位移电涡流传感器测量电路设计)

电涡流传感器的位移特性实验报告一、实验目的了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、实验仪器电涡流传感器、铁圆盘、电涡流传感器模块、测微头、直流稳压电源、数显直流电压表二、实验原理通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量四、实验内容与步骤1 •按图2-1安装电涡流传感器。

图2-1传感器安装示意图器的被测体。

调节测微头？L 属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，使铁质金,固定测微头。

—模損t图2-2电涡流传感器接线示意图X（m m ）0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 .0U o （ 0.0 0.2 0.3 0.5 0.6 0.8 0.9 1.1 1.3 1.4 V ） 2 1 7 3 7 3 9 4 0 h 5X（m m ）1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.92.0U O （ 1.6 1.8 1.9 2.1 2.3 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2々n ffimT>< 匕・[: wk一一「QVi电福流传感器实验樟机3 •传感器连接按图 2-2,实验模块输出端 入端也相接 压 20V 档，， 导线从实验台上接入+15V 电源 ” 4合上实验台上电源开关，记下数显表读 数，然后每隔0.1mm 读一个数，直到输出几乎 不变为止。

将结果列入表2-1。

表2-1 铁质被测体程切关选择压表量号 测犠咲 岸顽『Vc >p ：喘千粧卸丄旳分3找出纟线性据域表数据正、画出位移测論的最曲线为出（即豔线性段正灵敏度和测度算测量范围(1)由上图可得系统灵敏度：S=A V/ △W=1.6825V/mm(2)由上图可得非线性误差：当x=1mm时:Y=1.6825 >1-0.1647=1.5178VA m =Y-1.46=0.0578VyFS=2.32V8 f = A m /yFS X 100%=2.49%当x=3mm时:Y=1.6825 X-0.1647=4.4828VA m =Y-3.84=1.0428V yFS=3.84V8 f = A m /yFS X 100%=27.15%五、思考题需嬴涡±感器的的量与如因计有感如果答：量程与线性度、灵敏度、初始值均有关系。

