本發(fā)明屬于電渦流位移傳感器領(lǐng)域，涉及一種高溫電渦流位移傳感器檢測電路及其溫漂補償方法，使之能夠根據(jù)不同溫度產(chǎn)生的溫漂現(xiàn)象，通過分級化補償?shù)姆椒ㄗ詣痈S溫度分級補償，隨后再通過兩路差動的方法二次消除誤差，實現(xiàn)高精準高溫測量。

背景技術(shù)：

電渦流位移傳感器作為一種非接觸、測量范圍大、分辨率高、反應(yīng)速度快的位移測量方式被廣泛的應(yīng)用。普通的電渦流電路主要是由探頭和信號處理電路兩部分構(gòu)成。其中探頭主要是由漆包線線圈和線圈骨架組成，溫度信號處理電路主要是由振蕩電路、檢波電路和濾波電路組成。

在高溫環(huán)境下，由于普通的電渦流位移傳感器其探頭線圈所自帶的阻抗會隨著溫度的變化而變化，進而導(dǎo)致輸出結(jié)果變化，即出現(xiàn)了溫漂現(xiàn)象，如圖6所示；與此同時，物體的導(dǎo)熱系數(shù)不同，相同的時間內(nèi)會產(chǎn)生不同的溫升結(jié)果，在空間內(nèi)存在被測物溫度與環(huán)境溫度之間的溫度滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致測量時在同一環(huán)境溫度下產(chǎn)生測量誤差，稱之為時漂現(xiàn)象，如圖7所示。這將導(dǎo)致測量精度變低，高溫環(huán)境下會直接導(dǎo)致測量失真。雖然可以通過采用在被測物體相反方向上的兩路位移傳感器做差動的方法消除溫漂，但是由于電感的線圈纏繞方式等因素的不同，會出現(xiàn)在相同溫升環(huán)境下阻抗變化不同的現(xiàn)象，進而影響到兩路檢測電路的差動結(jié)果，影響輸出的精度值。

電渦流位移傳感器分為三種類型，即定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式和調(diào)頻式。不同的方式會有不同的諧振量。針對溫漂的補償方法主要有三種方式。第一種，通過在傳感器探頭線圈增加補償環(huán)節(jié)，進而抑制溫漂對線圈阻抗的影響；第二種，通過在探頭外加入特殊材料，降低高溫對傳感器探頭電氣參數(shù)的影響；第三種，通過在信號處理電路中增加相應(yīng)的補償電路實現(xiàn)對溫漂的補償。

本發(fā)明與專利cn200710077238.3、專利cn201520168073.1都實現(xiàn)了高溫環(huán)境下的位移測量，與其區(qū)別在于本發(fā)明采用調(diào)頻調(diào)幅式電路，其中振蕩電路選用lc選頻網(wǎng)絡(luò)，傳感器電感l(wèi)產(chǎn)生調(diào)制信號與載波信號，電路原理相對更加復(fù)雜，測量精度也會更高，而專利cn200710077238.3電感l(wèi)只產(chǎn)生調(diào)整信號的位移信息，且不能消除因?qū)嵯禂?shù)不同引起“時漂誤差”的現(xiàn)象；專利cn200710077238.3利用熱敏電阻實現(xiàn)對溫度上的閉環(huán)操作，僅僅能消除穩(wěn)態(tài)下的溫度漂移現(xiàn)象，但是也不能消除“時漂誤差”，而本發(fā)明不僅設(shè)計了溫度閉環(huán)補償，同時設(shè)計了兩路測量信號做差動的方式，能夠消除“時漂現(xiàn)象”。

