一种调频变面积电涡流位移传感器.pdf

一种调频变面积电涡流位移传感器，包括振荡线圈、振荡电路板、电涡流目标板；其特征是：还包括振荡频率读出、运算及非线性校正板；振荡电路板上设两套相同的调频振荡电路；振荡电路板的被测位移方向的每端粘固着同套调频振荡电路的两振荡线圈且位置平行相对；各振荡线圈的扁平面与电涡流目标板的板面平行，同套调频振荡电路的两振荡线圈的扁平面与电涡流目标板的板面的垂直接近度相互补偿；电涡流目标板在被测位移方向的长度为振荡线圈在该方向的外边长与两套振荡线圈两接近边间距之和；两套调频振荡电路输出端接振荡频率读出、运算、非线性校正板。它能同时进行温度和接近度补偿及用软件进行非线性校正，且结构简单、体积小、性能强。

1、  一种调频变面积电涡流位移传感器，包括矩形扁平的振荡线圈、与位移测量的非动参考件固定在一起的振荡电路板、与被测移动目标位置相对固定的电涡流目标板；其特征是：还包括一振荡频率读出、运算及非线性校正板；所述振荡电路板上设有两套电路元件相同的调频振荡电路，每套调频振荡电路包括两个振荡线圈；振荡电路板的被测位移方向上的两端，每端粘固着同套调频振荡电路的两个串联振荡线圈且位置平行相对；各振荡线圈的扁平面与电涡流目标板的板面平行，且同套调频振荡电路的两个振荡线圈的扁平面与电涡流目标板的板面之间的垂直接近度相互补偿；电涡流目标板在被测位移方向上的长度为振荡线圈在被测位移方向上的外边长与两套振荡线圈两接近边间的距离之和；两套调频振荡电路输出端接所述的振荡频率读出、运算、非线性校正板。

2、  根据权利要求1所述的一种调频变面积电涡流位移传感器，其特征是：所述每套调频振荡电路中还包括高稳定的振荡电容、集成二反向器；所述集成二反向器包括第一反向器和第二反向器两个反向器；第一反向器的输出端与第二反向器的输入端相接后，再接一电阻到第一反向器的输入端，由第一反向器的输入端接出一耦合电容，再接串联的一耦合电阻、一耦合电容耦合到第二反向器的输出端，由第二反向器的输出端接一电源电阻到正电源端，由正电源端接一退耦电容到地；同套调频振荡电路中的两个振荡线圈的同名端相串接，再并联一个振荡电容后接于由第一反向器的输入端接出的耦合电容与耦合电阻的接点到地之间，决定振荡频率的大小，调节振荡电容，可调节振荡频率；由第二反向器的输出端输出振荡方波。

3、  根据权利要求1或2所述的一种调频变面积电涡流位移传感器，其特征是：所述振荡电路板为一块平板；同套调频振荡电路的两振荡线圈分别固定在振荡电路板同端的正反面上，两振荡线圈位置重叠；电涡流目标板为一用高电导率低磁导率材料制成的U形刚性薄板，包括两个平行设置的边面板和一个垂直连接在两边面板之间的脊面板，边面板、脊面板均为矩形；振荡电路板平行设置在电涡流目标板的两边面板之间。

4、  根据权利要求1或2所述的一种调频变面积电涡流位移传感器，其特征是：所述振荡电路板包括左振荡电路板、右振荡电路板；同套调频振荡电路的两振荡线圈分别对应固定在左振荡电路板、右振荡电路板的同端，且两振荡线圈位置平行相对；电涡流目标板为一用高电导率低磁导率材料制成的矩形平板，平行置于左振荡电路板、右振荡电路板之间。

5、  根据权利要求1所述的一种调频变面积电涡流位移传感器，其特征是：所述振荡频率读出、运算、非线性校正板包括两个模拟开关、两个分频器、一存储有相关处理程序的单片计算机；所述两模拟开关的输入端分别与两套调频振荡电路的输出端一一对应相连；两模拟开关的输出端与两分频器的输入端一一对应相连，两分频器将调频振荡电路输出振荡频率降低一定倍数后通过其输出口输送至单片计算机的PO口；所述两模拟开关的开与关由单片计算机的控制端控制。

一种调频变面积电涡流位移传感器
技术领域
