低频电涡流传感器测量电路设计.docx

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低频电涡流传感器测量电路设计

摘要

随着现代科学技术的迅猛发展，现今在工业生产中所运用钢板测厚的方法有各种各样，本篇论文简要的介绍了这些方法，并且设计了一个电路通过低频电涡流传感器来实行测量钢板厚度。

通过本篇论文，让我们知道了电涡流传感器基本原理和优点，并且详细介绍了低频电涡流传感器原理、ADC模-数转换原理、运放的原理和单片机的原理和作用。

并且简要的介绍了电路设计中所要用到的ADC、运放（op07和ICL7650）和单片机MSP430F149。

关键词：

电涡流传感器，op07运放，ICL7650运放，MSP430F149单片机

THEDESIGNOFSTEELPLATETHICKNESSONLINEMEASURINGSYSTEMBASEDONEDDYCURRENT

ABSTRACT

Withthedevelopingofmodernscienceandtechnologyrapidly.Therearesomanysteelplatethicknessonlinemeasuringsystemintheindustry.Thispaperintroducestheoneofsystemwhichiseddycurrentsensorinonlinethicknessmeasurementforsteelplateintheproducingindustry.

Andintroducestheapplicationofeddycurrentsensorinonlinethicknessmeasurementforsteelplate,designofadaptingsystem,andbrieflydescribesthestructureofsingle-chipcomputersystem（MSP430F149SCM）,ADCsystemandOPAMP（op07，ICL7650）whichmakethedatainmydesign

Keywords:

eddycurrentsensor，op07，ICL7650，MSP430F149SCM

第1章:

绪论

1.1非电量电测技术

在科学技术的发展过程中，一些研究成果，必须通过实验来证实它的结果，这就需要有一定的测量手段来完成；在工业生产过程中，为了保证能正常、高效率的生产，也要有一定的测量手段进行检查或监视，这些测量手段就是仪器仪表。

中国有句古话：

“工欲善其事，必先利其器”，用这句话来说明仪器仪表在科学技术中的重要性是很恰当的，所谓“事”，就是指现代化科学技术，而“器”则是指仪器仪表、工具等。

所以说现代化的仪器仪表室科学实践和生产实践的必要手段，它的水平高低，也是科学技术现代化的重要标志，没有现代化得仪器仪表，要发展国名经济是会有一定困难的。

近二、三十年来，由于电子技术的飞速发展，对电量的测量技术相应地得到提高，如准确度高、灵敏度高、反应速度快、能连续进行测量、便于自动记录等。

可是在科学技术和工程上所要测量的参数大多为非电量，如机械量（位移、尺寸、力、振动、速度等），热工量（温度、压力、流量、物位等），成分量（化学成分、浓度等）和状态量（颜色、透明度、磨损量、裂纹等），因而促使人们研究用电测的方法来测量非电量，这样就形成了一门叫做“非电量电测技术”的测试技术。

1.2非电量电测系统的组成

作为一个完整的非电量电测系统，也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个部分。

一般包括传感器、测量电路、放大电路、指示器、记录仪等几部分组成。

传感器是一个把被测的非电量变换成电量的装置，它在非电量电测系统中占有重要的位置。

它获得信息的正确与否，关系到整个测量系统的精度，如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大电路、指示仪等的精度再高也将难以提高测量系统的精度。

测量电路的作用是把传感器的输出变量变成电压或电流信号，使能在指示仪上指示或在记录仪中记录。

1.3非电量电测技术的发展趋势

非电量电测技术虽然已经得到广泛的应用，但是随着现代科学技术的发展，对它提出了越来越高的要求，应测得到了迅速的发展。

当前出了不断提高性能、可靠性外，总的趋向是小型化、智能化、图像化、无接触化、多功能化、具体说，有以下几个方面。

a）不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。

b）开发传感器的新型敏感元件材料

c）微电子技术、微处理器与传感器结合，使仪器智能化。

d）研究多维化、多功能化的仪器。

、

e）研究无接触测量技术。

f）研究新型原理的传感器。

1.4测量钢板厚度方法介绍

随着测量技术不断的发展，测量钢板厚度的方法也多种多样，下面让我们具体来来介绍下现今工业中常用的几种方法。

1.4.1超声波测厚仪

超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。

按此原理设计的测厚仪可对各种板材和各种加工零件作精确测量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。