目前在市場中，產(chǎn)品的測量范圍在-30℃-175℃之間，未有適用于在高溫350℃環(huán)境的位移測量傳感器成型產(chǎn)品。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高溫非接觸式電渦流位移傳感器的設(shè)計，使其能夠在高溫350℃的環(huán)境中工作。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種高溫自跟隨分級補償?shù)牟顒幼冾l調(diào)幅式電渦流位移傳感器，主要由探頭、溫度感應(yīng)分級電路和信號處理電路三部分構(gòu)成，其中探頭主要是由高溫漆包線線圈、高溫膠和陶瓷線圈骨架組成，溫度信號處理電路主要是由振蕩電路、檢波電路、濾波器、三級線性度補償電路和兩路信號差動電路組成，溫度感應(yīng)信號分級電路主要有熱敏電阻、fpga和模擬開關(guān)電路組成，其中振蕩電路負責載波信號的產(chǎn)生，采用變頻調(diào)幅電路，選用lc振蕩網(wǎng)絡(luò)，電感l(wèi)負責能量振蕩的同時負責攜帶調(diào)制信號，調(diào)制信號包含在載波信號的峰值信號內(nèi)；檢波電路負責獲取振蕩電路產(chǎn)生的載波信號的峰值信號，由二極管和電容組成；三級線性補償電路負責根據(jù)不同的溫度選擇不同的補償電路，由fpga和模擬開關(guān)實現(xiàn)補償探頭線圈引起的溫漂現(xiàn)象；經(jīng)過溫度補償后的信號經(jīng)過差動電路來抵消掉時漂現(xiàn)象引起的測量誤差。

其中，檢測時，探頭電感l(wèi)會隨位移量發(fā)生變化，通過振蕩電路、峰值檢波電路、分級補償電路、基于fpga的自動選擇分級補償電路和差動電路實現(xiàn)。

其中，采用了分級補償?shù)脑O(shè)計思想，其具體實施過程如下：

首先，采集到在未經(jīng)過補償情況下電渦流位移傳感器單路的溫漂情況，即傳感器的位移-電壓特性曲線；然后，對照熱敏電阻pt100的溫度-阻值表，設(shè)計溫度采集電路，并根據(jù)不同溫度下溫漂情況計算斜率偏差和幅值偏差變化情況，設(shè)計不同的阻值配比，擬合熱敏電阻變化情況補償斜率偏差、幅值偏差的變化情況，設(shè)計多級溫漂補償電路；最后，根據(jù)在傳感器探頭環(huán)境中的熱敏電阻所采集到的信息，fpga控制模擬開關(guān)電路選擇不同等級的溫漂補償電路，進而實現(xiàn)傳感器的自動分級補償。

其中，采用了差動式消除誤差的方法，將被測物運動方向上在兩個相反的方向采集到的位移信息做差，能夠?qū)崿F(xiàn)消除兩個傳感器電路中時漂干擾。

其中，在每一級補償?shù)男甭收{(diào)節(jié)和幅值調(diào)節(jié)上引入熱敏電阻，使之其補償電路在溫度變化的過程中能夠更靈活的補償其位移-電壓的變化。

其中，探頭使用陶瓷鍛造而成，可耐1000℃高溫；其漆包線采用聚酰亞胺作為絕緣材料，線寬0.09mm，線圈外由高溫膠水固定，選用tx500高溫膠，防止聚酰亞胺在高溫環(huán)境下的脆化現(xiàn)象引起絕緣性變差；同軸電纜選用f46作為絕緣材料，作為連接高溫環(huán)境中的探頭與常溫環(huán)境中的信號處理電路，探頭處與同軸電纜的連接由高溫焊錫固定。

本發(fā)明的原理在于：一種高溫自跟隨分級補償?shù)牟顒幼冾l調(diào)幅式電渦流位移傳感器，主要由探頭、溫度感應(yīng)分級模塊和信號處理電路三部分構(gòu)成，其中探頭主要是由高溫漆包線線圈、高溫膠和陶瓷線圈骨架組成，溫度信號處理電路主要是由振蕩電路、檢波電路、濾波器、三級線性度補償電路和兩路信號差動電路組成，溫度感應(yīng)信號分級模塊主要有熱敏電阻、fpga和模擬開關(guān)電路組成，包括：

a.探頭的設(shè)計中線圈骨架選用陶瓷材料制成，漆包線選用高溫漆包線，漆包線采用聚酰亞胺作為絕緣材料，線寬0.09mm，線圈外由高溫膠水固定，選用tx500高溫膠；

