一种电感式位移传感器的制作方法

本实用新型涉及位移传感器技术领域，具体涉及一种电感式位移传感器。

背景技术：

位移传感器有接触式和非接触式两大类，其中接触式位移传感器难以测量高速运动的物体，非接触式位移传感器可以用多种原理实现，超声波测距、霍尔效应、电容测距、激光位移传感器、电涡流位移传感器等。电涡流位移传感器可以根据电涡流导致线圈的电感变化、损耗变化、激励频率变化等作为感应量，间接测量位移变化。相对其他原理的位移传感器，电涡流传感器不存在盲区、安装方便、量程较大、对表面油污不敏感等特点被广泛应用。本实用新型涉及的传感器属于一种非接触式电涡流位移传感器，通过测量探头电感量的变化计算探头与金属材料之间的位移。通过测量损耗变化来测量位移的方案一般都要包含一个较复杂的温度补偿电路，电感探头具有结构简单温漂小等优点，不用温度补偿也可以做到高精度，低温漂的效果。

快速准确的测量探头的电感量技术，是电感位移传感器的关键技术。探头电感测量的精度决定了探头的精度，电感测量的速度决定了探头的频率响应。探头线圈包含电阻分量和电感分量。为了消除电阻分量温漂大的影响，需要对探头线圈复阻抗进行测量。根据线圈的复阻抗提取出线圈的电感分量。测量探头线圈的复阻抗，通常的做法是测量加载在探头线圈上的电压、电流的幅度和相位。

信号幅度和相位的测量主要的方法有：

波形采样法，该方法采用高速高精度ADC对信号波形进行采样，然后用高速数字信号处理器对采集的数据进行处理。目前市场上没有一种集成高速高精度ADC的数字信号处理器。这种方案系统复杂，要求高速处理时，成本高。

模拟信号相乘法，该方法采用参考信号与被测量信号相乘，可以实现，测量信号的幅度相位信息搬移到直流分量上。用低速高精度ADC对直流分量进行采样，计算可得到信号的幅度和相位。该方法采用两个相互正交的参考信号，分别和测量信号相乘。这种方案中模拟相乘器线性度和一致性不佳，相互正交的参考信号不容易获得，使得方案比较复杂，精度不高。

测量信号与方波相乘法，该方法是模拟信号相乘法的一种改进方法，相当于测量信号与方波相乘。这种方案需要被测信号进行反相，但高速反相器精度不高，并且需要相互正交的参考信号，导致该方案的测量精度也不高。

激励信号频率相接近的电感探头安装距离小，会相互干扰。目前电感探头的激励信号频率在生产阶段确定，还没有一种可现场配置激励信号频率的电感探头。修改激励信号频率的同时需要修改传感器的多个参数，应用现场难以完成。

目前电感探头线性度不高，一般在生产阶段进行校正。探头的测量范围是固定的，应用灵活性降低。

综上所述，目前还缺少一种高精度、高频率响应、激励信号可调、可现场设定测量范围并进行线性校正的电感式位移传感器。

技术实现要素：

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种电感式位移传感器，当输入交流信号的电感探头接近或者远离金属材料时，探头的电感量会发生变化。通过测量探头电感量的变化来间接的测量探头与金属材料的位移。为了测量探头的电感量，需要测量激励信号和响应信号的幅度与相位。本实用新型设计了一种高速精确测量信号幅度与相位的方法。利用该方法，微控制器可以高速测量探头电感量，并用该电感量拟合出探头与金属材料之间的位移。当探头之间安装距离小，激励信号频率相同时，会相互干扰，本实用新型涉及的电感式位移传感器的激励信号频率和幅度可软件配置。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种电感式位移传感器，包括微控制器、隔直放大电路、四臂电桥和模数混合电路；

