整理电涡流位移传感器的研制Word文档格式.docx
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目前，随着电光技术的发展，光电器件质量有了很大提高，光电检测法也成了一种很有前途的非接触测量的非电量测试技术。
而同时，又发展了一种建立在电涡流原理上的传感器，即电涡流传感器。
它可以把位移、振幅、厚度、尺寸、裂纹等参数变换成电量来进行测量，并且具有测量线性范围大，结构简单，不受油污等介质的影响，频响宽，抗干扰能力强等优点。
国外已用于汽轮机、空间压缩机等旋转轴的径向振动测量与轴向位移测量，并用来作为连续监控装置国内已研制成功了电涡流式位移振动测量仪和电厂汽轮机监视用位移计、偏心度计等。
首先将电涡流现象和测量方法联系起来的是休斯在1879年的实验。
而逐渐形成一种测试手段和技术是本世纪四、五年代后的事。
此后德国的Rentique研究所和美国的BentlyNevada公司相继研究了电涡流传感器的原理，并逐渐发展出了产品及仪器。
目前，生产ESC较多的是国家是美、日、德、英等国家。
一些产品（包括过国内的）的主要性能如表1.1:
表1-1某些ECS主要技术性能
国家
生产
单位
型号
线性
范围
（mm）
分辨率
（μm）
工作
温度
（℃）
端部
直径
频率
（kHZ）
美国
BN
190
1.5
2.5
7.6
0～10
日本
AEC
5P05
1
0.3
5
小野测器
制作所
VS-0
11
中国
杭州自动
化仪器厂
CZF-100
1.2
-15～80
7
0～20
清华
QH-3
0～70
14
在我们国家，研制电涡流检测仪器历史不过十多年，作为产品也只有十年。
但是由于该类仪器本身的一些优点，一些仪器研制出来以后，很快被工业部门广泛用于测量位移、厚度、只寸、振动、转速、压力、电导率以及金属材料探伤和缺陷检测等。
鉴于上述的情况，可以这样认为，研制ESC并进一步提高其性能，并且针对某些特殊测试要求加以改进，是一项有价值、值得研究的工作。
目前，电涡流传感器用的最多的是两个方面：
一个是用于测试仪表，再就是用于监测保护系统。
前者对精度、分辨率、线性度、稳定性等技术要求指标要求较高。
随着生产的发展及科技水平的不断提高，对测试仪器的要求越来越高。
而以往的电涡流传感器就能满足不了要求。
例如：
在机械行业中，高精度磨床的主轴回转精度的测量中，其主轴的径向跳动在0.5μ~2μ之间，甚至更小。
这么小的振动量对仪器的要求就相当高，尤其是对仪器的最高分辨率，即要求仪器有较高的信噪比。
目前，国内用于测量的位移振幅传感器最高分辨率约0.5μ~1μ数量级，国外约在0.05μ~0.1μ。
用0.5μ的仪器去测量分析1μ~2μ的振动情况是满足不了要求的。
又如：
对钢板等厚度的在线测量，不但要求仪器具有宽的动态测量范围，而且还要求能测静态位移。
除了要求仪器有高的分辨率外，更重要的是仪器有良好的温度稳定性和线性度。
温度稳定性是比较难解决的问题之一。
国外许多同类仪器的二次仪表温漂大约在0.1％/℃~0.15％/℃,国内就更差。
许多产品根本就不提该项指标。
因此，当环境温差较大或测试要求较高时，高精度测量就无法实现，这也是国内电涡流传感器应用受到限制的一个重要因素。
目前，国内生产用于测试的涡流传感器及其仪表不太多，分辨率比较低，灵敏度也比较低，约在1mv/μ~4mv/μ.因此在很多场合过去一直采用电容传感器。
电容传感器的致命弱点是：
测量结果极易受到传感器与被测体间介质变化的影响而且传感器本身的安装极为不便，这使得它的的实际应用受到限制，除非在实验室，使用它也是迫不得已。
针对这些情况，我们研制了新型电涡流传感器，使它既保持了涡流传感器的优点，又在灵敏度、线性度、温度稳定性等方面远远的超过电容传感器。
本文即在该技术的基础上从线性化处理方法、提高传感器精度的方面考虑研制一种新型的电涡流传感器。
1.2本文的主要研究工作
1.研究了提高传感器线性测量范围和稳定性的方法。
目前普遍使用的电涡流传感器系统，由于受到处理电路的影响以及电涡流效应本身非线性，所以测量范围比较小，一般为探头直径的1/3~1/5（例如，直径5cm的探头的测量范围为1cm或2cm）。
因此，国内的涡流传感器一般只用于监测旋转机械转子的径向和轴向偏移等位移较小的物理量。
对于电涡流传感器来说，如何提高传感器的线性测量范围是非常重要的。
其次，对于传感器的性能指标，灵敏度、稳定性和分辨率也是较为主要的方面。
本文主要内容在于研究提高传感器线性范围和稳定性的方法。