可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。

1.4.2磁吸力测量原理及测厚仪

永久磁铁（测头）与导磁钢材之间的吸力大小与处于这两者之间的距离成一定比例关系，这个距离就是覆层的厚度。

利用这一原理制成测厚仪，只要覆层与基材的导磁率之差足够大，就可进行测量。

鉴于大多数工业品采用结构钢和热轧冷轧钢板冲压成型，所以磁性测厚仪应用最广。

测厚仪基本结构由磁钢，接力簧，标尺及自停机构组成。

磁钢与被测物吸合后，将测量簧在其后逐渐拉长，拉力逐渐增大。

当拉力刚好大于吸力，磁钢脱离的一瞬间记录下拉力的大小即可获得覆层厚度。

新型的产品可以自动完成这一记录过程。

不同的型号有不同的量程与适用场合。

这种仪器的特点是操作简便、坚固耐用、不用电源，测量前无须校准，价格也较低，很适合车间做现场质量控制。

1.4.3磁感应测量原理

采用磁感应原理时，利用从测头经过非铁磁覆层而流入铁磁基体的磁通的大小，来测定覆层厚度。

也可以测定与之对应的磁阻的大小，来表示其覆层厚度。

覆层越厚，则磁阻越大，磁通越小。

利用磁感应原理的测厚仪 ，原则上可以有导磁基体上的非导磁覆层厚度。

一般要求基材导磁率在500以上。

如果覆层材料也有磁性，则要求与基材的导磁率之差足够大（如钢上镀镍）。

当软芯上绕着线圈的测头放在被测样本上时，仪器自动输出测试电流或测试信号。

早期的产品采用指针式表头，测量感应电动势的大小，仪器将该信号放大后来指示覆层厚度。

近年来的电路设计引入稳频、锁相、温度补偿等地新技术，利用磁阻来调制测量信号。

还采用专利设计的集成电路，引入微机，使测量精度和重现性有了大幅度的提高（几乎达一个数量级）。

现代的磁感应测厚仪，分辨率达到0.1um，允许误差达1%，量程达10mm。

磁性原理测厚仪可应用来精确测量钢铁表面的油漆层，瓷、搪瓷防护层，塑料、橡胶覆层，包括镍铬在内的各种有色金属电镀层，以及化工石油待业的各种防腐涂层

1.4.4电涡流式传感器

我们知道，通过金属导体中的磁通发生变化时，就会在导体中产生感应电流，这种电流的流线在金属体内自行闭合，通常就称它为电涡流。

电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，电涡流式传感器就是基于这种电涡流效应。

这种传感器不但具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响，结构简单，安装方便等特点，而且又具有非接触测量的优点。

本论文将重点介绍电涡流式传感器测量钢板厚度的原理和测量方法。

第2章电涡流传感器相关技术和测厚基本原理

在金属板材的轧制过程中，成品的厚度是最重要的物理指标之一，目前"国内的钢铁和有色金属行业多采用非接触式的测厚系统，如射线式、电容式等等，其中"射线测厚系统有一定的应用"，但其存在着射线管的老化和易损问题，高压发生器的准确度和稳定性以及整套设备造价过于昂贵，而电容式测厚系统则受引线电容、寄生电容的干扰较大，不易消除。

建立在电涡流效应原理上的测量技术具有结构简单，频率响应带宽，灵敏度高，线性范围大，体积小等优点，在这里我们将设计一个低频电涡流传感器测试厚度的测量电路。

2.1电涡流传感器基本原理

在图2-1中，如果有一块电导体率为ρ、磁导率为μ、厚度为t、温度为T的金属板，离此金属板x处有一个半径为r的线圈，当线圈中通以正弦交变电流时，线圈的周围空间就产生了正弦交变磁场H1。

此时，置于次磁场中的金属板中将产生感应电动势，从而形成电涡流。

这个电涡流必然引起线圈的阻抗Z变化，它的作用过程可以用图2-2的麦克斯韦电磁方程式流程图来表示。

图2-1电涡流作用原理

图2-2麦克斯韦电磁方程式流程图

显然，线圈阻抗的变化即与电涡流效应有关，又与静磁学效应有关。

也就是说，与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。

假定金属导体是均质的，其性能是线性和各向同性的，则线圈---金属导体系统的物理性质通常可由磁导率μ、电导率ρ、尺寸因子r、t及x、激励电流I和频率ω等参数来描述，线圈的阻抗Z可用如下函数表示：

