電感式非接觸位移測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究

傅曉程， 張德華， 張 偉

(浙江大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)中心， 浙江 杭州 310058)

電感式非接觸位移測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究

傅曉程， 張德華， 張 偉

(浙江大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)中心， 浙江 杭州 310058)

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用集成運(yùn)算放大電路構(gòu)成電子電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生，經(jīng)功率放大電路驅(qū)動(dòng)初級(jí)線圈，然后對(duì)信號(hào)整流和濾波，得到的信號(hào)通過直流差分電路以及線性比例放大和偏移電路進(jìn)行零點(diǎn)定標(biāo)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的模擬測(cè)量；有三條路徑應(yīng)用FPGA來替代硬件電路對(duì)信號(hào)處理和測(cè)量。根據(jù)測(cè)量的電壓信號(hào)與電感位移的比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電感式非接觸位移測(cè)量。

電感位移傳感器；FPGA；功率放大電路；模擬顯示整定

0 引言

電感位移傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將機(jī)械位移變化轉(zhuǎn)換成電量輸出的檢測(cè)裝置，在大范圍、高精度的長(zhǎng)度計(jì)量中得到廣泛應(yīng)用[1,2]。電感式位移傳感器具有無磨損、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、無累積誤差、信號(hào)輸入與輸出電路相互隔離、高分辨率與高抗干擾能力等諸多優(yōu)點(diǎn)，在非接觸式位移測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3,4]。

本文利用變壓器式電感位移傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)非接觸式位移測(cè)量?jī)x。要求位移測(cè)量從左10 mm至右10 mm；測(cè)量誤差不大于0.5 mm；響應(yīng)時(shí)間不大于1 s；能夠?qū)崿F(xiàn)雙向模擬表頭顯示和四位數(shù)碼管數(shù)字顯示。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的具體步驟是先設(shè)計(jì)電路，然后進(jìn)行理論分析、仿真研究，再實(shí)際搭建電路，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、顯示實(shí)驗(yàn)波形與設(shè)計(jì)結(jié)果、最后比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果是否一致。整個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)呈開放性，要求學(xué)生集思廣益，勇于創(chuàng)新，以此培養(yǎng)學(xué)生探究能力與創(chuàng)新意識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示。激勵(lì)電路模塊產(chǎn)生初級(jí)線圈所需的交流正弦信號(hào)，經(jīng)過功率放大電路放大后驅(qū)動(dòng)初級(jí)線圈。對(duì)兩個(gè)副邊的感應(yīng)電壓獨(dú)立進(jìn)行均值檢測(cè)，然后對(duì)兩副邊均值檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)差分；而后通過模擬和數(shù)字兩種方式顯示最后結(jié)果。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案

模擬顯示是用兩個(gè)精密整流電路分別對(duì)兩個(gè)副邊線圈進(jìn)行整流和濾波，得到兩個(gè)副邊交變信號(hào)的平均值。然后通過直流差分電路，以及線性比例放大和偏移電路進(jìn)行零點(diǎn)定標(biāo)，輸出至模擬表頭顯示。

使用數(shù)字顯示時(shí)，參見圖1上所標(biāo)注的A1，A2，B1，B2，C；即可以通過三條路徑采集兩個(gè)副邊的感應(yīng)交變電壓值于以顯示。

(1)采樣方法A

直接對(duì)兩副邊的交流信號(hào)A1，A2進(jìn)行采樣。為保證采樣可靠，采樣頻率至少為激勵(lì)信號(hào)頻率的3至5倍，最好是整數(shù)倍周期采樣。典型方式是一個(gè)周期能夠采集64點(diǎn)以上。這種采集方式可以省略圖1硬件電路中精密整流和濾波，差分放大和整定電路，但對(duì)采樣速度要求較高，同時(shí)需要在此后的FPGA內(nèi)部做較復(fù)雜的運(yùn)算。

(2)采樣方法B

直接對(duì)各副邊精密整流和濾波后的絕對(duì)平均值B1,B2進(jìn)行采樣。采樣完成后，在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)相減和整定。這種采集方式可以省略圖1硬件電路中的差分放大和整定電路。