对于如何提高传感器的线性测量范围以及稳定性。
本文从以下两个方面入手解决：
（1）传感器性能指标一般希望有比较大的线性测量范围和高的灵敏度，而且要同时达到往往是比较困难的，在设计传感器时应根据线圈参数与传感器性能的关系对传感器性能的影响，本文从改变线圈截面形状入手，采用了环形绕制的多层线圈，研究了线性截面形状及参数变化对传感器线性测量范围和灵敏度的影响，从而对传感器的优化设计提供理论依据。
（2）从电路设计上提高传感器的稳定性和线性度以及抗干扰能力，从而采用单片机技术扩展线性测量范围。
本文通过高频LC振荡回路提高传感器输出频率，从而为后续电路的信号采样提供了稳定的信号，利用这种方法可以提高电路稳定性稳定性。
2.设计了传感器的测量电路及校准系统
将上面提出的提高电路稳定性的方法应用到电涡流传感器的实际测量电路中，完成了电路的调试；
为对传感器的输入输出关系进行校准和为进一步改进性能提供依据，本课题利用一个专门的固高测量台和数据采集与处理系统组成的单片机系统对电涡流传感器输出信号进行处理。
由于计算机在高性能和低价格方面的惊人进展，在测量领域，计算机的采用已成为求得高性能的综合性能。
使传感器本身的非线性线性化;
消除来自传感器的噪声信号；
自动校正受多种因素变化所影响的灵敏度和零点；
自动环境温度补偿；
具有一定的自诊功能。
2.传感器的基本理论
2.1传感器的定义
传感器的概念来自“感觉”一词。
人们为了研究自然现象，仅仅依靠人的五官获取外界信息是远远不够的。
于是人们发明了能代替或补充人体五官功能的传感器，工程上也将传感器称为“变换器”。
根据国家标准《传感器通用术语》，传感器的定义为：
“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换元件以及相应的电子线路所组成。
”这一定义所表达的传感器的主要内涵包括：
（1）从传感器的输入端来看，一个指定的传感器只能感受的被测量，即传感器对规定的物理量具有最大的灵敏度和最好的选择性。
例如，温度传感器只能用于测温，而不能同时还受其他物理量的影响。
（2）从传感器的输出端来看，传感器的输出信号为“可用信号”。
这里所谓的“可用信号”是指便于处理、传输的信号，最常见的是电信号、光信号等。
可以预料，未来的“可用信号”或许是更先进、更实用的其他信号形式。
（3）从输入与输出的关系来看，输入和输出之间的关系应具有“一定规律”，即传感器的输入与输出不仅是相关的，而且可以用确定的数学模型来描述，也就是具有确定规律的静态特性和动态特性。
传感器是信息检测的必要工具，是生产自动化、科学测试、计量核算、监测诊断等系统中必不可少的基础环节。
通常是检测系统与被测量对象之间的接口，处于检测系统的输入端，其性能直接影响着整个检测系统，对检测精确度起着主要作用。
一般来讲，自动检测装置中最初感受被测量并将它转换为可用信号输出的器件叫传感器，在工程上也称为探测器、换能器、测量头。
2.2.传感器的组成
传感器是一个完整的测量装置（或系统），能把被测非电量转换为与之有确定关系的有用电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。
传感器一般由敏感元件、变换元件和其他辅助元件组成。
但是随着传感器集成技术的发展，传感器的信号调理与转换电路也会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集成在同一芯片之上。
因此，信号调理电路以及所需辅助电源都应作为传感器的一部分，如图1-1所示。
敏感元件——感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件，如膜片和波纹管，可以把被测量压力变为位移量。
若敏感元件能直接输出量（如热电偶），就兼为传感元件和传感器就完全是融为一体的。
变换元件——又称传感元件，是传感器的重要元件。
它可以直接感受被测量（一般为非电量）且输出与被测量成确定的关系的电量，如热电偶和热敏电阻。
传感元件也可以不在直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。
例如，差动变压器式压力传感器，并不直接感受压力，而只是感受与被测压力成确定关系的衔铁位移量，然后输出电量。
一般情况下使用的都是这种传感元件。
信号调理与转换电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。