Ｚ＝Ｆ（ρ，σ，ｒ，ｘ，ｔ，Ｉ，ω）

如果控制上式中的某些参数恒定不变，而只改变其中的一个参数，这样阻抗就成为这个参数的单值函数。

特别是在ρ、σ、ｒ、ｘ、ｔ、Ｉ、ω恒定不变时，阻抗Ｚ就成为距离Ｘ的单值函数。

因此，电涡流式传感器完整地看应是一个载流线圈加上金属半导体。

2.2电涡流传感器的等效电路

要精确地列出线圈阻抗与线圈到被测体距离等参数之间的函数关系是比较困难。

我们可以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。

这样可以得到图2-3所示的等效电路图。

线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数M，次互感系数随着间距X的缩短而增大。

图中R1和L1为线圈的电阻和电感，R2和L2为金属导体的电阻和电感，U为激励电压。

图2-3

根据克希霍夫定律，可列出下面的方程：

（2-1）

（2-2）

（2-3）

传感器线圈的等效阻抗为：

（2-4）

线圈的等效电阻和电感为：

（2-5）

当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q变化，测量Z、L或Q就可求出被测量参数的变化。

2.3涡流传感器的种类

电涡流在金属导体内的渗透深度为:

（2-6）

说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。

故电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。

目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。

2.3.1高频反射式电涡流传感器

高频（>lMHz）激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。

与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。

线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i及角频率ω等有关，若只改变距离δ而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。

图2-4

根据等效电路，可列出电路方程组为

（2-7）

（2-8）

（2-9）

等效电阻（2-10）

等效电感（2-11）

线圈的品质因数由无涡流时的下降为

（2-12）

由此可见，被测量数变化可以转换成传感器线圈的等效阻抗Z、等效电感L及品质因素Q等的变化。

通过转换电路可把这些种参数转换为电压或电流输出。

高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。

此线圈可粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。

下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。

1—线圈；2—框架；3—框架衬套；4—支架；5—电缆；6—插头

图2-5传感器的结构示意图

高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场φi，当被测导体靠近时，在磁场作用范围的导体表层产生电涡流ie，而电涡流又将产生一交变磁场φe阻碍外磁场的变化。

在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。

能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。

这便是电涡流传感器的基本原理。

2.3.2低频透射式电涡流传感器

图2-6

发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。

由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频（音频范围）电压u1加到线圈L1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板,使线圈L2产生感应电动势u2。

但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势u2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势u2越小。

因此，u2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关.试验表明u2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,因此，若金属板材料的性质一定，则利用u2的变化即可测厚度。

2.4低频电涡流传感器测厚设计

根据低频电涡流传感器的工作原理得知金属体上的电涡流贯穿深度t与床干起线圈激励电流的频率有关。

频率越低，贯穿深度越厚。

因此，采用低频电流激励时，可以测量金属体的厚度。

要生成1KHz低频，把电涡流传感器作为振荡的一个主要元件,将传感器线圈与固定电容并联组成LC并联谐振回路,其振荡频率

（2-13）

图2-7

上图为1KHz（取电容为320pF、电感为80uF）低频电涡流测厚仪的简单电路设计，图中L1为发射线圈和C1产生1KHz震荡，L2为接受线圈。

被测材料D的厚度不同时，L1所产生的低频交变磁场能贯穿钢板与L2想耦合的磁通量也不同。

当激励频率f（1KHz）,L1、L2的圈数、结构以及它们的相对位置一定时，线圈L2上产生的感应电动势U2大小就与被测材料厚度d成反比。

图2-8

上图是感应电动势u2与钢板厚度的曲线图，有图得知：

●频率越低（f1＜f2＜f3）磁通穿透能力越强，在接受线圈上感应的电压u2也越高，且频率较低时，线性较好，因此要求线性好时应选择较低的激励频率（通常为1kHz左右）

●d较小时，f3曲线的斜率较大，因此测薄板时应选较高的激磁频率，测厚板时应选较低的激磁频率。

●低频透射式涡流传感器的检测范围可达1mm～100mm，分辨率为0.1。

第3章信号采集设计

当钢板厚度的不同，低频电涡流接收线圈产生的感应电动势也会有相应变化，我们可以通过放大电路、ADC和单片机处理来读取变化，来得出实际所测钢板的厚度。

图3-1结构图

3.1放大电路原理

放大电路的应用十分广泛，无论日常使用的收音机、扩音器，或者精密的量测仪器和复杂的自动控制系统等，其中通常都有各种各样的放大电路。

在这些电子设备中，放大电路的作用是将微弱的信号放大，以便于人们量测和利用。

例如，从收音机天线接收到的信号，或者人传感器得到的信号，有时只有微伏升毫伏数量级，必须经过放大才能驱动喇叭发出声音，或者驱动批示设备和执行机构，便于进行观察、记录和控制。