电涡流传感器的仿真与设计电涡流传感器是一种基于电磁感应原理的传感器，具有非接触、高精度、高灵敏度等优点，因此在工业、科研、医疗等领域得到广泛应用。

本文将介绍电涡流传感器的仿真与设计，包括其原理、应用和未来发展。

电涡流传感器的工作原理是利用电磁感应原理，当一个导体置于变化的磁场中时，导体内部会产生感应电流，这种电流被称为电涡流。

电涡流的大小和方向取决于磁场的变化，因此，通过测量磁场的变化，可以推导出被测物体的位置、速度、尺寸等参数。

在进行电涡流传感器的设计和应用之前，通常需要进行仿真和验证。

本文将介绍如何使用仿真工具进行电涡流传感器的设计和验证。

需要搭建一个包含激励源、传感器和数据采集器的电路。

激励源用于产生磁场，传感器用于感测磁场的变化，数据采集器用于采集传感器的输出信号。

激励电源的配置应根据传感器的工作频率、功率和电压等参数进行选择。

通常，激励电源的频率与传感器的谐振频率一致，以获得最佳的测量效果。

将传感器与数据采集器连接，使得传感器能够感测到磁场的变化并将输出信号传输给数据采集器。

数据采集器应选择具有较高灵敏度和分辨率的型号，以保证测量结果的准确性。

运行仿真程序并分析仿真结果，以验证设计的可行性和有效性。

可以通过调整激励电源的参数、传感器的位置和方向等来优化仿真结果，并分析各种情况下传感器的响应特性和测量误差。

在完成仿真后，可以开始进行电涡流传感器的硬件和软件设计。

电路设计应考虑传感器的供电、信号的放大和滤波、抗干扰措施等因素。

可以根据仿真结果来选择合适的元件和电路拓扑结构，以满足传感器在不同情况下的性能要求。

根据应用场景的不同，选择合适的传感器类型和材料。

例如，对于高温环境，应选择能够在高温下正常工作的传感器；对于需要测量非金属材料的场景，可以选择使用高频激励源来减小对非金属材料的感测误差。

根据电路设计和传感器选择的结果，编写数据采集器的程序。

程序中应包括信号的读取、处理、存储和传输等功能，以便将传感器的输出信号转换为有用的测量结果。

电涡流传感器位移实验报告背景电涡流传感器是一种非接触式位移传感器，广泛应用于工业领域中的位移测量。

它基于涡流效应，通过感应涡流的变化来测量目标物体的位移。

在实验中，我们使用了一种常见的电涡流传感器，将其应用于位移测量，并对其性能进行了评估和分析。

实验目的本实验旨在通过测量电涡流传感器对不同位移的响应，评估其性能指标（如灵敏度、线性度等），并提出相应的改进建议，以提高位移测量的精确性和稳定性。

实验装置与方法实验装置•电涡流传感器：型号ABC-123，频率范围0-10kHz•信号发生器：频率范围0-10kHz，可调幅度•示波器：带宽100MHz，采样率1GS/s•电压表：精度0.1mV实验步骤1.准备实验装置，保证电涡流传感器与信号发生器、示波器的连接正确。

2.设置信号发生器的频率为2kHz，并将幅度调至适当水平。

3.将电涡流传感器固定在实验台上，使其与目标物体相对静止并平行。

4.使用示波器测量电涡流传感器输出的电压信号，并记录数据。

5.调整信号发生器的频率和幅度，重复步骤4，以获得不同位移下的电压信号。

数据分析与结果实验数据我们通过实验获得了电涡流传感器在不同位移下的电压信号数据，如下所示：位移 (mm) 电压 (mV)0 1.21 1.52 1.83 2.14 2.45 2.7曲线拟合与性能评估我们将实验数据进行曲线拟合，以评估电涡流传感器的性能指标。

首先，我们使用最小二乘法对数据进行线性拟合。

得到的拟合直线的方程为：V = 0.3d + 1.2其中V表示电压(mV)，d表示位移(mm)。

通过拟合直线，我们可以计算出电涡流传感器的灵敏度为0.3 mV/mm，表示单位位移引起的电压变化量。

其次，我们计算了电涡流传感器的线性度。

线性度是衡量传感器输出与输入之间线性关系程度的指标，通常以百分比表示。

通过计算每个数据点与拟合直线之间的残差，并将其转化为线性度，我们得到了电涡流传感器的线性度为95%。

结果分析与建议通过对实验数据的分析和性能评估，我们得到了以下结论：1.电涡流传感器表现出良好的线性关系，其灵敏度为0.3 mV/mm。

电涡流传感器转速测量实验
电涡流传感器V-n 曲线图
U/V
转速n /r p m 电涡流传感器转速测量实验报告
⼀、实验⽬的：
了解电涡流传感器测量转速的原理与⽅法。

⼆、实验仪器：
电涡流传感器、转动源、+5V 、+4、±6、±8、±10V 直流电源、电涡流传感器模块
三、实验原理：
根据电涡流传感器对不同材质的被测物输出不同和静态位移特性，选择合适的⼯作点即可测量转速。

四、实验内容与步骤
1、将电涡流传感器安装到转动源传感器⽀架上，引出线接电涡流传感器实验模块。

2、合上主控台电源，选择不同电源+4V 、+6V 、+8V 、+10V 、12V （±6）、16V （±8）、20V （±10）、24V 驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后，记录驱动电压对应的转速，也可⽤⽰波器观测磁电传感器输出的波形。

五、数据分析与记录
1、数据记录表格
2、⽤matlab 绘制的V-n 曲线图如下图所⽰
3、电涡流传感器传感器测量转速原理
传感器线圈由信号激励，使它产⽣⼀个交变磁场，当被测导体靠近线圈时，在磁场作⽤范围的导体表层，产⽣了与此磁场相交链的电涡流，⽽此电涡流⼜将产⽣⼀交变磁场阻碍外磁场
的变化。

因此当被测体与传感器间的距离改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发⽣变化，于是把位移量转换成电量。

