CN113358015A - 一种电涡流位移传感器及拓展其线性范围的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电涡流位移传感器及拓展其线性范围的方法，所述电涡流位移传感器包括：LC振荡模块，用于发出振荡信号；MCU模块，用于采集ADC电压并输出DAC输出电压；峰值检波模块，用于将振荡信号与DAC输出电压比较得出脉冲方波形信号，并转换成直流电压输出；电源模块，用于给LC振荡模块、峰值检波模块和MCU模块供电。本发明提供的电涡流位移传感器及拓展其线性范围的方法能够达到实时监测目标物位置、检测距离远和线性区域变宽的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种电涡流位移传感器，具体涉及一种电涡流位移传感器及拓展其线性范围的方法。
背景技术
电涡流位移传感器的应用市场越来越大，在工业自动化中，传统的电涡流接近开关仅能提供开关量信号，并不能提供目标物的实时位置信息。随着自动化程度提高往智能化方向发展，实时监测目标物位置信息变得非常重要，因此准确的位置信息、较宽的测量范围、较好的温度特性、较高的分辨率是衡量电涡流位置传感器的重要指标。
现有的电涡流位移传感器的缺点是检测距离近，线性区域窄，检测距离近，其主要原因是电涡流位移传感器灵敏度整体偏低，同时还与信号检测方法有关，线性区域窄是因为LC振荡器产生电磁场随着目标物的靠近而被衰减，信号呈现非线性变化，近端灵敏度相对高远端灵敏度低。
发明内容
鉴于目前电涡流位移传感器存在的上述不足，本发明提供一种电涡流位移传感器及拓展其线性范围的方法，能够达到实时监测目标物位置、检测距离远和线性区域变宽的效果。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电涡流位移传感器，所述电涡流位移传感器包括：
LC振荡模块，用于发出振荡信号；
MCU模块，用于采集ADC电压并输出DAC输出电压；
峰值检波模块，用于将振荡信号与DAC输出电压比较得出脉冲方波形信号，并转换成直流电压输出；
电源模块，用于给LC振荡模块、峰值检波模块和MCU模块供电。
依照本发明的一个方面，所述电源模块为低功耗、高精度和低噪声的低压差线性稳压器。
依照本发明的一个方面，所述LC振荡模块为高精度低温漂阻容器件。
依照本发明的一个方面，所述电涡流位移传感器还包括热敏电阻。
本发明还公开了一种拓展电涡流位移传感器线性范围的方法，包括以下步骤：
由LC振荡模块发出振荡信号；
MCU模块采集并输出DAC输出电压；
峰值检波模块接收振荡信号和DAC输出电压并比较得出脉冲方波形信号，并转换成直流电压；
将直流电压与标准距离进行坐标拟合，构成DAC输出电压与距离的关系曲线；
通过拟合关系曲线实现距离测量。
依照本发明的一个方面，所述将直流信号与标准距离进行坐标拟合，构成DAC输出电压与距离的关系曲线的步骤具体为改变电涡流位移传感器至待测物的距离，ADC变化量超出段位切换DAC，得出ADC变化量与距离的曲线关系。
依照本发明的一个方面，所述通过拟合关系曲线实现距离测量的步骤中，所述拟合关系曲线为采用二次项进行拟合。
依照本发明的一个方面，所述拓展电涡流位移传感器线性范围的方法还包括补偿高低温偏差。
依照本发明的一个方面，所述补偿高低温偏差的步骤是通过分别测量高温、低温和常温的3个位置点的数据并通过9点平面拟合实现温度校准的。
依照本发明的一个方面，所述9点平面拟合的公式为：
Sn＝(A0T2+B0T+C0)S2+(A1T2+B1T+C1)S+(A2T2+B2T+C2)；
其中，
Sn：最终的距离值；
T：温度值；
S：原始距离值；
A0、B0、C0、A1、B1、C1、A2、B2、C2：系数；系数由9个点(S,T)拟合得出。
本发明的有益效果：
(1)本发明的线性范围是传统技术的3倍以上，线性范围宽，适用于不同检测距离的要求；
(2)在整个测量范围内保持同样的检测灵敏度，无论是近端还是远端测量具有相同的响应速度；
(3)相较于传统技术(测量范围的近端及远端呈现非线性)，本申请可以在整个工作温度范围内实现最大的线性化程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的一种电涡流位移传感器的模块示意图；
图2为本发明所述的峰值检波模块的峰值检波电路图；