所述隔直放大电路分别与微控制器、四臂电桥电连接；

所述模数混合电路分别与四臂电桥、微控制器电连接；

微控制器输出采样序列，采样序列的输出间隔、输出幅度和输出相位差可调，采样序列经过隔直放大电路后得到激励信号，可调的激励信号加载在四臂电桥上，所述四臂电桥中有一臂接电感探头，所述四臂电桥有两个输出信号，两个输出信号通过模数混合电路后得到两组信号，每组信号包括多个采样信号，多个采样信号通过微控制器采样后测量两个输出信号的幅度与相位可以计算得到电感探头电感量，探头电感量经过输出区间设定方法和非线性校正方法得到探头与金属材料之间的位移。

进一步地，所述微控制器包括八通道ADC、两通道DAC、四通道PWM控制器和运算单元，两通道DAC包括第一DAC和第二DAC；

所述第一DAC用于输出采样序列，产生激励信号；

所述四通道PWM控制器用于产生四通道PWM信号；

所述八通道ADC用于分别采样所述多个采样信号；

所述运算单元用于通过多个采样信号测量两个输出信号的幅度与相位可以计算得到电感探头电感量，探头电感量经过输出区间设定方法和非线性校正方法得到探头与金属材料之间的位移；

所述第二DAC用于经过其依次连接的低通滤波电路、放大电路、端口保护电路输出探头与金属材料之间的位移；

所述隔直放大电路包括依次连接的隔离直流分量电路和放大交流分量电路。

进一步地，所述四臂电桥包括电阻Rs、电阻R1、电阻R2和电感探头Lx；其中电感探头Lx与电阻Rs串联，电感探头Lx另一端接地，电阻Rs另一端接激励信号S；电阻R1与电阻R2串联并且两电阻值相等，电阻R2另一端接地，电阻R1另一端接激励信号S；电感探头Lx与电阻Rs串接端上电压信号作为两输出信号(Si；So)中的信号So，电阻R1与电阻R2串接端上的电压信号作为两输出信号(Si；So)中的信号Si。

进一步地，所述模数混合电路包括八个单刀双掷开关和八个滑动平均电路；八个单刀双掷开关分别为开关K1、开关K2、开关K3、开关K4、开关K5、开关K6、开关K7、开关K8；八个滑动平均电路分别为滑动平均1、滑动平均2、滑动平均3、滑动平均4、滑动平均5、滑动平均6、滑动平均7、滑动平均8；八个单刀双掷开关分为两组，每组四个，每组处理一个输出信号；其中开关K1、开关K2、开关K3、开关K4用于处理输出信号Si，开关K5、开关K6、开关K7、开关K8用于处理输出信号So；开关K1、开关K2、开关K3、开关K4分别有两个不动端，其中一个接地，另一端接信号Si；开关K5、开关K6、开关K7、开关K8分别有两个不动端，其中一个接地，另一端接信号So；开关K1、开关K2、开关K3、开关K4的动端分别接滑动平均1、滑动平均2、滑动平均3、滑动平均4的输入端；开关K5、开关K6、开关K7、开关K8的动端分别接滑动平均5、滑动平均6、滑动平均7、滑动平均8的输入端；滑动平均1、滑动平均2、滑动平均3、滑动平均4输出信号分别为Si1、Si2、Si3、Si4；滑动平均5、滑动平均6、滑动平均7、滑动平均8输出信号分别为So1、So2、So3、So4；微控制器内的八通道ADC分别采样信号Si1、Si2、Si3、Si4、So1、So2、So3、So4。

进一步地，八个单刀双掷开关由四通道PWM信号控制，四通道PWM信号分别为PWM1、PWM2、PWM3、PWM4；PWM1与零信号异或输出信号PWMo1控制开关K1、开关K5；PWM2与PWM1异或输出信号PWMo2控制开关K2、开关K6；PWM3与PWM2异或输出信号PWMo3控制开关K3、开关K7；PWM4与PWM3异或输出信号PWMo4控制开关K4、开关K8。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