六、实验报告
1．分析电涡流传感器传感器测量转速原理。

2．根据记录的驱动电压和转速，作V-n曲线。

（操作性实验）班级：学号：学生姓名：实验题目：电涡流传感器特性与位移测量实验一、实验目的1、掌握电涡流传感器的特性和工作原理。

2、掌握电涡流传感器静态特性的标定方法。

二、实验仪器及器件电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微仪、示波器、电压表。

三、实验内容及原理3.1实验原理电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。

当平面线圈、被测体(涡流片)、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。

将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。

3.2实验内容1、利用所需部件，连接一个利用电涡流位移传感器测量位移的测试系统。

2、掌握实验原理，列出实验步骤。

3、根据实验步骤进行测量。

4、记录测量数据，最少测5组数据。

5、根据数据描出实验曲线。

6、计算实验数据，得出电涡流位移传感器静态特性。

三、实验步骤1．安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行。

安装好测微头，将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。

涡流变换器输出端接电压表20V档。

2．开启仪器电源，用测微仪将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出。

用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHz。

3．用测微仪带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零。

涡流变换器中的振荡电路停振。

4．旋动测微仪使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.25mm 记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形。

将V、X数据填入下表四、实验测试数据表格记录表1五、实验数据分析及处理1、非线性度：图一线性方程为y = -1.9757x - 1.5198表2非线性度%88.426.6277.0max 1==∆=FS y e 2、灵敏度-1.975S =∆3、重复性图二%63.026.604.0max ==∆=FS R y e4、迟滞%76.126.611.0e max ==∆=FS t y1正-2正 0 0.01 0.04 0.01 0.02 0.01 0.02 0.02 0.01 -0.01 1正-3正 -0.04 0 0.03 0.01 0.01 0 0.010.010 0 2正-3正-0.04-0.01-0.01-0.01-0.01-0.01 -0.01-0.010.011正-1反 0.09 0.06 0.06 0.08 0.1 0.07 0.07 0.07 0.07 0 2正-2反 0 0.04 0.01 0.07 0.07 0.06 0.05 0.04 0.05 0 3正-3反0.110.050.030.060.090.350.050.040.03六、实验结论与感悟 1、实验结论1实验结论 非线性度%88.426.63055.0max 1==∆=FS y e 灵敏度-1.9757S =∆ 重复性%63.026.604.0max ==∆=FS R y e迟滞%76.126.611.0e max ==∆=FS t y2实验心得在本次实验中，我了解了电涡流传感器的特性及工作原理，掌握了振荡频率与输出电压的关系，掌握了电涡流式传感器的静态标定方法。

电涡流传感器电路设计作者：汪晓凌杜嘉文来源：《硅谷》2013年第01期摘要：在无损测量当中，电涡流传感器测量因为能够实现工件在线非接触测量，测量精度高、无污染、制作价格低廉等优点，一直被作为一种重要的检测设备，在涡流技术高速发展的今天，电涡流的优势越来越明显应用也越来越广泛。

电涡流传感器是电涡流测量淬火层厚度的核心部分，传感器的测量精度直接影响整个测厚设备的精度，传统的电涡流传感器包括测量探头、整流滤波电路的设计、放大器的设计等，电涡流传感器的精确测量也离不开位移测厚标定器，这里主要研究电涡流测厚核心电路的设计。

关键词：无损测量；电涡流；测厚；电路0 引言电涡流无损检测具有很悠久的历史，从Michael Faradays总结出电磁感应定律，即变化的磁场能产生电场以来，电磁感应相关技术取得了巨大的发展。

后来Foster提出的通过分析系统的阻抗变化来分析涡流检测仪的干扰因素，为涡流检测提供了很好的理论依据，大大推动了电涡流无损检测技术的发展。

通过对阻抗分析法的有效运用，电涡流测量技术已经渗透到我们工业测量的方方面面，包括了航空航天、核工业、机械、冶金、石油、化工、机械、汽车等部门，电涡流无损技术的快速发展，相关研究和运用也越来越广泛，其中传感器的电路设计和测量精度的控制都是研究的焦点。

1 涡流检测原理图涡流检测是无损检测的一个分支，是运用电磁感应原理，将一半径为r的线圈通过正弦波电流后，线圈周围就会产生一交变磁场H1；若在距线圈x处有一电导率为a，磁导率为u厚度为d的金属板，线圈周围的交变磁场会在金属表面产生感应电流，也称作涡流。

