基于电涡流传感器微小距离测量系统

张春晖

摘   要：本文研究了一种基于电涡流传感器高精度微小位移测量系统。针对温度对电涡流传感器测量位移的精确性的影响，通过调试测量了不同温度下电涡流位移传感器的输入输出特性，拟合了不同温度下电涡流传感器输出电压和输入位移的曲线，补偿温度对输入与输出的非线性误差。针对电涡流位移传感器的输入输出存在的非线性关系，通过设计硬件电路、一次或二次曲线拟合和软件控制算法对非线性矫正，提高了系統测量精度。

关键词：电涡流传感器;曲线拟合;STM32F103单片机;电容三点式振荡电路

引言

微小位移测量精度要求越来越高，尤其航空航天对于微小位移的测量几乎没有偏差，测量必须精确，测量位移的传感器不外乎以下几种，诸如激光位移传感器、超声波位移传感器、电容式位移传感器、光栅式位移传感器和电涡流位移传感器。激光位移传感器、超声波位等位移测量传感器易受外界环境的影响，光栅式位移传感器价格较高，电涡流传位移传感器精度高，抗干扰能力强，电涡流位移传感器是依据法拉第电磁感应原理，当电涡流传感器被高频正弦波信号激励时，会在周围环境中产生交变磁场，当金属导体靠经磁场时又会反作于先前产生的磁场，削弱其强度，同时线圈的阻抗就会发生变化，利用线圈的阻抗发生变化而引起电路正弦波信号的频率的变化来表征位移量，由于温度变化和阻抗与距离间的非线性影响测量精度。

本文设计了一种高精度微小位移测量系统，通过温度补偿和非线性补偿算法提高测量精度，测量位移的范围在0.1mm-10mm，精度±0.2%。

1 测量系统总体结构设计

测量系统由正弦波振荡电路、检测电路、单片机、LCD显示电路构成，系统结构图如图1所示。

通过电容三点式振荡电路产生1MHz的高频正弦波信号去激励电涡流传感器，再经π型滤波器和放大电路输出电压，由单边机采样进行收数据处理输出电压和位移的函数关系，测量结果由LCD屏幕显示。

2 LC电容三点式正弦波振荡器的电路

LC正弦波振荡电路的种类很多，考虑到电涡流传感器的特性，采用的有电容三点式振荡器，电路如图2所示。

电容C1=2500pF，C2=2500Pf，电感L=10μH，通过计算得到正弦波振荡电路的频率为：

电路仿真波形如图3所示。

3 温度补偿

通过在不同温度下测量距离和输出电压数据得出如下关系曲线，补偿温度对测量的影响，不同温度下测量距离和输出电压关系如图4所示。

4 数据采集及非线性校正

电涡流传感器输出的电压通过STM32F103单片机读取，STM32F103

的内部集成12路的A/D模块，通过keil5软件编程将电压的模拟量转换为数字量，通过二次曲线拟合得到输入距离和输出电压如图5所示。

5 实验结果与结论

在室内环境温度20°C下进行对电涡流传感器的输入位移和输出电压数据进行了测试，记录了电涡流传感器输入位移在0mm-10.00mm时电涡流传感器的测试数据，测试数据如表1所示。

由上表测试数据误差小于0.2%，证明测量系统电路和补偿算法有效。