激励信号由微控制器片内DAC输出，可以灵活调整激励的频率和幅度，并且硬件结构简单，现场应用更加灵活。

采用分段平均的方法测量激励信号和响应信号的幅度和相位，测量更加简单、准确。

采用模拟开关对信号进行分段，用硬件电路对信号进行平均，不用高速采样，逐点计算，处理速度更快。

被测信号分为四等份，每两份可解出信号的幅度与相位。两组幅度和相位取平均，充分利用了被测信号的信息，减少了误差。

采用四通道PWM信号和异或门电路，产生分割被测信号的控制信号，该控制信号的脉宽准确并且容易产生，不用复杂的锁相环倍频器。

传感器在配置模式下，可设定测量范围，根据测量范围两端的电感大小可求解线性校正方程，应用现场的适应能力强。

对电感探头的复阻抗进行测量，分离出温度系数低的电感分量作为测量依据，减少了传感器的温漂、接头电阻的影响，提高了稳定性。

本实用新型所述的方案中，可接入电感量不同的探头，对探头电感大小要求不严格，提高了应用现场的适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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实用新型的一些实施例，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是本实用新型电感式位移传感器的结构图；

图2是PWM1、PWM2、PWM3、PWM4波形图；

图3是PWMo1、PWMo2、PWMo3、PWMo4波形图；

图4是被测信号Si被平均分割为四等份波形图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供一种电感式位移传感器，用于检测金属材料的位移，包括微控制器、隔直放大电路、四臂电桥和模数混合电路；

所述隔直放大电路分别与微控制器、四臂电桥电连接；

所述模数混合电路分别与四臂电桥、微控制器电连接；

微控制器输出采样序列，采样序列的输出间隔、输出幅度和输出相位差可调，采样序列经过隔直放大电路后得到激励信号，可调的激励信号加载在四臂电桥上，所述四臂电桥中有一臂接电感探头，所述四臂电桥有两个输出信号，两个输出信号通过模数混合电路后得到两组信号，每组信号包括多个采样信号，多个采样信号通过微控制器采样后测量两个输出信号的幅度与相位可以计算得到电感探头电感量，电感探头的电感量依赖于金属材料的性质和探头与导电材料的距离，探头电感量经过输出区间设定方法和非线性校正方法得到探头与金属材料之间的位移。

具体地，所述微控制器包括八通道ADC、两通道DAC、四通道PWM控制器和运算单元，两通道DAC包括第一DAC和第二DAC；

所述第一DAC用于输出采样序列，产生激励信号；

所述四通道PWM控制器用于产生四通道PWM信号；

所述八通道ADC用于分别采样所述多个采样信号；

所述运算单元用于通过多个采样信号测量两个输出信号的幅度与相位可以计算得到电感探头电感量，探头电感量经过输出区间设定方法和非线性校正方法得到探头与金属材料之间的位移；

所述第二DAC用于经过其依次连接的低通滤波电路、放大电路、端口保护电路输出探头与金属材料之间的位移；

所述隔直放大电路包括依次连接的隔离直流分量电路和放大交流分量电路。

具体地，所述四臂电桥包括电阻Rs、电阻R1、电阻R2和电感探头Lx；其中电感探头Lx与电阻Rs串联，电感探头Lx另一端接地，电阻Rs另一端接激励信号S；电阻R1与电阻R2串联并且两电阻值相等，电阻R2另一端接地，电阻R1另一端接激励信号S；电感探头Lx与电阻Rs串接端上电压信号作为两输出信号(Si；So)中的信号So，电阻R1与电阻R2串接端上的电压信号作为两输出信号(Si；So)中的信号Si。