(3)采樣方法C

直接對(duì)模擬域經(jīng)過整定后的輸出C進(jìn)行采樣。由于C端輸出有正有負(fù)，進(jìn)入ADC時(shí)必須加偏移電壓。這種采集方式的最大優(yōu)點(diǎn)是只需一路ADC采樣通道，數(shù)字域內(nèi)處理較簡(jiǎn)單。

2 模擬測(cè)量方案

2.1正弦波發(fā)生電路

電感位移傳感器的初級(jí)線圈需要一個(gè)振蕩頻率大約是數(shù)kHz的正弦激勵(lì)信號(hào)。常用的正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路有RC正弦波振蕩電路、LC正弦波振蕩電路、石英晶體正弦波振蕩電路等三種[5]。

RC正弦波振蕩電路一般用來產(chǎn)生1 Hz到1 MHz范圍內(nèi)的低頻信號(hào)，而LC和石英晶體正弦波振蕩電路則一般用來產(chǎn)生1 MHz以上的高頻信號(hào)。因此，本設(shè)計(jì)可以選擇產(chǎn)生低頻正弦信號(hào)的RC文氏橋振蕩電路或雙T型RC振蕩電路。

2.2功率放大電路

低頻正弦信號(hào)發(fā)生電路的輸出由于功率較小，無法直接驅(qū)動(dòng)電感位移的初級(jí)線圈，必須進(jìn)行功率放大或電流放大。采用如圖2所示的方案,兩個(gè)運(yùn)放UIB和UIC輸出相位相差180度的兩個(gè)信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)OCL電路，此時(shí)施加在初級(jí)線圈兩端的電壓幅度相等，相位正好相反，驅(qū)動(dòng)能力提升一倍，且初級(jí)線圈的兩端均不接地。

圖2 采用分立器件的雙 OCL功率放大電路

2.3精密整流和信號(hào)處理

為了獲取副邊線圈感應(yīng)電壓的平均值，首先要將感應(yīng)的交流電壓整流成單向脈動(dòng)信號(hào)，然后再進(jìn)行均值濾波。在電感位移測(cè)量中，隨著鐵芯偏離次級(jí)線圈距離越來越遠(yuǎn)，線圈中感應(yīng)到的電壓幅度會(huì)越來越小，其幅度與二極管的開啟電壓相近，甚至更小。因此需要應(yīng)用運(yùn)放和二極管構(gòu)成的精密整流電路來彌補(bǔ)。

2.4低通濾波和差分放大

副邊線圈的感應(yīng)電壓經(jīng)過精密全波整流后得到的是脈動(dòng)信號(hào)，需要經(jīng)過濾波得到其直流電壓平均值后，才能輸出至模擬表頭顯示大小[6]。然后，對(duì)兩個(gè)副邊線圈的感應(yīng)電壓的平均值進(jìn)行差分放大，其差值與位移成比例關(guān)系。

2.5模擬顯示整定

為了保證模擬表頭顯示與實(shí)際鐵芯位置對(duì)應(yīng)起來，需要進(jìn)行零位整定和比例調(diào)節(jié)。如果模擬表頭的輸入范圍是-5 V至+5 V，與鐵芯位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)該是當(dāng)鐵芯在最左邊時(shí)，對(duì)應(yīng)-5 V；當(dāng)鐵芯在最右邊時(shí)，對(duì)應(yīng)+5 V；當(dāng)鐵芯在中間時(shí)，對(duì)應(yīng)0 V。當(dāng)差分平均電壓值與鐵芯位移成線性關(guān)系時(shí)，就可用線性模擬表頭顯示。

設(shè)平均電壓與位移之間的關(guān)系是：yAV=a+k·xshift。其中xshift是位移值，yAV是差分電壓平均值。如圖3所示的整定過程如下：運(yùn)放同相端的偏移直流量用于零點(diǎn)校正(調(diào)節(jié)RW2)，當(dāng)鐵芯位于中間，調(diào)節(jié)此電位值，使運(yùn)放輸出等于0。電位器RW1用于比例調(diào)節(jié)，當(dāng)位移達(dá)到最大值時(shí)，調(diào)節(jié)此電位器，使模擬表頭指針偏移至最高位置。