本发明涉及一种位移传感器，具体是一种调频变面积电涡流位移传感器。
背景技术
电涡流位移传感器按结构可分为变间隙型、变面积型、螺管型和低频透射型4类。变面积型传感器由扁平矩形线圈构成，它利用被测导体和传感器扁平矩形线圈之间相对覆盖面积的变化所引起的电涡流效应强弱的变化来测量位移。
电涡流位移传感器采用的是感应电涡流原理。当带有高频电流的扁平线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流在被探测金属表面上产生感应电涡流，该感应电涡流又反过来影响扁平线圈的电感量，扁平线圈电感量的大小就与扁平线圈和被测金属表面的重合面积、被测金属的几何尺寸、扁平线圈到被测金属面的垂直距离、扁平线圈的几何形状、几何尺寸、圈数、电导率、磁导率等参数相关。固定除重合面积外的后七个参数后，扁平线圈和被测金属平行表面的重合面积就与线圈的电感量产生了单值函数关系，由于扁平线圈和被测金属平行表面的重合面积与它们之间的相对平行位移大小单值相关，从而位移值与线圈的电感量产生了单值函数关系。将线圈并联定值电容再连接到振荡电路中，就建立了扁平线圈和被测金属表面的平行位移与振荡频率的单值函数关系，就可用测得的振荡频率确定位移。线圈、振荡电路及被测金属板就组成了调频变面积型电涡流位移传感器。调频变面积型电涡流位移传感器以其结构简单、灵敏度高、线性测量范围大、抗干扰能力强、制造成本低和测量的非接触性等优点得到了广泛应用。
电涡流位移传感器的缺点是感应线圈受温度影响较大，降低了测量精度，限制了其使用范围，需做温度补偿；变面积型电涡流位移传感器还有扁平线圈到被测金属板的垂直距离(接近度)在二者平行位移中难于保持精确恒定、影响测试精度的问题，需做接近度补偿。
目前的温度补偿措施主要有：1.增加热敏元件，通过在桥路中串接热敏元件感知温度的变化来进行温度补偿。这要求热敏元件的温度变化系数与感应线圈的温度变化系数成比例，且二者所处温度场的变化应当相同，给电路处理和器件选型带来很大不便；2.增加差动补偿线圈，实现与感应线圈的差动，结构简单有效；3.使用无感补偿线圈接于桥路，定频定幅正弦波驱动，幅值检波，差动补偿，电路复杂。4.采用多辫线减小线圈电阻，减小温度对线圈阻抗的影响，但增加了线圈绕制的难度。这几项措施，在定频调幅型电涡流位移传感器上得到了应用，效果较好，但也存在硬件较复杂的缺点。
调频变面积型电涡流位移传感器目前常用的方案是差动线圈-双振荡器-频率/电压变换解调-差动放大-硬件对数处理-A/D变换-单片机处理输出，硬件较为复杂，体积较大、成本较高。
调频变面积型电涡流位移传感器以其结构简单、直接数字化、线性范围宽、灵敏度高、成本低见长，如果能设置差动补偿线圈并用软件直读频率，再用运算的方法进行温度补偿，用接近度补偿线圈进行接近度补偿，就可构成结构简单、体积小、性能强的调频变面积型电涡流位移传感器。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种调频变面积电涡流位移传感器，它同时进行温度和接近度补偿及用软件进行非线性校正，且结构简单、体积小、性能强。
本发明的技术方案是：一种调频变面积电涡流位移传感器，包括矩形扁平的振荡线圈、与位移测量的非动参考件固定在一起的振荡电路板、与被测移动目标位置相对固定的电涡流目标板；还包括一振荡频率读出、运算及非线性校正板；所述振荡电路板上设有两套电路元件相同的调频振荡电路，每套调频振荡电路包括两个振荡线圈；振荡电路板的被测位移方向上的两端，每端粘固着同套调频振荡电路的两个串联振荡线圈且位置平行相对；各振荡线圈的扁平面与电涡流目标板的板面平行，且同套调频振荡电路的两个振荡线圈的扁平面与电涡流目标板的板面之间的垂直接近度相互补偿；电涡流目标板在被测位移方向上的长度为振荡线圈在被测位移方向上的外边长与两套振荡线圈两接近边间的距离之和；两套调频振荡电路输出端接所述的振荡频率读出、运算、非线性校正板。