具体地，所述模数混合电路包括八个单刀双掷开关和八个滑动平均电路；八个单刀双掷开关分别为开关K1、开关K2、开关K3、开关K4、开关K5、开关K6、开关K7、开关K8；八个滑动平均电路分别为滑动平均1、滑动平均2、滑动平均3、滑动平均4、滑动平均5、滑动平均6、滑动平均7、滑动平均8；八个单刀双掷开关分为两组，每组四个，每组处理一个输出信号；其中开关K1、开关K2、开关K3、开关K4用于处理输出信号Si，开关K5、开关K6、开关K7、开关K8用于处理输出信号So；开关K1、开关K2、开关K3、开关K4分别有两个不动端，其中一个接地，另一端接信号Si；开关K5、开关K6、开关K7、开关K8分别有两个不动端，其中一个接地，另一端接信号So；开关K1、开关K2、开关K3、开关K4的动端分别接滑动平均1、滑动平均2、滑动平均3、滑动平均4的输入端；开关K5、开关K6、开关K7、开关K8的动端分别接滑动平均5、滑动平均6、滑动平均7、滑动平均8的输入端；滑动平均1、滑动平均2、滑动平均3、滑动平均4输出信号分别为Si1、Si2、Si3、Si4；滑动平均5、滑动平均6、滑动平均7、滑动平均8输出信号分别为So1、So2、So3、So4；微控制器内的八通道ADC分别采样信号Si1、Si2、Si3、Si4、So1、So2、So3、So4。

具体地，八个单刀双掷开关由四通道PWM信号控制，四通道PWM信号分别为PWM1、PWM2、PWM3、PWM4；PWM1与零信号异或输出信号PWMo1控制开关K1、开关K5；PWM2与PWM1异或输出信号PWMo2控制开关K2、开关K6；PWM3与PWM2异或输出信号PWMo3控制开关K3、开关K7；PWM4与PWM3异或输出信号PWMo4控制开关K4、开关K8。

具体地，四通道PWM信号的频率和相位一致；信号PWM1的占空比为0.25；信号PWM2的占空比为0.5；信号PWM3的占空比为0.75；信号PWM4的占空比为1；脉冲信号PWMo1的起始相位为0度，结束相位为90度；脉冲信号PWMo2的起始相位为90度，结束相位为180度；脉冲信号PWMo3的起始相位为180度，结束相位为270度；脉冲信号PWMo4的起始相位为270度，结束相位为0度；信号PWMo1、PWMo2、PWMo3、PWMo4分别控制信号Si、So的通断，使得信号Si1、Si2、Si3、Si4各占信号Si的四分之一、使得信号So1、So2、So3、So4各占信号So的四分之一。

具体地，激励信号S与四通道PWM信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4的角频率ω相同，相位差相同；

当激励信号S与四通道PWM信号频率一致时，探头电感计算方法与激励信号S的频率无关。

具体地，激励信号S由多个频率的正弦信号(Sω1，Sω2，Sω3，......)叠加而成，当PWM信号的频率与其中一个正弦信号的频率相等时，可解调出该频率作用下电感探头Lx的电感量。

本实用新型电感式位移传感器包含一微控制器，该微控制器对电感探头发出激励信号，同时也对响应信号进行采用分析，经过计算得到电感探头与金属材料之间的位移，最后输出该位移大小。

微控制器中存储激励信号波形采样序列，该采样系列的长度是激励信号周期的整数倍。微控制器片内包含DAC。采样序列被DAC输出可得到带直流偏置的激励信号。用一定时器溢出触发DAC输出，修改定时器溢出间隔可调整触发间隔。同时，通过改变采样序列样点之间的相位差，也可以调整激励信号的频率。采样序列可以乘以倍率(K)再通过DAC输出，当倍率(K)设定为不同的值时，可调整激励信号的幅度。带直流偏置的激励信号通过一个隔直电路消去直流分量，然后通过一个交流放大电路提高激励信号的驱动能力。

激励信号加载在一个四臂电桥上，该电桥其中一个臂为电感探头Lx，其余三个臂为合适阻值的精密电阻Rs、R1、R2。参见图1，其中Rs的阻抗设置为与Lx在激励信号频率的阻抗ZLx接近，|ZLx|较合适的取值范围为：

