鹿文龍 漢海霞

摘要：基于MAX1452設(shè)計電渦流傳感器電路，利用MAX1452多溫度點補償功能，對電渦流傳感器進行溫度補償，可使電渦流傳感器具有溫度誤差自動修正功能，改善電渦流傳感器的溫度特性。設(shè)計的電渦流傳感器在實際測試中性能穩(wěn)定，溫度特性良好，對提升電渦流傳感器測量精度和溫度特性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電渦流;距離測量;MAX1452;溫度補償

傳統(tǒng)的電渦流傳感器普遍沒有溫度補償功能，通常溫度特性較差。即便進行了溫度補償，效果也很有限，只能通過放置一個與探頭線圈溫度特性相反的電感進行粗略補償，且補償溫度范圍很窄，無法取得良好的補償效果。為了提高電渦流傳感器的溫度特性，減小溫度對電渦流傳感器的影響。本文提出一種基于MAX1452的電渦流傳感器設(shè)計，在實現(xiàn)電渦流測量的同時，可以對電渦流傳感器進行溫度補償。本設(shè)計可以在（-40～125）°C范圍內(nèi)對電渦流傳感器進行溫度補償，并可多個溫度點補償。在保證電渦流傳感器輸出性能的基礎(chǔ)上，改善了電渦流傳感器的溫度特性。MAX1452采用數(shù)字化補償方式，補償精度高，操作方便，可以實現(xiàn)傳感器的批量補償。

1電渦流傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，電渦流傳感器由探頭、電路板、外殼和線纜組成[1]。探頭內(nèi)部是1個線圈，可等效為電感L。電路板包括振蕩電路、諧振電路、檢波電路、補償放大電路和濾波電路，其中諧振電容C與探頭線圈L組成LC諧振電路，其諧振頻率f為1/2πLC。外殼用于保護和固定內(nèi)部元件，線纜用于傳感器供電和信號輸出。

電渦流傳感器采用非接觸式測量原理[2]，通常用于測量距離。圖2為電渦流傳感器工作原理，當金屬板置于探頭線圈附近，它們之間的間距為δ，線圈輸入交變電流i1時，便產(chǎn)生交變磁通量Φ1。金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流i2，這個電流在金屬板內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦流”。這個渦電流也將產(chǎn)生交變磁場Φ2，與線圈的磁場變化方向相反，Φ2總是抵抗Φ1的變化，由于渦流磁場Φ2的作用使探頭線圈的等效阻抗發(fā)生變化。利用這種渦流效應(yīng)，電渦流傳感器通過將距離變化轉(zhuǎn)換為阻抗變化來進行測量。

2電渦流傳感器溫度誤差分析

分析的電渦流傳感器基于調(diào)幅式原理，由振蕩電路、諧振電路和信號處理電路組成。其中諧振電路由探頭線圈[3]和諧振電容組成，是電渦流傳感器的敏感元件。由振蕩電路產(chǎn)生固定頻率的振蕩信號注入諧振電路，諧振電路構(gòu)成的LC振蕩電路產(chǎn)生諧振。當被測距離發(fā)生變化時，探頭線圈的阻抗會發(fā)生變化，進而引起其端電壓發(fā)生變化，測量此端電壓便可間接測量距離。

如圖3所示，R為探頭線圈的等效電阻[4]，L為探頭線圈的等效電抗。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，探頭金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率會發(fā)生改變，探頭線圈也會因為熱脹冷縮而改變幾何尺寸。因此，環(huán)境溫度對探頭線圈的電阻和電抗都會產(chǎn)生影響。

R=R（T）（1）L=L（T，d）（2）

式中：T為環(huán)境溫度，d為待測距離。

當傳感器工作時，整個測量電路的工作頻率位于諧振頻率附近。當電路處于諧振狀態(tài)時，諧振回路的等效阻抗Z可以表示為：

Z≈Q02?R

式中：Q0為并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。

當傳感器的環(huán)境溫度發(fā)生變化時，線圈電阻的變化量[5]為：

?R=?T?kR（5）諧振頻率下諧振回路等效

輸出阻抗的最大變化量為：?Z=Q02T??kR?（6）

當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，諧振回路的等效阻抗發(fā)生變

化，引起探頭端電壓發(fā)生變化，引起傳感器輸出信號發(fā)生變化，產(chǎn)生溫度誤差。要提高傳感器的測量精度，必須采取措施對傳感器進行溫度補償[6]。

3基于MAX1452電渦流傳感器電路設(shè)計

電渦流傳感器的電路[7]基于MAX1452設(shè)計，由振蕩電路、諧振電路、檢波電路、補償放大電路和濾波電路組成，分別實現(xiàn)振蕩源信號、諧振振蕩、信號檢波、信號放大、溫度補償和信號濾波的功能。

3.1電源電路設(shè)計

電源電路對外部供電進行穩(wěn)壓和濾波處理，可將電壓精確穩(wěn)定至5V，為MAX1452電路供電。穩(wěn)壓源選擇高精度電壓基準源LT1461-5，其電壓輸入范圍為（7～20）V，輸出電壓為5VDC±0.04%，溫度系數(shù)小于2×10-5/°C，工作溫度范圍為（-40～125）°C。在LT1461-5穩(wěn)壓電路的輸入端和輸出端分別設(shè)計有低通濾波器和高頻濾波電容，可進一步對電源進行濾波處理，消除外界電磁干擾，提高電路的電磁兼容性。

