一種新型線性位置感測器的研制

黃 健，黃嘉琦，陳南宇，張善文，呂林濤

(西京學(xué)院，陜西西安 710123)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常要用傳感器檢測物體的直線位移，感測技術(shù)為這種需求提供了極佳的解決方案。感測技術(shù)具有無接觸、抗污染、成本低、易維修、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且由于是無接觸的感應(yīng)，不易磨損。特別適合于油污、潮濕、灰塵等惡劣環(huán)境。

到目前為止，這種技術(shù)是用復(fù)雜的模擬電路搭建而成，甚至用到了昂貴的稀土磁鐵，成本較高、抗干擾能力差，而且不易攜帶、維修[1-4]。為降低成本，提高性能，本文采用最新的LDC1000數(shù)字式電感傳感器，運(yùn)用自制的不勻稱的PCB線圈，產(chǎn)生LC振蕩電路。當(dāng)有金屬物體沿著電感線圈做直線運(yùn)動時，由于磁場作用，在金屬物體的表面將形成電渦流，電渦流將會產(chǎn)生次級磁場，反作用于原來的磁場，引起LDC1000中的LC振蕩電路的頻率發(fā)生變化。LDC1000將會感知這個變化，將其轉(zhuǎn)換為28位的數(shù)字量輸出。由于自制的PCB線圈分布是不勻稱的，當(dāng)物體移動到不同的位置時，產(chǎn)生的頻率變化是不同的，以此來感測物體的直線位移。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論

1.1 LDC1000工作原理

LDC1000的基本工作原理基于電磁感應(yīng)，如圖1所示。當(dāng)右邊的線圈通交流電后，將會產(chǎn)生LC振蕩，在它的附近將會產(chǎn)生磁場。當(dāng)金屬物靠近該磁場時，磁場產(chǎn)生的部分能量將會傳遞給金屬物體，在金屬物的表面形成電流，一般將其稱為渦流。這些電流將會產(chǎn)生一個次級磁場，反作用于原來的磁場。使原磁場減弱。渦流的大小是距離、材質(zhì)、大小的函數(shù)。圖1中所示Ls和Rs是原線圈的電感和寄生串聯(lián)電阻[5-8]。L(d)是與距離成函數(shù)關(guān)系的電感量，是目標(biāo)金屬物耦合給右邊線圈的電感量，R(d)是與距離成函數(shù)關(guān)系的電阻量，是渦流給右邊線圈產(chǎn)生的寄生電阻。

圖1 互感模型

由于電感和電容都是儲能元件，并不消耗能量，因此，能量都消耗在電阻上了。將圖1右邊所示電路進(jìn)行等效變化，得到圖2所示電路。

圖2 電感傳感器等效電路

在圖2中Rp(d)通過式(1)計(jì)算。

(1)

式中:Ls和Rs為原來線圈的電感和電阻;Ld和Rd為產(chǎn)生的寄生電感和電阻。

1.2 自制電感線圈設(shè)計(jì)

自制電感線圈如圖3所示。整個線圈長為100 mm，寬為15 mm，共22圈，在PCB制板時，用0.2 mm的細(xì)銅線制作而成，上下兩層。整個線圈等間距分布，右邊的線圈密度要大于左邊。右邊的磁場強(qiáng)度的要遠(yuǎn)大于左邊的磁場強(qiáng)度，因此，感應(yīng)磁場主要由右邊的線圈決定。

圖3 矩形電感線圈結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)金屬物體在線圈上方移動時，如圖4所示。

圖4 金屬物在線圈上方移動圖

圖4中金屬物體的長度一定要能夠完全覆蓋線圈的寬度，選擇為25 mm，金屬物體的寬度不宜過寬，選擇為14 mm。金屬物體從線圈的最左邊開始移動，直到最右邊，相對于最左邊的移動距離為dx，從線圈的左下角開始。金屬物體從左向右移動時，磁場感應(yīng)強(qiáng)度主要由右邊的線圈決定，且磁場強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。

在制作PCB線圈時，要注意選擇合適的電感量L，并配置合適的電容C，使得形成的LC振蕩電路的振蕩頻率在500 kHz～10 MHz之間，這與線圈的匝數(shù)、粗細(xì)、材質(zhì)都有關(guān)。另外，還要使得損耗電阻Rp的范圍為1～128 kΩ。對其范圍的設(shè)置通過LDC1000內(nèi)部的兩個寄存器RP_MIN和RP_MAX進(jìn)行。

1.3 分辨率的計(jì)算

LDC1000能夠?qū)㈦姼械淖兓D(zhuǎn)換為數(shù)字量的輸出，當(dāng)金屬物體從dx=0向dx=100移動時，數(shù)字量的變化量用式(2)計(jì)算。

(2)