图3为本发明所述的一种电涡流位移传感器的各信号的波形示意图；
图4为本发明实施例2中的DAC输出电压与距离的关系曲线；
图5为本发明实施例2中低温、常温和高温下未补偿的距离测量值表；
图6为本发明实施例2中低温、常温和高温下未补偿的原始值的曲线图；
图7位本发明实施例2中低温、常温和高温下经过补偿后的曲线图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种电涡流位移传感器，所述电涡流位移传感器包括电源模块1、LC振荡模块2、MCU模块4和峰值检波模块3，其中，
LC振荡模块2，包括线圈铁氧体和正反馈脉冲比较电路，所述LC振荡模块2提供稳定的正弦信号，其中，正反馈脉冲比较电路是实现稳定的振荡电路，其主要是提供正弦信号，所述LC振荡模块2为高精度低温漂阻容器件，振荡电路的温度性主要靠器件自身温度特性决定，在此选择高精度低温漂阻容器件，关键的线圈采用多股漆包线紧密排列绕制，安装在磁导率低温漂铁氧体中。另使用低蠕变的树脂材料将线圈封灌于壳体中，充分固化后经过48小时高低温循环冲击达到稳定状态；
MCU模块4，包括ADC和DAC，用于采集ADC电压并输出DAC输出电压，所述MCU模块4可实现ADC电压采用、DAC可调电压输出和数据通信功能；
峰值检波模块3，包括峰值检波电路，将正弦信号与DAC输出电压比较得出脉冲波形并转换成直流电压。其中，峰值检波电路如图2所示；
电源模块1，用于对外部电源降压并将其提供给其它模块，所述电源模块1为低功耗、高精度和低噪声的低压差线性稳压器；
所述电涡流位移传感器还包括热敏电阻5。
实施例2
一种拓展电涡流位移传感器线性范围的方法，包括以下步骤：
(1)将电涡流位移传感器置于待测物一定的距离，电涡流位移传感器的LC振荡模块2发出振荡信号(正弦信号)；
(2)电涡流位移传感器的MCU模块4采集并输出DAC输出电压；
(3)峰值检波模块3将振荡信号(正弦信号)转换成模拟量变化，如图2和图3所示，比较器开漏极输出，振荡信号波谷与DAC值比较，待测物靠近传感器，振荡信号(正弦信号)衰减趋于停振，比较输出逻辑(图2中IC4的输出引脚4的输出状态)低脉宽减小，正脉宽增加，电阻R1和电容C1的充电时间增加，电阻R2和电容C1的放电时间减少，信号的模拟电压(电容C1上的电压信号)平均值提高，通过滤波(RC阻容积分电路，图2中未示出，其作用是将图3中略有锯齿状的模拟电压变得更平滑，噪声更小更稳定)实现稳定的电平变化；并将振荡信号与DAC输出电压比较得出脉冲方波形信号，并转换成直流电压；
其中，ADC采样采的是图2中电容C1上的模拟电压经过后级RC阻容积分滤波后的电压信号。
其中，电阻R1和电容C1的充电过程：图3中的模拟电压信号已展示，电阻R1的阻值100K给47P的电容的充电时间较长，在逻辑高电平时，模拟电压信号显示比较长的上升过程。
其中，电阻R2和电容C1的放电过程：1K的电阻R2阻值较小，在逻辑低电平时，电容C1通过电阻R1完成快速放电。
(4)记录钢丝不同位置的电压信号值，图4描述了钢丝直径约8mm，中间间距15mm作为标靶，在5～25mm，每0.5mm间隔的电压值。因钢丝标靶不断靠近，电容C1上的电压不断的提高直至电容C1的电压充电至VCC，正是利用这一电压上升过程作为检测手段,图4如在25mm->24.5mm(ADC差值10)，DAC被确定，通过ADC转换观察数据变化差值，钢丝标靶越是靠近数据变化量越敏感，20.5mm->20mm(ADC差值30)，ADC差值越大越不稳定，避免这一问题在15～20mm切换DAC电压至高位，满足20mm->19.5mm(ADC差值10)则确定下第3段DAC值，其余段方法类似；
(5)分段拟合图4中的4段曲线，实现不同的ADC对应不同的检测距离，超出段位切换DAC值，为了实现精确地拟合结果采用二次项拟合，系数精确至小数点后8位；其中，二次项拟合公式为：y＝ax2+bx+c；其目的是将拟合前的非线性曲线拟合成线性曲线。
(5)补偿高低温偏差，将未补偿的距离值在3个温度下分别测量，图5中已将整数位置的偏差值分别记录，并将远端23mm及近端5.5mm以外超范围去除；其中，图5中的低温1075、常温1283和高温1473是热敏电阻5感受温度变化的信息，通过ADC转换热敏电阻5与固定电阻的分压随温度变化得到的数据；从图6中未补偿的原始值可以明显看出高温和低温下相对常温的偏差；通过图5中已标记处的9个位置点，以及3个温度点数据，通过多项式曲线拟合方程实现校准，公式如下：