所谓放大，表面看来是将信号的幅度由小增大，但是在电子技术中，放大的本质首先是实现能量的控制。

由于输入信号（例如从天线或传感器得到的信号）的能量过于微弱，不足以推动负载（例如喇叭或批示仪表、执行机构），因此需要在放大电路中加另外提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出圈套的能量，然后推动负载。

这种小能量对大能量的控制作用就是放大作用。

3.2集成运算放大器

集成电路（integratedcircuit,IC）是采用一定的工艺，把电路中所需要的管子、电阻、、电容等元器件及电路的连线都集成制作在一块半导体基片上，再封装在一个管壳内，成为具有所需功能的模块。

自60年代集成电路发展以来，被获得广泛地应用、集成电路按性能和用途的不同，可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类、集成运算放大器（integratedoperationalamplifier）是属于模拟集成电路的一种。

图3-2理想运放的图形符号

按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。

　　1．通用型运算放大器

　　通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。

这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。

　　2．高阻型运算放大器

　　这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid＞1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。

实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。

用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。

　　3．低温漂型运算放大器

　　在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。

低温漂型运算放大器就是为此而设计的。

　　4．高速型运算放大器

　　在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。

高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。

　　5．低功耗型运算放大器

　　由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。

6．高压大功率型运算放大器

　　运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。

在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。

若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。

高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。

　　7.可编程控制运算放大器

在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题。

为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数。

而运放放大器的主要参数可分为：

　　1.共模输入电阻（RINCM）

　　该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。

　　2.直流共模抑制（CMRDC）

　　该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。

　　3.交流共模抑制（CMRAC）

　　CMRAC用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。

　　4.增益带宽积（GBW）

　　增益带宽积AOL*ƒ是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。

　　5.输入偏置电流（IB）

　　该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。

　　6.输入偏置电流温漂（TCIB）

　　该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。

TCIB通常以pA/°C为单位表示。

　　7.输入失调电流（IOS）

　　该参数是指流入两个输入端的电流之差。

　　8.输入失调电流温漂（TCIOS）

　　该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。

TCIOS通常以pA/°C为单位表示。

　　9.差模输入电阻（RIN）

　　该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。

在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。

　　10.输出阻抗（ZO）

　　该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。

　　11.输出电压摆幅（VO）

　　该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，VO一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。

　　12.功耗（Pd）

　　表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，Pd通常定义在空载情况下。

　　13.电源抑制比（PSRR）

　　该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，PSRR通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。

　　14.转换速率/压摆率（SR）

　　该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。

SR通常以V/µs为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。

　　15.电源电流（ICC、IDD）

　　该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。

　　16.单位增益带宽（BW）

　　该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。

　　17.输入失调电压（VOS）

　　该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。

　　18.输入失调电压温漂（TCVOS）

　　该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以µV/°C为单位表示。

　　19.输入电容（CIN）

　　CIN表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容（另一输入端接地）。

　　20.输入电压范围（VIN）

　　该参数指运算放大器正常工作（可获得预期结果）时，所允许的输入电压的范围，VIN通常定义在指定的电源电压下。

　　21.输入电压噪声密度（eN）

　　对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源，eN通常以nV/根号Hz为单位表示，定义在指定频率。

　　22.输入电流噪声密度（iN）

　　对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以pA/根号Hz为单位表示，定义在指定频率。

3.2.1ICL7650斩波稳零运算放大器

ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。

1.芯片结构

　　ICL7650采用14脚双列直插式和8脚金属壳两种封装形式。

图3-3ICL7650的引脚排列图

图3-3所示是最常用的14脚双列直插式封装的引脚排列图。

各引脚的功能说明如下：

   CEXTB：

外接电容CEXTB；

    CEXTA：

外接电容CEXTA；

   －IN：

反相输入端；

   ＋IN：

同相输入端；

   V－：

负电源端；

   CRETN：

CEXTA和CEXTB的公共端；

　　OUTCLAMP：

箝位端；

   OUTPUT：

输出端；

   V＋：

正电源端；

   INTCLKOUT：

时钟输出端；

   EXTCLKIN：

时钟输入端；

时钟控制端，可通过该端选择使用内部时钟或外部时钟。

当选择外部时钟时，该端接负电源端（V－），并在时钟输入端（EXTCLKIN）引入外部时钟信号。

当该端开路或接V＋时，电路将使用内部时钟去控制其它电路的工作。

2.工作原理

ICL7650利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移,从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚,克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点。

ICL7650的工作原理