信号调理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多种类，常用的电路有电路、放大器、振荡器和阻抗变换器等。
传感器根据使用要求的不同，可以做得很简单，也可以做得很复杂；
可以是带反馈的闭环系统，也可以是不带反馈的开环系统。
因此，传感器的组成将依不同情况而有所差异。
2.3传感器的分类
传感器的种类很多。
往往同一个种被测量可以用不同类型的传感器来测量，如压力可用电容式、电阻式、光纤式等传感器来进行测量；
而同一原理的传感器又可以测量多种物理量，如电阻式传感器可以测量位移、温度、压力及加速度等。
因此，传感器有许多种分类方法。
常用的分类方法有：
（1）按被测量分类
机械量：
位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振动、噪声……
热工量：
温度、热量、流量（速）、风速、压力（差）、液位……
物性参量:
浓度、粘度、比重、酸碱度……
状态参量：
裂纹、缺陷、泄露、磨损、表面质量……
这种分类方法也就是按用途进行分类，给使用者提供了方便，容易根据测量对象来对选择传感器。
（2）按测量原理分类
按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压点式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。
现在传感器的测量电路都是基于物理、化学和生物等各种效应和定律，这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。
（3）按信号变换特征分类
结构型：
主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变化的。
例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩现象测量温度，压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现测量等。
（4）按能量关系分类
能量转换型：
传感器直接由被测对象输入能量使其工作。
例如热电偶、光电池等，这种类型传感器也称为有源传感器。
除了以上分类方法外，还可按照输出型号形式分为模拟式传感器和数字式传感器，按照测量方式分为接触式和非接触式传感器等。
虽然分类方法各不相同，但了解传感器的分类可以加深理解、便于合理选用传感器。
3.电涡流传感器基本原理
在机械振动技术研究和连续监视过程中，一再提出了无接触测量问题。
作为无接触测量的传感器，以前用的很多的是电感仪和电容仪两种，电感传感器虽然使用可靠，但是体积大，测量的线性范围小；
电容传感器的体积小，结构简单，灵敏度高，但是测量的范围小，测量值受到介质和电磁场的影响大，在现场使用亦有困难，因此都不能满足实际使用中的要求。
为了克服上述两种传感器的缺点，发展了一种建立在电涡流原理上的传感器，即电涡流。
它可以把位移、振幅、厚度、尺寸、裂纹等参数变换成电量来进行测量，并且具有测量线性范围大，结构简单，不受油污等介质的影响，频率宽，抗干扰能力强的优点。
国外已用于汽轮机、空气压缩机等旋转的径向振动测量与轴向位移测量，并用来作为连续监控装置。
国内已研制成功了电涡流式位移振幅测量仪和电厂汽轮机监视用位移计、偏心度计等
3.1电涡流传感器的原理及分析
3.1.1电涡流效应
当通过金属导体中的磁通发生变化时，就会在导体中感应电流，这种电流的流线在金属内自行闭合，通常称之为电涡流。
电涡流的产生必然要消费一部分磁场能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，电涡流传感器就是基于这种电涡流效应。
3.1.2电涡流作用原理
3.1.3等效电路及分析
把金属板看作一个短回路，它与激励线圈相联系，可等效成如下的电路。
由楞次定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化的方向相反，
总是抵抗
的变化，由于涡流磁场对导磁材料的作用以及距离对磁场的影响，使原线圈的等效阻抗
发生变化，变化程度与
有关，分析表明，影响高频率线圈阻抗
的因素，除了线圈与金属极间距离δ以外，还有金属板的电阻率ρ。
磁导率μ以及线圈的激磁圆频率ω等。
我们把金属导体形象地理解为一个短路线圈，它与传感器线圈磁性相联。
这里我们假定传感器线圈原有电路为
，电感为
，则其复阻抗为
=
+j