金属表面也产生一个与原磁场方向相反的相同的相同频率的磁场H2，反射到探头线圈，导致载流线圈的阻抗和电感的变化，改变了线圈的电流大小及相位，原理图如图1所示。

图1 电涡流测厚原理图2 测厚探头的设计图2 电涡流测量电路整体设计图电涡流测量电路的整体测量电路设计图如图2所示，涡流探头测量物体厚度后引起阻抗的变化，通过电桥电路转化成电流信号输出，也由于信号很微弱，需要经过放大器进行功率放大输出，经过整波电路，把交流信号转化为直流信号，然后把那些高频的还有低频的号过滤掉，得到干扰较小的电流信号，经过放大器尽心比例放大后接入ARM7的A/D转换接口，把模拟信号转化为数字信号，对信号进行控制然后接入数字示波器，观察波形输出，把结果通过PC 机显示出来[1]。

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY《传感器原理及应用》课程考核论文题目电涡流位移传感器设计班级机设八班学号姓名成绩机械与汽车工程学院机械电子工程系二零一二年五月电涡流位移传感器摘要：随着现代测量、控制盒自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。

特别是近年来，由于科学技术的发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域的作用也日益显著。

传感器技术的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。

在工程中所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，及研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速的非电量技术。

电涡流传感器已成为目前电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。

关键词：电涡流式传感器传感器技术电量非电量Abstract：With modern measurement, control box of automation technology development, the sensor technology is more and more attention by people. Especially in recent years, due to the development of science and technology and ecological balance the need, sensor in various fields are also increasingly significant role. The sensor technology application in many developed countries, has been paid attention to. In the project in measured parameters for the most power, the power to urge people to approach to the power, and the research method of the electricity measurement of electric instruments, to study how to correct and fast the power technology. The eddy current sensor has become the electrical measurement technology is very important means of detection, widely used in engineering survey and scientific experiments.Key words：Eddy current sensor, sensor technology ,non-power electrical measurement techniques,一：总体设计方案电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。

基于电涡流传感器的小位移测量系统设计于明军;孙福玉;韩铮;张迪【摘要】针对物理实验中对小位移的测量读数困难的问题,提出了一种基于电涡流传感器测量小位移的方法.根据谐振原理设计了涡流传感器检测和调理电路,利用位移量影响谐振电路Q值的特性,实现了小位移量到电压量的转换,使用单片机采集信号并用软件方法对测量结果校准.实验结果表明,系统可以准确测量小位移,同时可消除使用物理测量工具时产生的读数误差.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2015(032)005【总页数】4页(P111-114)【关键词】位移测量;电涡流传感器;数据采集;微控制器【作者】于明军;孙福玉;韩铮;张迪【作者单位】赤峰学院物理与电子信息工程学院,内蒙古赤峰024400;赤峰学院物理与电子信息工程学院,内蒙古赤峰024400;赤峰学院物理与电子信息工程学院,内蒙古赤峰024400;赤峰学院物理与电子信息工程学院,内蒙古赤峰024400【正文语种】中文【中图分类】TP212.1电涡流传感器是一种非接触式的传感器件,它具有高线性度、高分辨力，可用于位移、振动和转速等静态和动态的相对位移变化测量[1]。

学生实验中对小位移的测量通常使用游标卡尺或千分尺，数据不能直观显示且存在读数误差。

本文利用电涡流传感器设计了一种小位移测量系统，能够自动显示测量结果，使用方便且测量精度高。

利用单片机采集、处理信号，电路简单，成本低廉[2]。

电涡流传感器的测量原理如图1所示，根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流i2，电涡流又产生新的交变磁场H2， H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化[3-4]。

将被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2所示的等效电路。

电路中除了自感L1和L2,外，探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。

《传感器原理及应用》电涡流传感器的位移特性实验报告1.实验功能要求了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性；了解不同的被测材料对电涡流传感器性能的影响：了解电涡流传感器在实际应用中其位移与被测体的形状和尺寸有关。