作为本发明的进一步的技术方案：
在该调频变面积电涡流位移传感器中，所述每套调频振荡电路中还包括高稳定的振荡电容、集成二反向器；所述集成二反向器包括第一反向器和第二反向器两个反向器；第一反向器的输出端与第二反向器的输入端相接后，再接一电阻到第一反向器的输入端，由第一反向器的输入端接出一耦合电容，再接串联的一耦合电阻、一耦合电容耦合到第二反向器的输出端，由第二反向器的输出端接一电源电阻到正电源端，由正电源端接一退耦电容到地；同套调频振荡电路中的两个振荡线圈的同名端相串接，再并联一个振荡电容后接于由第一反向器的输入端接出的耦合电容与耦合电阻的接点到地之间，决定振荡频率的大小，调节振荡电容，可调节振荡频率；由第二反向器的输出端输出振荡方波。
在该调频变面积电涡流位移传感器中，所述振荡电路板为一块平板；同套调频振荡电路的两振荡线圈分别固定在振荡电路板同端的正反面上，两振荡线圈位置重叠；电涡流目标板为一用高电导率低磁导率材料制成的U形刚性薄板，包括两个平行设置的边面板和一个垂直连接在两边面板之间的脊面板，边面板、脊面板均为矩形；振荡电路板平行设置在电涡流目标板的两边面板之间。
另一种技术方案：在该调频变面积电涡流位移传感器中，所述振荡电路板包括左振荡电路板、右振荡电路板；同套调频振荡电路的两振荡线圈分别对应固定在左振荡电路板、右振荡电路板的同端，且两振荡线圈位置平行相对；电涡流目标板为一用高电导率低磁导率材料制成的矩形平板，平行置于左振荡电路板、右振荡电路板之间。
在该调频变面积电涡流位移传感器中，所述振荡频率读出、运算、非线性校正板包括两个模拟开关、两个分频器、一存储有相关处理程序的单片计算机；所述两模拟开关的输入端分别与两套调频振荡电路的输出端一一对应相连；两模拟开关的输出端与两分频器的输入端一一对应相连，两分频器将调频振荡电路输出振荡频率降低一定倍数后通过其输出口输送至单片计算机的P0口；所述两模拟开关的开与关由单片计算机的控制端控制。
本发明的有益效果是：
1.电路元件少，布局简单，成本低；
2.采用频率读数，软件处理方法，实现调频数字化，省掉了通常方案的解调、差动放大、A/D转换、硬件线性化等硬件，在传输时抗干扰能力强；
3.应用四个矩形扁平传感振荡线圈与电涡流目标板相对位置简单而特别的设计，完成了温度和接近度补偿；
4.应用单片计算机上的多项式拟和非线性校正，使位移传感器的线性范围更宽，精度更高。
附图说明
图1为本发明中的调频振荡电路图；
图2为实施例一的结构示意图，
图3为实施例一的右视截面图；
图4为实施例二的振荡电路板的展开结构示意图，
图5为实施例二的右视截面图；
图6为实施例二的电涡流目标板的结构示意图，
图7为振荡频率读出、运算、非线性校正板的方框图；
图8为振荡频率读出、运算、非线性校正板的硬件配置图。
图中：1振荡电路板，2电涡流目标板，21左边面板，22右边面板，23脊面板，4U形非金属连接件，5左振荡电路板，6右振荡电路板，7电涡流目标板，8非金属连接件，9振荡线圈L1与L2间的串联线，10振荡线圈L3与L4间的串联线。
具体实施方式
本发明的两个实施例：实施例一是采用一块平面的振荡电路板、一块U形的电涡流目标板，如图2、3所示；实施例二是采用二块振荡电路板，一块平面的电涡流目标板，如图4、5所示。两个实施例仅是振荡电路板与电涡流目标板的结构形式不同，使用相同的硬件电路和软件。
下面参阅附图及实施例对本发明做进一步的说明。
