电涡流传感器激励信号源设计

孙云

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

电涡流传感器激励信号源设计

孙云

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

摘要：在电涡流检测系统中，电涡流传感器需正弦信号加以激励。激励信号源是检测系统的关键部分之一。介绍了电涡流传感器信号激励源电路的工作原理，可以给电涡流传感器的并联谐振回路提供稳频稳幅的正弦信号。实验表明，该激励信号源电路能够满足电涡流传感器的需求，使涡流传感器能够稳定地工作。

关键词：电涡流；激励源；正弦信号；信号调理电路

Eddy Current Sensor Excitation Signal Source Design

SUN Yun

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:In eddy current testing system, the eddy current sensor needs to be excited by a sinusoidal signal. The excitation source is one of the key parts in the detection system. The article describes the working principle of the eddy current sensor signal source circuit, which can provide a stable amplitude and frequency of the sinusoidal signal for the eddy current sensor. The experiments result show that the excitation signal source circuit meets the needs of the eddy current sensor. It can make the eddy current sensor operate smoothly.

Keywords:eddy current; excitation source; sinusoidal signal; signal conditioning circuit

0引言

电涡流传感器是一种性能优良、能够测量多种参量的传感器。其工作基于电涡流效应，即在交流信号的激励下，被测参量的变化引起电涡流传感器线圈参数的变化，进而由测量电路转换为电信号，实现对被测参量的测量[1]。

用于动态位移测量的电涡流传感器，一般采用定频调幅式测量电路，其原理如图1所示[2]。图1中，R为匹配电阻、C为匹配电容，电涡流传感器等效为电感L并与C并联组成谐振回路，E为交流激励信号源。空载时回路固有频率与激励信号源频率相同，回路谐振，输出电压U达到峰值。测量位移时，因被测金属物体与电涡流传感器相对距离x的改变，引起传感器等效电感L变化，回路失谐，输出电压U亦发生相应变化，如图2所示。经后续电路处理，即可实现L-x关系与U-x关系的转化，测出位移x[3-4]。

图1　定频调幅电路的工作原理

图2　谐振特性曲线

设图1中激励信号源频率为f，幅值为E，串联电阻为R，则在某个对应位移下，电路的输出电压U为[5]：

(1)

当被测位移x发生变化时，由于电涡流效应，敏感线圈的等效电感也会发生相应的变化，因此导数dU/dL反映了位移检测灵敏度的大小。

(2)

根据式(1)、式(2)，在对电路优化匹配了R、C和f后，位移检测灵敏度dU/dL与激励信号有密切的关系。

电涡流传感器测量电路以谐振电路为基础，故激励信号应为正弦信号。而要获得较高的检测灵敏度，需要高幅值的激励信号[6]。因此，激励信号的频率、幅值稳定性，直接影响到电涡流传感器的稳定性。现设计了一种具有高幅值、高频率稳定性、低温漂的正弦激励信号源，并将其实际应用于测量动态微位移的电涡流传感器，获得了很好的效果。

1激励信号源结构与工作原理

正弦信号发生电路有很多种，考虑到频率稳定性要求和电路实现的方便性，采用了由频率稳定的方波经适当电路处理来获得比较理想的高幅值正弦激励信号的方法。

文中设计的激励信号源由有源晶振、升压电路、分频电路与稳幅电路、低通滤波器等单元组成，如图3所示。

图3　激励信号源电路框图

有源晶振内部有石英晶体稳频，通电即可起振，产生频率高度稳定的方波信号，但其幅值较低。为提升方波幅值，采用工作于截止和饱和区的高速开关三极管来构成升压电路。有源晶振及升压电路如图4所示。

图4　有源晶振及升压电路

图4中，VDD为15 V电压源，Q1是高频MOSFET管，R1、R3为限流电阻，C1为加速电容，用于加快三极管开关的切换速度。

考虑到有源晶振及升压电路产生的方波可能有失真，引入二分频电路来确保产生的方波信号占空比为50%，并用稳压二极管稳定输出方波幅值。

分频稳幅电路输出的方波必须进行处理，滤除其中的直流及高频成分，以获得比较近似理想正弦波的激励信号。对于直流信号，用隔直电容处理；对于高频信号，设计了由L、C器件构成的3阶巴斯特沃型低通滤波器来处理，如图5。

图5　3阶归一化巴特沃斯低通滤波器

2实验

根据以上要求，激励信号源电路选择2MHz有源晶振，用CD4017构成二分频器，用稳压二极管稳定输出方波幅值，3阶低通滤波器中的电感、电容根据理论计算值圆整后，分别取为L=22H，C2=C3=3.3nF。

滤波器前后的信号波形如图6所示。

图6　滤波器前后信号波形

对滤波器输出信号进行频谱分析，发现该信号在1MHz处幅值最大，其他谐波成分很少，且幅值非常小。因此，可以认为，滤波器输出的是单一频率的正弦信号。

经长时间监测，文中设计的激励信号源电路能够稳定提供频率为1MHz，幅值13V的正弦激励信号。将其应用于磁悬浮轴承的电涡流位移传感器测量电路，在0～100m量程范围内获得的位移检测灵敏度达到了15mV/m，且能使磁悬浮轴承稳定工作，满足了位移检测的要求。

3结语

经过实验验证，文中设计的电涡传感器流激励信号源理论是正确的，技术是可行的。该信号源能为电涡流传感器提供频率稳定的、高幅值的激励信号，提高了电涡流传感器的检测灵敏度，并且成本低廉，有很好的应用价值。

参考文献:

[1] 刘文磊. 磁悬浮轴电控系统的研究与设计[D]. 南京:南京理工大学,2013.

[2] 丛华. 磁悬浮轴承电涡流传感器研究与设计[D]. 北京:清华大学,1999.

[3] 森荣二[日]. LC滤波器设计与制作[M]. 北京:科学出版社,2006.

[4] 刘春燕. 电磁轴承用涡流传感器的开发研制[D]. 西安:西安交通大学,2003.

[5] Gerhard Schweitzer ,Eric H.Maslen. 磁悬浮轴承理论、设计及旋转机械应用[M]. 北京:机械工业出版社,2009.

[6] 冯冠平. 谐振传感器原理与器件[M]. 北京:清华大学出版社,2008.

收稿日期：2014-12-25

中图分类号：TP212

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)04-0186-02

作者简介：孙云(1988-)，男，江苏宿迁人，硕士研究生，研究方向为智能检测与控制。