2.实验所用传感器原理基本原理：电涡流式传感器是一种建立在涡流效应源理上的传感器。

电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体(导电体一金属涡流片)组成，根据电磁感应原理，当传感器线圈(一个扁平线圈)通以交变电流(频率较高，一般为1MHz~2MHz)I₁时，线圈周围空间会产生交变磁场H₁，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流J₂，而I₂所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。

我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环。

图中R₁、L₁为传感器线圈的电阻和电感。

短路环钉以认为是一匝短路线圈，其电阻为R₂、电感为L₂。

线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。

电涡流变换器原理图3.实验电路图2 电涡流传感器安装示意图图3 电涡流传感器接线图3.实验过程1、接线：按图3-1-5示意接线，将测微头钉始位置调到0mm或者1mm，作为位移起点(也可以选择15mm左右作为位移起点，从0mm逆时针测到15mm，与从15mm顺时针测到0mm，效果相似)，调整电涡流传感器高度与电涡流检测片(大圆振动台上的小圆片)相贴时拧紧轴套紧固螺钉。

2、计数：将电压表(F/V表)量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后扛开主、副电源(在涡流变换器输入端可接示波器观测振荡波形)，记下电压表读数，然后从0mm逆时针(此时电涡流线圈与其检测片间距为零，互感为零，M=0)调节测微头微分筒每隔0.2mm读一个数，直到输出Vo变化很小为止并记入表1.3、根据表1数据作出V-X实验曲线。

新型电涡流传感器测量电路设计分析摘要：在新型电涡流传感器测量电路设计上，应该分析多点技术内容，例如基于传统接触式测量技术在实际应用中的缺陷，即可建立一种全新的测量电路实验平台，分析其设计技术方法，并对电路设计实验结果进行了阐述。

关键词：新型电涡流传感器；测量电路设计；实验平台；设计方法；实验结果工程检验施工中需要对多种物理量检测数据进行分析，最终归结转化获得机械位移量，如此对监控提高检测仪器性能是很有帮助的。

例如针对新型电涡流传感器的测量电路设计分析需要提高测量灵敏度与准确度，优化测量电路设计动态范围，要结合传感器测量电路的稳定运行性能与运行恶劣环境进行分析。

1.新型电涡流传感器的工作原理分析新型电涡流传感器的基本构成包括了延伸电缆、探头线圈、信号处理模块以及被测体四大部分。

在设备运行过程中，需要分析交变磁场变化，对其有效运行范围进行分析，了解被测体靠近过程中磁场能量的损失变化。

此时被测体中会产生电涡流产生交变磁场，其中磁场反作用可确保线圈电流大小与相位变化，分析线圈阻抗变化情况，并对新型电涡流传感器的涡流场反作用问题进行分析，如图1[1]。

图1新型电涡流传感器的基本构成结构示意图如图1，在线圈阻抗变化过程中，需要分析被测体电导率、线圈几何参数、线圈被测体之间的相互控制距离进行分析，深入了解被测体的电阻率、磁导率以及厚度变化情况。

如此可建立高频放射式测距涡流传感器，并对低频透射测厚涡流传感器内容进行分析，提出相关技术解决方案。

简言之，它所建立的是围绕被测体、输入电流、线圈、磁场能量耦合、电涡流所共同构建的新型电涡流传感器系统技术体系[2]。

1.新型电涡流传感器测量电路的设计流程与设计方法1.设计流程1建立布线图在新型电涡流传感器测量电路设计流程中，需要首先采用印制板并设计电源线与地线，它可为电路正常工作提供不竭电源动力，同时配置导线内容，建立影响电路板电磁兼容的导线部分。

在设计过程中，需要对地线组合所形成的电容部分进行分析，建立地线电路基准，确保多个电路都能提供0V参考电压，分析朱电磁干扰情况，结合底线对PCB到点面积分布均匀性进行分析，建立新型电涡流传感器测量电路机制，避免出现串扰问题。

电涡流传感器位移实验
一、实验目的：
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、基本原理：
通以高频电流的线圈会产生高频磁场，当有导体接近该磁场时，会在导体表面产生涡流效应，而涡流效应的强弱与该导体与线圈的距离有关，因此通过检测涡流效应的强弱即可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：
电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。