图1所示为本发明所使用的两套调频振荡电路，它由元件相同的两套调频振荡电路组成。每套调频振荡电路包括一个集成二反向器(左套为U1，右套为U2，每个集成二反向器包括第一反向器和第二反向器两个反向器，在耦合元件的帮助下产生正反馈)、二个串联的矩形扁平的振荡线圈(左套为L1、L2，右套为L3、L4)并联一个NPO振荡电容(左套为C1，右套为C21)及其它连接耦合元件。(L1+L2)//C1构成左套并联电感电容，(L3+L4)//C21构成右套并联电感电容，决定振荡频率。
左套调频振荡电路的结构如下：集成二反向器U1中第一反向器的输出端1Y与第二反向器的输入端2A相接后，再接一电阻R2到第一反向器的输入端1A，由第一反向器的输入端1A接出一耦合电容C2，再接串联的一耦合电阻R1、一耦合电容C3耦合到第二反向器的输出端2Y，由第二反向器的输出端2Y接一电源电阻R3到正电源端V，由正电源端V接一退耦电容C4到地D。左套并联电感电容(L1+L2)//C1接于由第一反向器的输入端1A接出的耦合电容C2与耦合电阻R3的接点到地D之间，决定振荡频率的大小。调节R2、C2、R1、C3的相对大小，控制调频振荡电路起振条件、左套并联电感电容(L1+L2)//C1两端的振荡信号幅度和稳定性。调节NPO振荡电容C1的大小，控制振荡频率的高低。最后，由第二反向器的输出端2Y(即O1端)输出振荡方波。
右套调频振荡电路包括集成二反向器U2、电阻R22、耦合电容C22、耦合电阻R21、耦合电容C23、电源电阻R23、退耦电容C24、振荡线圈L3、L4、NPO振荡电容C21。集成二反向器U2内的第一反向器的输入端为3A，输出端为3Y，第二反向器的输入端为4A，输出端为4Y。右套调频振荡电路的结构及原理与左套调频振荡电路相同，不再赘述。
图2、3所示为实施例一：振荡电路板1由低热膨胀系数材料制成，与被测位移参照物固接。
电涡流目标板2包括平行设置的左边面板21、右边面板22和一个垂直连接在两边面板之间的脊面板23，形成U形。左边面板、右边面板、脊面板均为矩形。振荡电路板1平行设置在电涡流目标板的左边面板21、右边面板22之间。左边面板21、右边面板22及脊面板23由厚度不薄于0.5mm的光滑平整铜板或铝板等高电导率低磁导率的材料做成。振荡线圈L1、L2位置重叠地分别用低热膨胀系数粘结剂粘固在振荡电路板1的上端的正反两面上。振荡线圈L3、L4位置重叠地分别用低热膨胀系数粘结剂粘固在振荡电路板1的下端的正反两面上。各振荡线圈的扁平面与电涡流目标板的板面的垂直距离(即接近度)均为1.8mm左右。由于电涡流目标板的左边面板21、右边面板22是一体的，振荡线圈L1、L3与左边面板21接近度增大或缩小时，振荡线圈L2、L4与右边面板22接近度就做同量的缩小或增大，即同套调频振荡电路的两个振荡线圈的扁平面与电涡流目标板的板面之间的垂直接近度相互补偿。这种结构使振荡线圈L1、L2及L3、L4的总接近度(两电感接近度之和)保持不变，这就使接近度对振荡频率的影响得到了补偿。
振荡线圈L1与L3相接近的两边之间、L2与L4相接近的两边之间的距离L可设为9mm左右，这样可减小L1与L3之间、L2与L4之间的相互电磁干扰。
电涡流目标板2的脊面板23长边的方向与振荡电路板1上两套矩形振荡线圈的连线方向定在被测位移方向上。电涡流目标板2的左边面板21、右边面板22在被测位移方向上的长度为被测位移方向上振荡线圈的宽度A与两套线圈最近两边间的距离L之和。在垂直被测位移的方向上，电涡流目标板2的左边面、右边面板的宽度M稍大于各振荡线圈该方向上宽度的1.5倍。