2-1
在线圈与导体之间存在一个互感系数Ｍ，Ｕ为激励电压，
，
为导体等效电阻和电感，有图2所示等效电路，根据基尔霍夫定律，在线圈与导体之间存在一个互感系数Ｍ，Ｕ为激励电压，
为导体等效电阻和电感，有图2所示等效电路，根据基尔霍夫定律，可以列出如下方程:
2-2
解上述方程组可得到
及
进而可以求得线圈在受到导体影响之后的等效阻为
+
-
]2-3
同时可以得到线圈的等效电感为：
L=
2-4
比较
与
两式可知，由于涡流的作用，使阻抗的实部（电阻）增大，而虚部部分等效电感是增大还是减小，这主要由金属导体材料而定。
所以等效电感
将减小;
当金属材料为磁性材料时，由于导体被磁化使
也增大，而增大得比L中的第二项增多得多，因此的等效电感L将增大。
由（4）式也可得到线圈的品质因素Q为：
Q=
2-5
式中
为无导体影响时线圈的Q值；
为导体中产生的电涡流的阻抗。
综上所述，根据电涡流传感器的基本原理，可以有三个不同的输出量，即L、Q、Z。
虽然他们之间是相互联系的，但是采用不同的测量电路，可以反应Q的变化、L的变化、Z的变化。
这里我们设计关于L的变化的测量电路，变换为位移X和电感L之间的关系。
4.测量系统硬件平台设计与实现
为了对传感器的输入输出关系进行校准和为进一步改进性能提供依据，本课题利用一个专门设计的固高运动控制测试台和测量电路组成的数据采集与处理系统对电涡流传感器进行校准，并采用最佳特性曲线分段拟合的新方法进行数据处理。
我们设计的测量系统分为两部分:
硬件部分和软件部分。
硬件部分有运动控制台部分、系统硬件电路部分、电源部分等。
下面首先对测量系统的硬件部分设计加以叙述。
4.1运动控制台的设计
测量系统中我们对位移的变化需要运动精度很高的控制台。
这里我们选择固高科技运动控制测试台，其结构原理图如图4-1所示：
图4-1固高测量控制台原理图
GXY系列工作台集成有4轴运动控制器、电机及其驱动、电控箱、运动平台等部件。
各部件全部设计成相对独立的模块，便于面向不同实验进行重组。
控制装置由PC机、GT-400-SV运动控制卡和相应驱动器等组成。
运动控制卡接受PC机发出的位置和轨迹指令，进行规划处理，转化成伺服驱动器可以接受的指令格式，发给伺服驱动器，由伺服驱动器进行处理和放大，输出给执行装置。
执行装置根据驱动和控制精度的要求可以分别选用交流伺服电机，直流伺服电机和步进电机。
其中步进电机不需要反馈，用于实现开环控制；
步进电机可以直接用数字信号进行控制，与计算机的接口比较容易；
没有电刷，维护方便、寿命长；
启动、停止、正转、反转容易，基于上述优点和实验的需要，我们选步进电机作为驱动。
机械传动部分本身采用滚珠丝杠传动十字工作台，大大提高了控制精度。
这里我们把钢板作为测试平面，将其固定在测量台台体的左侧，将电涡流传感器固定在轴1所在的运动台，从而改变传感器和测试平面之间的距离。
4.2处理器的选型
4.2.1C8051F330的概述
C8051F330器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU,它的一些特征给我们进行信号的采集、数据的处理带来了方便，C8051F330的主要特征如下：
1.高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；
2.真正10位200ksps的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器：
3.硬件实现的SMBus/
C、增强型UART和增强型SPI串行接口5.8KB可在系统编程的FLASH存储器；
6.具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）；
7.17个端口I/O（容许5V输入）；
8.17个端口I/O（容许5V输入）。
其内部结构图如图4-2所示。
图4-2C8051F330内部结构图
对于C8051F330来说，其片内具有上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器，可以说是真正意义上的片上独立工作的芯片。
另外其片内的FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
其原理框图4-3所示：
图4-3C8051F330原理框图
4.2.2C8051F330系列的开发环境
C8051F330/1器件具有片内SiliconLabs2线（C2）接口调试电路，支持使用安装在最终应用系统中的产品器件进行非侵入式、全速的在系统调试。