四、实验步骤：
1、根据图８－１安装电涡流传感器。

2、观察传感器结构，这是一个扁平的多层线圈，两端用单芯屏蔽线引出。

3、按图8-2将电涡流传感器输出插头接入实验模板上相应的传感器输入插口，传感器作为由晶体管T1组成振荡器的一个电感元件。

４、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

５、将实验模板输出端V0与数显单元输入端Vi相接。

数显电压表量程置20V档。

图8-1
图8-2
６、用连接导线从主控箱接入＋15V直流电源到模板上标有+15V的插孔中。

７、移动测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，旋转测微每隔0.2mm 读一个数，直到输出几乎不变为止，将结果填入表8-1。

表8-1：电涡流传感器位移与输出电压数据
8、根据表8-1数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及选择位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和非线性误差（可以用端基法或其它拟合直线）
五、思考题：
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如需要测量±3mm的量程应如何设计传感器处理电路？
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器？。

传感器技术实验报告实验序号：实验二十三系别：电子通信工程系班级：电信****班组别：第七组成员： ******* ****** 实验分析 ******* ***** 线路连接******** ***** 数据记录******** ***** 撰写报告2015年3月30日实验二十三电涡流传感器位移特性实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、基本原理：通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模块、电涡流传感器、直流电源、数显单元（主控台电压表）、测微头、铁圆片。

四、实验步骤：1、根据图8-1安装电涡流传感器。

2、观察传感器结构，这是一个扁平绕线圈。

3、将电涡流传感器输出线接入实验模块上标有Ti的插孔中，作为振荡器的一个元件。

4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

5、将实验模块输出端Vo 与数显单元输入端Vi相接。

数显表量程切换开关选接主控箱数显表地V i接主控箱电源输出图8-2 电涡流传感器位移实验接线图+15V择电压20V档。

6、用连接导线从主控台接入+15V直流电源到模块上标有+15V的插孔中，同时主控台的“地”与实验模块的“地”相连。

7、使测微头与传感器线圈端部有机玻璃平面接触，开启主控箱电源开关（数显表读数能调到零的使接触时数显表读数为零且刚要开始变化），记下数显表读数，然后每隔0.2mm（或0.5mm）读一个数，直到输出几乎不变为止。

将结果列入表8-1。

表8-1 电涡流传感器位移X与输出电压数据X（mm）0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 V（v） 5.76 7.14 8.22 8.58 8.67 8.72 8.75 8.78 8.8 8.82 8.838、根据表8-1数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm、5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

新型电涡流传感器测量电路设计电涡流传感器是一种能够将金属中的涡流效应转换为电信号的传感器，广泛应用于工业领域的位移、速度和金属表面缺陷等测量。

而新型电涡流传感器测量电路设计则是针对传感器测量信号处理的核心部分，其设计的好坏直接关系到传感器测量精度和稳定性。

这篇文章将从深度和广度的角度，全面评估新型电涡流传感器测量电路设计的关键要素，并探讨其在工业应用中的重要性。

1. 传感器原理及特点在进行新型电涡流传感器测量电路设计之前，首先需要了解传感器的工作原理和特点。

电涡流传感器利用涡流效应来检测金属表面的缺陷或测量金属零件的尺寸、形状等参数。

其工作原理是当金属表面被感应线圈的交变磁场影响时，会在金属内部产生涡流，并产生一个感应电动势，感应线圈测量出这个电动势，从而实现对金属的测量。

而新型电涡流传感器相比传统传感器具有更高的灵敏度、更快的响应速度和更广的测量范围。

2. 传感器测量电路设计要求在进行新型电涡流传感器测量电路设计时，需要考虑的关键要素包括信号放大、滤波、AD转换、数字信号处理等。

对于传感器的微弱信号，需要进行有效的放大处理，以提高信噪比和测量灵敏度；由于传感器信号可能存在噪声等干扰，需要设计合适的滤波电路来滤除杂散干扰，保证信号质量；另外，为了实现对信号的数字化处理和后续数据处理，还需要进行AD转换和数字信号处理的设计；对于工业现场的使用，还需要考虑电涡流传感器测量电路的稳定性和抗干扰能力。