3.2振蕩電路設(shè)計

振蕩電路的振蕩源使用MAX1452內(nèi)部集成的1MHz振蕩器，該振蕩器振蕩頻率穩(wěn)定，占空比為50%，帶載能力不小于1mA，可為探頭感應(yīng)線圈提供穩(wěn)定可靠的振蕩源信號。

諧振電路由感應(yīng)線圈L1和諧振電容C7組成LC諧振器，振蕩頻率設(shè)計約為1MHz。當給LC諧振器施加震蕩源時，LC諧振器可等效為阻性元件。諧振器中的諧振電容C7為固定容值，那么當感應(yīng)線圈L1的電感量發(fā)生變化時，整個LC諧振器的阻抗將發(fā)生變化。感應(yīng)線圈的阻抗變化與金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離δ以及線圈激勵振蕩源頻率f有關(guān)，可用函數(shù)關(guān)系式Z=F（ρ、δ、μ、f）表示。

電渦流傳感器的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、線圈振蕩源頻率f為固定值，則感應(yīng)線圈的阻抗變?yōu)榫€圈與金屬導(dǎo)體之間的距離δ的單值函數(shù)。當線圈與金屬導(dǎo)體間的距離δ增大時，電渦流效應(yīng)減弱，感應(yīng)線圈的阻抗Z變小，諧振器電感L端電壓變小。那么就可以通過檢測電感L的端電壓實現(xiàn)間接測量探頭感應(yīng)線圈與金屬導(dǎo)體之間距離的目的。

3.3檢波電路設(shè)計

諧振電路輸出的是交變電壓信號，需要經(jīng)過檢波處理后才能被后續(xù)電路處理。檢波電路基于峰值檢測原理，由1個二極管和檢波電容組成。檢波電路的仿真如圖5所示，其中二極管選擇1N4148整流二極管，利于二極管的單向?qū)щ娦?，可將交流信號整形為正半周的直流信號。檢波電容則選擇小容值的陶瓷電容，該電容的端電壓為直流信號的峰值，可以實現(xiàn)對整形后直流信號的檢波功能。

3.4放大和濾波電路設(shè)計

諧振電路的端電壓幅值較小，需要對檢波后的信號進行放大處理，以滿足傳感器輸出要求。放大電路使用MAX1452內(nèi)部自帶的可調(diào)增益放大器，可通過數(shù)字化配置將傳感器輸出信號調(diào)整至目標值。濾波電路使用阻容器件和MAX1452內(nèi)部集成的運算放大器構(gòu)成1個二階低通濾波器，對設(shè)計的濾波器進行頻率特性仿真，可得出該濾波器的通帶截止頻率約為200Hz，可有效濾除高頻噪聲信號，保留低頻有效信號，提高輸出信號的信噪比。

4電渦流傳感器溫度補償

電渦流傳感器的溫度補償是通過MAX1452的溫度補償功能實現(xiàn)的，MAX1452是一種高度集成的模擬傳感器信號處理器，具有放大、校準和溫度補償功能。如圖7所示，MAX1452內(nèi)部包含1個可編程傳感器激勵、1個16級可編程增益放大器（PGA）、1個768字節(jié)（6144位）內(nèi)部EEPROM、4個16位DAC、1個通用運算放大器以及1個內(nèi)嵌溫度傳感器。除偏移量和跨度補償外，MAX1452還利用偏移量的溫度系數(shù)（TC）和跨度溫度系數(shù)（FSOTC）提供獨特的溫度補償。

具體補償方法為，把OFF和FSO查找表當做1個DAC，以MAX1452內(nèi)部溫度傳感器建立溫度查找表，在不同溫度下，通過調(diào)整FSODAC和OFFSETDAC的值校準電渦流傳感器的滿程輸出和零位輸出，從而實現(xiàn)對電渦流傳感器溫度補償?shù)哪康?。具體的補償步驟包括系數(shù)初始化、FSO校準、FSO和FSOTC補償、OTC補償和OFF補償。使用MAX1452對電渦流傳感器進行溫度補償后，當電渦流傳感器在不同溫度工作時，MAX1452內(nèi)部溫度傳感器感應(yīng)環(huán)境溫度，以溫度值作為補償數(shù)據(jù)查找表的索引指針。MAX1452利用該指針索引FSODAC和OFFSETDAC值，通過累加器對原始信號進行運算處理，處理后的數(shù)據(jù)存入輸出數(shù)據(jù)寄存器，最終輸出補償后的電壓值。

5傳感器性能測試

在-40°C、常溫、100°C環(huán)境下，使用MAX1452對電渦流傳感器進行溫度補償，并測試電渦流傳感器性能[8-9]，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，該電渦流傳感器具有輸出穩(wěn)定、誤差小的特點。在低溫、常溫、高溫環(huán)境下最大非線性誤差為0.15%，具有輸出線性好的優(yōu)點。經(jīng)計算，傳感器的最大總誤差小于0.2%，最大溫度誤差小于0.002%FS/°C，指標均達到了較高水平，可見MAX1452對傳感器的輸出校準和溫度補償均取得了良好的效果。

6結(jié)束語

基于MAX1452設(shè)計的電渦流傳感器具有溫度自動補償功能，補償效果良好。該設(shè)計不僅改善了電渦流傳感器的溫度特性，還可以對傳感器進行數(shù)字化校準，對實現(xiàn)電渦流傳感器的批量化生產(chǎn)具有重要意義。

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作者簡介：鹿文龍（1985—），男，工程師，主要研究方向：傳感器及調(diào)理電路設(shè)計、測試測量、信號采集與處理