式中:ΔD為數(shù)字量的變化量;TR為采樣周期;FCLK為LDC1000的時鐘頻率，設(shè)計(jì)中選擇最高頻率6 MHz;F0為dx=0 mm時線圈的共振頻率;F100為dx=100 mm時線圈的共振頻率。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖5所示，圖中L代表自制電感線圈，測得線圈的電感量L后，配置上合適的電容C，就可形成LC振蕩電路。振蕩頻率通過式(3)計(jì)算[6-10]。根據(jù)前面所述原理，在檢測目標(biāo)金屬物時，由于電磁感應(yīng)，不僅會產(chǎn)生寄生電感LS，而且會產(chǎn)生寄生電容CS，引起頻率的變化，通過式(4)計(jì)算。LDC1000會將這個變化量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字量通過式(5)計(jì)算，該數(shù)字量通過SPI接口傳送給STM32F103ZET6進(jìn)行處理。同時STM32還產(chǎn)生LDC1000需要的6 MHz的時鐘信號。

(3)

(4)

(5)

圖5 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2 STM32F103ZET6

STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3的嵌入式芯片,是32位的微處理器，主頻是72 MHz[10-13]。具有8個定時器，其中定時器TIM3經(jīng)過12分頻，產(chǎn)生LDC1000所需的6 MHz的時鐘頻率。STM32有3個硬件SPI接口，設(shè)計(jì)中選擇SPI2連接LDC1000,如圖6所示，為提高數(shù)據(jù)采集速度，采用硬件SPI接口與STM32相連，其中SCLK連接到PB13(SPI2_SCLK),SDI連接到PB15(SPI2_MOSI)，SDO連接到PB14(SPI2_MISO),CSB連接到PB12(SPI2_NSS)。PC9產(chǎn)生6 MHz的時鐘，輸入給LDC1000的CLK。GND要共地，VCC接3.3 V。

圖6 STM32與LDC1000連接圖

2.3 LDC1000

LDC1000是數(shù)字式電感傳感器，適合作為電感感測傳感器?？蓪?shí)現(xiàn)對金屬物的線性位置、角位置、位移、運(yùn)動、壓縮、金屬成分、振動等的高精度測量。適合應(yīng)用于潮濕、油污、灰塵等惡劣環(huán)境。

3 測試

實(shí)驗(yàn)平臺的搭建如圖7所示，圖中用電機(jī)帶動絲桿做直線運(yùn)動。在絲桿上方固定有矩形自制線圈，矩形線圈會隨著絲桿做往復(fù)直線運(yùn)動[14-15]。線圈的正上方懸掛有金屬物體，金屬物體固定不動。金屬物體與矩形線圈之間的空氣間隙用D表示。實(shí)驗(yàn)中D的距離可調(diào)。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

圖7中的金屬物體選用鋁塊，長和寬分別為25 mm和14 mm。矩形電感相對于金屬物體從左向右移動，取dx=0 ～100 mm，間隙D為1 、2、3 mm測得的數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

圖8 測試數(shù)據(jù)

對圖8進(jìn)行分析，當(dāng)金屬物體從dx=0 mm移動到dx=100 mm時，整個曲線可以分為3個階段。

第一曲線段為0～20 mm,在這個階段，金屬物體進(jìn)入感應(yīng)線圈，距離從0～20 mm移動，但是這個階段的電感量的變化并不明顯。比如當(dāng)金屬物從dx=5.0 mm移動到dx=5.5 mm,間隙D=1 mm時，電感量的變化從94.547 μH變化到95.544 μH，變化量只有0.003 μH。

第二曲線段為20 ～90 mm,這個階段，電感量變化明顯，可準(zhǔn)確得到金屬物的移動距離。例如在空氣間隙D=1 mm時，金屬物從dx=50.0 mm移動到dx=50.5 mm時，電感量的變化從91.636 μH變化到91.565 μH，變化量是0.071 μH。平均電感量的變化率是0.142 μH/mm。

第三段曲線為90～100 mm，在這個階段電感量突然增大，該段數(shù)據(jù)不可用。

整體而言，直線位移從dx=0～100 mm曲線段內(nèi)，90～100 mm曲線段突然遞增，很難處理，不予采用。0～20 mm曲線段內(nèi)，因?yàn)殡姼辛康淖兓侍?，不利于整個系統(tǒng)精度的提高，不予采用。剩下的從20～90 mm曲線段可用，變化率較明顯，軟件編程時可將其線性化，易于處理，而且精度較高。

因此，整個曲線段有70%的曲線可用。表1給出了從dx=0～90 mm電感率的變化。

表1 電感量的變化率

從表1可以看出，當(dāng)dx為20～90 mm時，電感量的變化率明顯，從0～20 mm時，不明顯，而且距離越近，變化越明顯，精度越高，處理越方便。根據(jù)式(2)和式(5)對其進(jìn)行數(shù)字化處理，可使測量距離的精度達(dá)到0.03 mm。

4 結(jié)論

文中研究了新型數(shù)字電感傳感器LDC1000的工作原理。采用密度不同的矩形電感線圈，可檢測金屬物體的直線位移。并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和分析，得到了對應(yīng)的曲線。最終確定了70%的曲線段是可用曲線，并對其進(jìn)行了線性化?？蓽?zhǔn)確測量金屬物體的直線位移，精度達(dá)到了0.03 mm?？蓱?yīng)用在潮濕、灰塵、油污等惡劣環(huán)境中，具有一定的實(shí)用價值。