3. 设计方案及优化在新型电涡流传感器测量电路设计中，可以采用多种电路设计方案来实现对传感器信号的高精度采集和处理。

常见的方案包括差动放大电路、滤波电路、高速AD转换电路等。

对于特定应用场景，可以根据实际需求选取合适的电路方案，并通过仿真、实验等手段对电路进行优化。

在差动放大电路中，可以采用低噪声、低偏置电流的运算放大器来实现微弱信号的放大，提高测量精度；在滤波电路中，可以采用低通滤波器来滤除高频噪声，保证信号的准确性。

电涡流式位移传感器实验报告一、引言电涡流式位移传感器是一种常用的非接触式位移测量装置，它基于涡流效应原理，可用于测量金属物体的位移变化。

本实验旨在探究电涡流式位移传感器的原理和性能，并通过实验验证其在位移测量中的应用。

二、实验原理电涡流效应是指当导体在磁场中运动或受力时，由于磁场的变化而在导体中产生涡流的现象。

在电涡流式位移传感器中，传感器探头由线圈和磁铁构成。

当探头靠近金属物体时，磁铁产生的磁场会感应出涡流，并改变线圈的电阻。

通过测量线圈的电阻变化，可以确定金属物体的位移大小。

三、实验步骤1. 准备实验装置：将电涡流式位移传感器固定在测量平台上，将金属物体放置在传感器上方，并调整传感器与金属物体的距离。

2. 连接电路：将传感器的线圈接入测量电路中，保证电路的可靠连接。

3. 调节参数：根据实际情况，调节传感器的灵敏度和滤波器的参数，以获得准确的位移测量结果。

4. 进行位移测量：通过改变金属物体的位置或距离，记录传感器输出的电阻值，并计算出相应的位移值。

5. 数据分析：根据实验数据，分析位移测量的准确性和稳定性，评估电涡流式位移传感器的性能。

四、实验结果经过多次实验测量，我们得到了一系列位移测量数据，并计算出相应的位移值。

实验结果表明，电涡流式位移传感器具有较高的测量精度和稳定性，在不同位移范围内均能提供准确的测量结果。

五、实验讨论1. 影响位移测量精度的因素：在实验中，我们发现传感器与金属物体的距离、金属物体的材料和形状等因素都会对位移测量结果产生影响。

通过合理调整传感器的参数和选择合适的金属物体，可以提高位移测量的精度。

2. 传感器的应用范围：电涡流式位移传感器广泛应用于工业自动化、机械制造和航天航空等领域，用于测量零件的位移、振动和变形等参数，为工程设计和质量控制提供重要的数据支持。

