即可實現(xiàn)L-x關系與U-x關系的轉(zhuǎn)化，測出位移x[3-4]。

圖1　定頻調(diào)幅電路的工作原理

圖2　諧振特性曲線

設圖1中激勵信號源頻率為f，幅值為E，串聯(lián)電阻為R，則在某個對應位移下，電路的輸出電壓U為[5]：

(1)

當被測位移x發(fā)生變化時，由于電渦流效應，敏感線圈的等效電感也會發(fā)生相應的變化，因此導數(shù)dU/dL反映了位移檢測靈敏度的大小。

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)，在對電路優(yōu)化匹配了R、C和f后，位移檢測靈敏度dU/dL與激勵信號有密切的關系。

電渦流傳感器測量電路以諧振電路為基礎，故激勵信號應為正弦信號。而要獲得較高的檢測靈敏度，需要高幅值的激勵信號[6]。因此，激勵信號的頻率、幅值穩(wěn)定性，直接影響到電渦流傳感器的穩(wěn)定性?，F(xiàn)設計了一種具有高幅值、高頻率穩(wěn)定性、低溫漂的正弦激勵信號源，并將其實際應用于測量動態(tài)微位移的電渦流傳感器，獲得了很好的效果。

1激勵信號源結(jié)構(gòu)與工作原理

正弦信號發(fā)生電路有很多種，考慮到頻率穩(wěn)定性要求和電路實現(xiàn)的方便性，采用了由頻率穩(wěn)定的方波經(jīng)適當電路處理來獲得比較理想的高幅值正弦激勵信號的方法。

文中設計的激勵信號源由有源晶振、升壓電路、分頻電路與穩(wěn)幅電路、低通濾波器等單元組成，如圖3所示。

圖3　激勵信號源電路框圖

有源晶振內(nèi)部有石英晶體穩(wěn)頻，通電即可起振，產(chǎn)生頻率高度穩(wěn)定的方波信號，但其幅值較低。為提升方波幅值，采用工作于截止和飽和區(qū)的高速開關三極管來構(gòu)成升壓電路。有源晶振及升壓電路如圖4所示。

圖4　有源晶振及升壓電路

圖4中，VDD為15 V電壓源，Q1是高頻MOSFET管，R1、R3為限流電阻，C1為加速電容，用于加快三極管開關的切換速度。

考慮到有源晶振及升壓電路產(chǎn)生的方波可能有失真，引入二分頻電路來確保產(chǎn)生的方波信號占空比為50%，并用穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定輸出方波幅值。

分頻穩(wěn)幅電路輸出的方波必須進行處理，濾除其中的直流及高頻成分，以獲得比較近似理想正弦波的激勵信號。對于直流信號，用隔直電容處理；對于高頻信號，設計了由L、C器件構(gòu)成的3階巴斯特沃型低通濾波器來處理，如圖5。

圖5　3階歸一化巴特沃斯低通濾波器

2實驗

根據(jù)以上要求，激勵信號源電路選擇2MHz有源晶振，用CD4017構(gòu)成二分頻器，用穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定輸出方波幅值，3階低通濾波器中的電感、電容根據(jù)理論計算值圓整后，分別取為L=22H，C2=C3=3.3nF。

濾波器前后的信號波形如圖6所示。

圖6　濾波器前后信號波形

對濾波器輸出信號進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)該信號在1MHz處幅值最大，其他諧波成分很少，且幅值非常小。因此，可以認為，濾波器輸出的是單一頻率的正弦信號。

經(jīng)長時間監(jiān)測，文中設計的激勵信號源電路能夠穩(wěn)定提供頻率為1MHz，幅值13V的正弦激勵信號。將其應用于磁懸浮軸承的電渦流位移傳感器測量電路，在0～100m量程范圍內(nèi)獲得的位移檢測靈敏度達到了15mV/m，且能使磁懸浮軸承穩(wěn)定工作，滿足了位移檢測的要求。

3結(jié)語

經(jīng)過實驗驗證，文中設計的電渦傳感器流激勵信號源理論是正確的，技術(shù)是可行的。該信號源能為電渦流傳感器提供頻率穩(wěn)定的、高幅值的激勵信號，提高了電渦流傳感器的檢測靈敏度，并且成本低廉，有很好的應用價值。

參考文獻:

[1] 劉文磊. 磁懸浮軸電控系統(tǒng)的研究與設計[D]. 南京:南京理工大學,2013.

[2] 叢華. 磁懸浮軸承電渦流傳感器研究與設計[D]. 北京:清華大學,1999.

[3] 森榮二[日]. LC濾波器設計與制作[M]. 北京:科學出版社,2006.

[4] 劉春燕. 電磁軸承用渦流傳感器的開發(fā)研制[D]. 西安:西安交通大學,2003.

[5] Gerhard Schweitzer ,Eric H.Maslen. 磁懸浮軸承理論、設計及旋轉(zhuǎn)機械應用[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[6] 馮冠平. 諧振傳感器原理與器件[M]. 北京:清華大學出版社,2008.