开发套件C8051F330DK具有开发应用代码和对C8051F330/1MCU进行在系统调试所需要的全部硬件和软件。
开发套件中包括开发者工作室软件和调试器、一个集成的8051汇编器和一个RS-232转换到C2的串行适配器。
套件中还有一个目标应用板，上面有对应的MCU和一大块样机区域。
套件中还包括RS-232和C2电缆及一个墙装电源。
开发套件需要一个运行Windows95/98/Me/2000并有一个可用RS-232串口的计算机。
如图1.6所示，PC机通过RS-232与串行适配器连接。
一条六英寸的扁平电缆将串行适配器和用户的应用板连接起来，使用2个C2引脚和VDD及GND。
串行适配器从应用板获取其电源。
对于不能从目标板上提取足够电源的应用，可以将套件中提供的电源直接连到串行适配器上。
4.3系统的硬件电路设计
4.3.1测量电路的基本原理
根据电涡流测量的基本原理和等效电路，传感器线圈与被测金属间距离的变化可以变换为线圈的品质因素Q、等效阻抗Z和等效电感L这些参数的变化。
因此，这里测量电路的任务是把这些参数的变化变换为电压或频率的变化。
基本可以用三种类型的测量电路：
（1）电桥电路；
（2）谐振电路；
（3）正反馈电路。
这里我们考虑采用基于LC谐振的谐振电路，把输出的电感信号转换成脉冲频率信号。
采用谐振电路传感器电路结构简单，可直接输出脉冲频率信号，它的测量和输出可直接应用于数字技术，易与单片机接口，具有精度高、抗干扰能力强等优点。
但是通常认为谐振电路稳定性差，对实验的频率计数带来误差，使实验的测量精度受到一定的影响。
在我们设计的电路中，提高频率的稳定性是我们必须要解决的问题。
本文设计的涡流式传感器的测量电路采用谐振电路，首先把制作好的双层线圈作为LC振荡回路的电感，使电感线圈L和电容C组成并联谐振电路。
在其谐振回路之中，其振幅频率为f=
。
当电路加电时，LC振荡电路产生高频脉冲信号，这里的高频正脉冲信号近似与方波，当被测物体（如钢板）距离δ发生变化时，传感器线圈阻抗Z随间隙δ的变化而变化，LC回路失谐，输出信号工作频率f随δ而变化。
输出的频率信号在通过CD4069反相器变为标准的方波信号,但是这里的方波信号的输出频率一般接近2MHz左右，过高的频率给后续的单片机采样完整性带来了困难，所以我们在采用CD4060分频器进行分频，就可以获得单片机能快速响应的频率，之后通过C8051F330进行频率-距离转换，在频率-距离转换中我们采用对C8051F330进行C语言编程，这里我们在后续的章节介绍。
如下图4-4所示：
4.3.2方波产生电路
在测量电路中，通过LC振荡回路产生的脉冲信号，经CD4069反相器后得到的方波的频率大概是2MHZ左右，方波的产生电路如图4所示。
图4-5方波产生电路
上述电路中产生的2MHZ的方波，此频率作为单片机输入信号不易于控制，因为过高的频率会影响单片机的反应速度，将会对传感器的灵敏度带来一定的影响。
在通过CD4060分频后（32分频）可产生大约62.5KHZ的方波，此时的方波信号经过C8051F330的数字I/O端口P0.4输入，C8051F330内部16位的定时/计数器开始计数。
4.3.3信号放大电路
信号放大电路是指用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路。
在许多场合下，传感器输出的弱信号包含有低频、静电和电磁耦合等干扰信号，且有时是完全同相的共模干扰。
虽然运算放大器对接入到差动端的共模信号有较强的抑制能力，但对简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构不对称，抗共模干扰的能力很差，故不能用在精密测量场合。
因此，在这里我们使用LM358双运算放大器，对于LM358双运算放大器来说，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
经过C8051F330中转换后电流的范围是0-2mA,进入LM358之前通过1K的电阻将其转化电压的变化，其变化的范围是0-5V，这里的LM358双运算放大器采用同相输入，其一级放大倍数的计算公式为:
4-1
放大后的电压范围为0-5V。
其二级的放大器一般看作电压跟随器，其放大倍数的计算公式为：
当
时4
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