Sn＝(A0T2+B0T+C0)S2+(A1T2+B1T+C1)S+(A2T2+B2T+C2)；
其中，
Sn：最终的距离值；
T：温度值；
S：原始距离值；
A0、B0、C0、A1、B1、C1、A2、B2、C2：系数；系数由9个点(S,T)拟合得出。
上述3个温度环境下经过多项式曲线补偿，补偿利用了3个温度环境下，分别最大距离、最小距离、中间距离，共9个位置坐标拟合在一条直线上(理想的)中间的距离位置也就得到了响应补偿，各个位置点的距离曲线数据在图7中已列出，由图7可知，经过补偿高低温偏差，曲线重合度较高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电涡流位移传感器，其特征在于：所述电涡流位移传感器包括：
LC振荡模块，用于发出振荡信号；
MCU模块，用于采集ADC电压并输出DAC输出电压；
峰值检波模块，用于将振荡信号与DAC输出电压比较得出脉冲方波形信号，并转换成直流电压输出；
电源模块，用于给LC振荡模块、峰值检波模块和MCU模块供电。
2.根据权利要求1所述的一种电涡流位移传感器，其特征在于：所述电源模块为低功耗、高精度和低噪声的低压差线性稳压器。
3.根据权利要求1所述的一种电涡流位移传感器，其特征在于：所述LC振荡模块为高精度低温漂阻容器件。
4.根据权利要求1所述的一种电涡流位移传感器，其特征在于：所述电涡流位移传感器还包括热敏电阻。
5.一种拓展电涡流位移传感器线性范围的方法，其特征在于：包括以下步骤：
由LC振荡模块发出振荡信号；
MCU模块采集并输出DAC输出电压；
峰值检波模块接收振荡信号和DAC输出电压并比较得出脉冲方波形信号，并转换成直流电压；
将直流电压与标准距离进行坐标拟合，构成DAC输出电压与距离的关系曲线；
通过拟合关系曲线实现距离测量。
6.根据权利要求5所述的一种拓展电涡流位移传感器线性范围的方法，其特征在于：所述将直流信号与标准距离进行坐标拟合，构成DAC输出电压与距离的关系曲线的步骤具体为改变电涡流位移传感器至待测物的距离，ADC变化量超出段位切换DAC，得出ADC变化量与距离的曲线关系。
7.根据权利要求5所述的一种拓展电涡流位移传感器线性范围的方法，其特征在于：所述通过拟合关系曲线实现距离测量的步骤中，所述拟合关系曲线为采用二次项进行拟合。
8.根据权利要求5所述的一种拓展电涡流位移传感器线性范围的方法，其特征在于：所述拓展电涡流位移传感器线性范围的方法还包括补偿高低温偏差。
9.根据权利要求8所述的一种拓展电涡流位移传感器线性范围的方法，其特征在于：所述补偿高低温偏差的步骤是通过分别测量高温、低温和常温的3个位置点的数据并通过9点平面拟合实现温度校准的。
10.根据权利要求9所述的一种拓展电涡流位移传感器线性范围的方法，其特征在于：所述9点平面拟合的公式为：
Sn＝(A0T2+B0T+C0)S2+(A1T2+B1T+C1)S+(A2T2+B2T+C2)；
其中，
Sn：最终的距离值；
T：温度值；
S：原始距离值；
A0、B0、C0、A1、B1、C1、A2、B2、C2：系数；系数由9个点(S,T)拟合得出。
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| 于鹏等: "利用插值法和曲线拟合法标定电涡流传感器", 《中国测试技术》 * |
| 尤文坚: "现代传感器输出特性拟合技术研究进展", 《国外电子测量技术》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022218435A1 (zh) * | 2021-04-16 | 2022-10-20 | 上海兰宝传感科技股份有限公司 | 电涡流位移传感器及拓展其线性范围的方法 |
| CN116772702A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-09-19 | 河南卫华重型机械股份有限公司 | 一种电涡流距离采集电路 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022218435A1 (zh) | 2022-10-20 |
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