b.傳感器的信號處理電路包括三路調(diào)幅電路、調(diào)偏電路和反相加法器電路。以第一級為例，調(diào)幅電路主要有電阻r9和熱敏電阻res_sensor1.1組成串聯(lián)分壓電路，經(jīng)運放器uap3a設(shè)計成的電壓跟隨器后與由r16、r20、r22、r23和熱敏電阻res_sensor1.2組成的調(diào)偏電路反相相加而生成最終的輸出信號。

c.信號分級模塊包括熱敏電阻、fpga和isl43640ir模擬開關(guān)，其中熱敏電阻與fpga皆外置，未在電路圖中顯示。利用熱敏電阻作為環(huán)境溫度傳感器，其采集的溫度信息通過模擬-數(shù)字(ad)模塊傳送給fpga，fpga得到溫度后通過控制模擬開關(guān)電路實現(xiàn)對線路的開斷，進而實現(xiàn)對傳感器采集到信號的在不同溫度下的分級溫漂補償；

d.補償電路，其補償電路由三級類似的電路組成，每一級又主要由反相放大電路構(gòu)成的調(diào)斜率電路及調(diào)偏電路組成，如圖9所示，幅值變化衰減為指數(shù)型衰減，將指數(shù)型衰減分三段線性化，即30℃～150℃、150℃～250℃、250℃～350℃三段補償電路構(gòu)成，由fpga根據(jù)不同的溫度自動選擇補償電路；

e.差動法探頭位置：探頭a和探頭b在同一水平面上，被測物可在探頭a和探頭b之間運動，探頭a和探頭b同時測量被測物的位置；

f.差動電路：探頭a路和探頭b路所在檢測電路在檢測同一位移距離下通過人工標定的方式都標定電壓范圍為[x,y](x>y)，通過上述d的描述，可以確定測量同一物體在經(jīng)過差動后的結(jié)果范圍是[x-y,y-x]。實驗中標定值為[2v,4v]，兩路信號做差動之后的結(jié)果為[-2v,+2v]，利用5v的升壓模塊，將檢測結(jié)果升壓為[3v,7v]的線性檢測范圍。

g.設(shè)計的fpga程序邏輯：通過熱電阻采集溫度信息，然后fpga根據(jù)不同的電阻采取不同的動作后選用不同的電路網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)線路的分級補償。

本發(fā)明采用的是變頻調(diào)幅式檢測電路，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出特點和技術(shù)進步：該傳感器可工作在30℃-350℃范圍內(nèi)實現(xiàn)位移測量，在對溫漂現(xiàn)象進行補償時，提出了一種全新的方法進行溫漂補償——利用熱敏電阻作為溫度傳感器檢測溫度和補償電路中的靈敏電阻，根據(jù)不同溫度相應(yīng)的設(shè)計三個等級的線性補償，同時利用在補償環(huán)節(jié)添加的熱敏電阻實現(xiàn)在相同溫度等級下，小溫度范圍內(nèi)的自跟隨線性補償，最后通過被檢測物相反運動方向的兩路檢測結(jié)果做差動實現(xiàn)更加精準的位移測量，達到最大限度降低測量誤差的效果，從而能夠使該傳感器在高溫磁懸浮軸承中應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明傳感器的探頭結(jié)構(gòu)圖，其中，1為陶瓷制成的探頭繞線骨架，2為高溫漆包線，3為探頭螺母固定處；

圖2為本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明傳感器的電路示意圖；

圖4為本發(fā)明采用差動法的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，4為傳感器探頭a，5為傳感器探頭b，6為被測物體；