电阻R1等于R2，对激励信号进行分压，信号Si的幅度为激励信号S的一半，相位相同。信号So受电感探头阻抗ZLx的影响，幅度和相位都会发生变化。测量信号Si与信号So的幅度和相位，进而可计算得到ZLx。

为了测量信号Si、So的幅度和相位，本实用新型采用一种模拟开关分段平均的方法。参见图2，四通道PWM信号与激励信号同频同相，PWM1的脉宽为0.25；PWM2的脉宽为0.5；PWM3的脉宽为0.75；PWM4的脉宽为1；四通道PWM信号经过图1所示的异或门电路，可得到图3所示的脉宽控制信号；该信号控制图1中的模拟开关，可将被测信号的一个周期分为四等份，每份起始相位和结束相位差为九十度。被平均分割的被测信号波形如图4所示。

为此，本实用新型提供一种所述电感式位移传感器的位移测量方法，包括电感探头Lx电感量计算方法、输出区间设定方法和非线性校正方法；

所述电感探头Lx电感量计算方法为：

参见图1，两个输出信号Si、So分别被四等分，并把分割后的信号输入滑动平均电路，可得到八个输出信号，分别为：Si1、Si2、Si3、Si4、So1、So2、So3、So4。当Si的幅度为|Si|，相位为α，So的幅度为|So|，相位为β。有以下关系式：

微控制器对八个信号Si1、Si2、Si3、Si4、So1、So2、So3、So4，进行采样，根据式2、式3、式4、式5、式6、式7、式8、式9进而可计算得到被测信号的幅度与相位。被测信号幅度与相位可用向量表示为：其中，

根据信号可计算得到探头的复阻抗ZLx：

对ZLx取虚部并除以激励信号的角频率ω，得到探头的电感分量：

Lx＝Im(ZLx)/ω 式13。

式13中Im表示对ZLx取虚部运算。

所述输出区间设定方法和非线性校正方法为：

金属材料有不同的磁性分类，被信号激励的电感探头接近金属材料时，电感可能会变大，也可能会变小。本实用新型涉及的传感器可设定测量范围并求解线性校正函数。首先把传感器与金属测量的位移设定到最小量程处，测量探头的电感量为Lxmin，取探头最大量程时电感量为Lxmax。Lxmin、Lxmax分别对应传感器输出电压为0、Vomax。设探头的电感量为自变量，输出电压为因变量，可在坐标系上表示探头电感量与输出电压之间的函数曲线。其中两坐标点为(Lxmin，0)与(Lxmax，Vomax)在该曲线上。设该曲线带未知系数的表达式为y＝f(x)，将两坐标点代入该表达式，可解得输出函数f(x)的具体表达式。

微控制器在工作模式下DAC2输出电压f(Lx)，该电压经过由低通滤波电路、放大电路和端口保护电路组成的输出电路，最后得到传感器的输出信号。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

激励信号由微控制器片内DAC输出，可以灵活调整激励的频率和幅度，并且硬件结构简单，现场应用更加灵活。

采用分段平均的方法测量激励信号和响应信号的幅度和相位，测量更加简单、准确。

采用模拟开关对信号进行分段，用硬件电路对信号进行平均，不用高速采样，逐点计算，处理速度更快。

被测信号分为四等份，每两份可解出信号的幅度与相位。两组幅度和相位取平均，充分利用了被测信号的信息，减少了误差。

采用四通道PWM信号和异或门电路，产生分割被测信号的控制信号，该控制信号的脉宽准确并且容易产生，不用复杂的锁相环倍频器。

传感器在配置模式下，可设定测量范围，根据测量范围两端的电感大小可求解线性校正方程，应用现场的适应能力强。

对电感探头的复阻抗进行测量，分离出温度系数低的电感分量作为测量依据，减少了传感器的温漂、接头电阻的影响，提高了稳定性。

本实用新型所述的方案中，可接入电感量不同的探头，对探头电感大小要求不严格，提高了应用现场的适应能力。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。