圖3 表頭零位整定和最大范圍調(diào)節(jié)

3 數(shù)字測(cè)量方案

3.1模數(shù)輸入預(yù)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換

為了能實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量，需要模數(shù)輸入預(yù)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的大小和范圍均有具體限制，且需對(duì)最大輸入電壓進(jìn)行限幅，防止損壞ADC轉(zhuǎn)換芯片。如果采用ADS7886的SPI接口逐次逼近型ADC，其輸入電壓范圍要求是0 V至3.3 V之間。則要通過模數(shù)輸入預(yù)處理電路將輸入電壓調(diào)整到ADC所能接受的范圍之中。

3.2FPGA數(shù)字測(cè)量

圖4所示為其整體設(shè)計(jì)框圖[7]。具體實(shí)現(xiàn)過程是：首先，省略二十進(jìn)制轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字整定模塊，直接將ADC采樣的二進(jìn)制值在數(shù)碼管是顯示，通過手工數(shù)據(jù)后處理再得到實(shí)際位移值；其次，僅省略數(shù)字整定模塊，直接將ADC采樣的十進(jìn)制值在數(shù)碼管上顯示，通過手工數(shù)據(jù)后處理再得到實(shí)際位移值；最后，進(jìn)行完整設(shè)計(jì)，數(shù)碼管直接顯示位移測(cè)量值。

圖4 FPGA數(shù)字測(cè)量的設(shè)計(jì)框圖

3.3DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生正弦信號(hào)

直接對(duì)副邊電感的感應(yīng)交流信號(hào)采樣，在數(shù)字域完成整流、整定等運(yùn)算；由FPGA產(chǎn)生5 kHz左右的激勵(lì)正弦波，通過外部D/A轉(zhuǎn)換器輸出驅(qū)動(dòng)初級(jí)線圈。這樣就只保留功率放大部分，其他都由FPGA實(shí)現(xiàn)。

上述模擬和數(shù)字兩種方案，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須對(duì)電路進(jìn)行逐個(gè)調(diào)節(jié)整定，然后測(cè)量結(jié)果跟傳感器的線性度等技術(shù)指標(biāo)對(duì)比修正。

4 結(jié)語

本文介紹的位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)其研究對(duì)象為變壓器式電感位移傳感器，學(xué)生從實(shí)驗(yàn)過程中，能了解其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性[8,9]；熟悉模擬電子技術(shù)，尤其是各基本運(yùn)算放大電路、有源濾波電路、振蕩電路等；同時(shí)還能熟悉數(shù)字電子技術(shù)以及FPGA知識(shí)。完成實(shí)驗(yàn)后，還鍛煉了數(shù)據(jù)分析處理能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵豐富。因此，認(rèn)真獨(dú)立地完成該設(shè)計(jì)，將可使學(xué)生進(jìn)一步加深已學(xué)理論知識(shí)的理解，進(jìn)一步深化理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，以促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；將使學(xué)到的知識(shí)與特定功能的對(duì)象對(duì)接，培養(yǎng)學(xué)生探究能力與創(chuàng)新意識(shí)。

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ExperimentalStudyonTheNonContactMeasurementofInductance

FUXiao-cheng，ZHANGDe-hua,ZHANGWei

(ElectricalEngineeringandElectronicExperimentCenter,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

This paper introduces that an operation amplifier electric circuit is built to generate signals. The power of the generated signal is amplified before being sent to drive the primary winding. After being rectified and filtered, the signal is operated by a DC differential amplified and a linear amplifier. Then an offset circuit is used to set zero-point. Therefore, the signal can be measured by analog circuit.There are three ways of using FPGA to process and measure the signal other than using analog circuit. According to the proportional relation between the measured voltage signal and the position offset of the inductor, an inductive non-contact displacement measurement is realized.

inductive displacement sensor;FPGA; power amplifier circuit; simulation display setting

2016-10-01;

2017-02-09

傅曉程(1973-)，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，E-mail:fxche@zju.edu.cn

TN710

A

1008-0686(2017)05-0108-04