使用时电涡流目标板的左边面板、右边面板与被测位移对象由一U形非金属连接件4固定联接，位置相对固定。当发生位移时，两套振荡线圈L1、L2与L3、L4被电涡流目标板2覆盖面积的变化正好相反，从而，两套调频振荡电路振荡频率的变化也正好相反，两套调频振荡电路振荡频率差变化的斜率(灵敏度)加倍。由于温度对两套调频振荡电路振荡频率的影响是同向的，所以两套调频振荡电路的温度漂移对频率差来说基本相消，实现了温度补偿，增强了频率差的温度稳定性。
图4、5所示为实施例二：其振荡电路板包括左振荡电路板5、右振荡电路板6。左振荡电路板5、右振荡电路板6与被测位移参照物固接。振荡线圈L1、L3分别粘固在左振荡电路板5的上、下端，振荡线圈L2、L4分别粘固在右振荡电路板6的上、下端，均用低热膨胀系数粘结剂粘固。L1、L2位置平行相对，L3、L4位置平行相对。振荡线圈L1、L2的同名端串联相接；振荡线圈L3、L4的同名端串联相接；图4、5中9为振荡线圈L1与L2间的串联线，10为振荡线圈L3与L4间的串联线。
在被测位移方向上，L3与L1相接近边之间、L4与L2相接近边之间的距离为9mm左右，这样可减小L1与L3之间、L2与L4之间的相互电磁干扰。
该电涡流目标板7为一矩形平板，用铜或铝等高电导率低磁导率的材料制成，平行置于左振荡电路板5、右振荡电路板6之间。电涡流目标板7在被测位移方向上的长度为被测位移方向上振荡线圈的宽度A与两套线圈最接近两边问的距离L之和。在垂直被测位移的方向上，电涡流目标板7的宽度M为振荡线圈该方向上宽度的1.5倍。
电涡流目标板7与被测位移对象由非金属连接件8联接，位置相对固定。振荡线圈L1、L2、L3、L4的扁平面与电涡流目标板7的板面之间垂直距离均为1.8mm左右。
由于左振荡电路板5、右振荡电路板6正面相对，位置相对固定，中间夹着平面目标板7，这种结构使振荡线圈L1与L2、L3与L4相对电涡流目标板7板面的垂直距离(即接近度)变化方向相反，使振荡线圈L1、L2及L3、L4相对电涡流目标板7板面的总接近度不变，这就使接近度对振荡频率的影响得到了补偿。
与实施例一相同，电涡流目标板7与被测位移对象位置相对固定，两套振荡线圈L1、L2与L3、L4被电涡流目标板7覆盖面积的变化正好相反，从而，两套调频振荡电路振荡频率的变化也正好相反，两套调频振荡电路振荡频率差变化的斜率(灵敏度)加倍。由于温度对两套调频振荡电路振荡频率的影响是同向的，所以两套调频振荡电路的温度漂移对频率差来说基本相消，实现了温度补偿，增强了频率差的温度稳定性。
图6所示为该发明的振荡频率读出、运算、非线性校正板硬件方框图，包括模拟开关、分频器、单片计算机。
图7所示为振荡频率读出、运算、非线性校正板一个硬件实施例。包括集成模拟开关CD4052、分频器74LS393、单片计算机AT89S52。
集成模拟开关CD4052的两模拟开关的输入端分别与两套调频振荡电路的输出端一一对应相连。两模拟开关的输出端与两分频器的输入端CLK一一对应相连。两分频器将各自对应的调频振荡电路输出的振荡频率降低一定倍数，然后由输出口Q1、Q2、Q3、Q4分别输出到单片计算机的P0口(P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7)。在单片计算机的A控制端控制导通单位时间后切断模拟开关3时，由P0口和T0、T1计数器读取并记录计数信息，单片计算机经计算，得出实际频率，再算得两套跳频振荡电路的频率差；根据频率差和单片计算机的程序中存储的多项式拟和公式中的系数，得出被测位移数。最后，在上位机要求送被测位移时，单片计算机通过串行口TXD，RXD将被测位移送到上位机。其中，所述多项式拟和公式中的系数由计算机中的MATLAB或ORIGIN软件程序对多对实测位移---频率差做多项式拟和得出，然后固化在单片计算机中。两模拟开关的开与关由单片计算机的控制端A控制端控制。
本发明并不仅仅局限于上述实施例。