圖5為本發(fā)明的fpga編程控制邏輯圖；

圖6為本發(fā)明傳感器未補償前的溫漂現(xiàn)象圖；

圖7為本發(fā)明傳感器未補償前的時漂現(xiàn)象圖；

圖8為本發(fā)明傳感器的溫漂坡度變化率；

圖9為本發(fā)明傳感器的溫漂幅度變化率。

具體實施方式

請參閱附圖所示，以a路為例(其中a路與b路電路實施方式完全相同)，對本發(fā)明作進一步的描述。

本發(fā)明提供了一種高溫自跟隨分級補償?shù)牟顒幼冾l調(diào)幅式電渦流位移傳感器，其探頭部分如圖1所示，主要包括繞線骨架、高溫漆包線。其中高溫漆包線采用聚酰亞胺作為絕緣材料，可耐受350℃，線圈外由高溫膠水固定，選用tx500高溫膠。同軸電纜選用f46作為外層絕緣材料，由高溫焊錫固定與探頭線圈連接處。

傳感器工作過程如圖2和圖3所示，通過由振蕩電路(圖3中部分(1))產(chǎn)生正弦波振蕩信號，其頻率與幅值與傳感器探頭的電感l(wèi)有關(guān)。通過調(diào)節(jié)電路圖中滑動變阻器radj1，振蕩正弦波函數(shù)幅值為12v，振蕩頻率為1.4mhz，后通過圖3中部分(2)中的包絡(luò)檢波電路，實現(xiàn)正弦波函數(shù)峰值檢波，實現(xiàn)位置信號的提取。

本發(fā)明通過利用熱敏電阻、fpga控制器、模擬電路選擇器實現(xiàn)自動對電路分級補償。如圖3中部分(3)所示，利用高靈敏度電位器，將熱敏電阻pt100的輸出電壓調(diào)節(jié)為fpga的模-數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可接受的范圍之內(nèi)，然后通過jt口連接至fpga，fpga根據(jù)所得溫度，經(jīng)由圖5所示的邏輯控制流程圖的程序選擇合適的補償電路，控制模擬開關(guān)isl43640ir中的電路開斷，實現(xiàn)根據(jù)不同電路對補償電路的選擇。

本發(fā)明所提供的補償電路必須在知道未經(jīng)補償下傳感器在高溫環(huán)境下所導(dǎo)致的實驗偏差數(shù)據(jù)后，才能配置出相應(yīng)的三級補償電路。

根據(jù)大量的實驗結(jié)果，在對數(shù)據(jù)分析，溫度對測量結(jié)果影響后，在圖3中部分(4)所示的電路中配置相應(yīng)的電路。以補償電路a為例(補償電路a,b,c,d類似)，本發(fā)明的補償電路公式為：

其中，res_sensor1.1和res_sensor1.2為熱敏電阻，r9、r20、r22、r23皆為滑動變阻器，上式中，x為峰值檢波后的電壓值，經(jīng)過上式之后的補償可以實現(xiàn)對電壓值的補償，即v為輸出電壓。

由于傳感器的探頭在纏繞線圈時會存在差異，高溫環(huán)境下不同線圈的溫漂不同，在未補償情況下的兩路檢測結(jié)果差動后存在一定偏差。因此，在經(jīng)過上述補償后的a、b兩路檢測結(jié)果再進行差動化，能抵消去中間存在的時漂誤差和相同的擾動因素，即va-vb的結(jié)果誤差會更小。

如圖3中部分(5)所示差動電路的電路圖，其中兩路lm117t變壓在運放器5端口輸入前上拉5v電壓，實現(xiàn)電壓拉正，在發(fā)明內(nèi)容f中提及到本發(fā)明差動電路結(jié)果設(shè)為-2v～2v，上拉5v之后，電壓以3v～7v電壓為輸出。

如圖4所示，差動法的檢測結(jié)構(gòu)圖所示，a、b探頭在同一水平位置，a、b探頭纏繞方式相同，要求a路b路兩路在同一檢測范圍下，在30℃～350℃環(huán)境下補償后輸出電壓相同。

需注意，由于a路檢測電路與b路檢測電路一致，圖3電路示意圖只畫出來了a路的檢測電路圖及差動電路圖，但其b電路的方案均應(yīng)在本發(fā)明技術(shù)方案保護范圍內(nèi)。