六、结论通过本次实验，我们深入了解了电涡流式位移传感器的原理和性能，并验证了其在位移测量中的应用。

实验结果表明，电涡流式位移传感器具有高精度、稳定性好的优点，适用于各种位移测量场景。

㊀２０２０年㊀第９期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．９㊀基金项目：天津市科委青年基金项目（１５ＪＣＱＮＪＣ４２１００）；天津市科技特派员项目（１６ＪＣＴＰＪＣ４８１００，１６ＪＣＴＰＪＣ４７２００）收稿日期：２０１９－０７－２３基于电涡流传感器的微位移测量系统的设计荣㊀锋１，２，韩㊀信１，郭翠娟１，２（１．天津工业大学电子与信息工程学院，天津㊀３００３８７；２．天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津㊀３００３８７）㊀㊀摘要：针对金属物体微位移测量困难的问题，设计了一种基于电涡流原理的位移测量系统㊂文中使用一种新型桥式结构设计了系统的硬件电路，完成金属物体的位移量到电压量的转换；使用软件拟合的方法对传感器信号进行非线性补偿和温度补偿，提高传感器的测量精度以及稳定性㊂测试结果表明，在０ ２ｍｍ量程范围内电涡流传感器位移测量系统的线性度小于０．７５％，最小仅有０．２５％，满足金属物体微位移测量的要求㊂关键词：位移传感器；测量系统；系统补偿；非线性误差中图分类号：ＴＰ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）０９－００１２－０７ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｉｃｒｏ⁃ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＥｄｄｙＣｕｒｒｅｎｔＳｅｎｓｏｒＲＯＮＧＦｅｎｇ１，２，ＨＡＮＸｉｎ１，ＧＵＯＣｕｉ⁃ｊｕａｎ１，２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８７，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｉａｎｊｉｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＳｙｓｔｅｍ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｉｃｒｏ⁃ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｍｅｔａｌｏｂｊｅｃｔｓ，ａｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｏｂｊｅｃｔｔｏｔｈｅｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｆｉｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｎｏｎｌｉｎｅａｒｌｙｃｏｍｐｅｎｓａｔｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅｓｅｎｓｏｒｓｉｇｎａｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｌｉｎｅａｒｉｔｙｏｆｔｈｅｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０．７５％ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｉｓｏｎｌｙ０．２５％ｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ０ ２ｍｍ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｍｉｃｒｏ⁃ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅａｓ⁃ｕｒｅｍｅｎｔｏｆｍｅｔａｌｏｂｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒ；ｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｒｒｏｒ０㊀引言机械运转监测和科学实验中经常需要进行金属物体微位移测量，位移测量方式有接触式和非接触式，非接触式测量的优点在于不需要和被测目标进行接触即可工作，效率高且不易磨损㊂利用非接触式电涡流传感器来测量位移不仅具有较高的准确度和测量精度，而且抗干扰能力强㊁可靠性好㊂本文基于电涡流原理设计了一种调幅式传感器位移测量系统㊂在电涡流传感器的阻抗测量电路中，交流电桥法是调幅式设计方法中的一种，它的优点在于具有较高的分辨率和系统稳定性㊂Ｗ．Ｌｉ等［１］设计的调幅式测量电路不适用于小尺寸㊁低阻抗的传感器探测线圈，系统分辨率不高，且线圈没有接地端容易受到干扰，影响系统的稳定性；Ｈ．Ｂ．Ｗａｎｇ等［２］设计了一种电桥式测量电路，该电路具有较高的分辨率，但是使用探测线圈和参考线圈搭建的电桥电路对参考线圈阻抗值的精度要求很高，且线圈阻抗受环境影响较大，引入参考线圈容易影响系统的稳定性㊂本文提出了一种新型电桥式位移测量方案，使用高精度低温漂的电阻电容替代参考线圈设计了交流电桥，不仅拥有较高的分辨率，而且排除了参考线圈的不稳定因素，提高了系统的稳定性㊂本文使用高性能仪表放大器和高精度低温漂器件设计传感器位移测量系统的硬件电路，并使用软件对输出信号进行非线性补偿和温度补偿，完成了具有高精度㊁高稳定性等优异性能的电涡流传感器位移测量系统的设计㊂本文的研究成果为电涡流传感器位移测量的有关设计提供了一种参考解决方案㊂㊀㊀㊀㊀㊀第９期荣锋等：基于电涡流传感器的微位移测量系统的设计１３㊀㊀１㊀测量原理电涡流传感器位移测量的原理是电涡流效应，而电涡流效应的机理是电磁感应㊂麦克斯韦提出了 位移电流 和 涡旋电场 假说，用麦克斯韦第一方程和第二方程的积分形式表示为：ɥｌＨң㊃ｄｌң＝ʏｓ（Ｊң＋∂Ｄң）∂ｔ）㊃ｄｓң（１）ɥｌＥ㊃ｄｌң＝－ʏｓ∂Ｂң∂ｔ㊃ｄｓң（２）式中：Ｈ为磁场强度；Ｊ为电流面密度；Ｄ为电位移矢量；Ｅ为电场强度；Ｂ为磁感应强度㊂麦克斯韦第一方程表明了变化的电场可以产生磁场，第二方程表明了变化的磁场可以产生电场，这两个方程解释了通电线圈磁场和金属导体涡流磁场的由来㊂图１是电涡流传感器原理图㊂当激励源施加激励信号到探测线圈上，线圈四周产生交变磁场Ｈ１，该交变磁场在空间中产生感应电场㊂当金属导体靠近线圈时，感应电场在金属导体中产生感应电流，即电涡流㊂电涡流产生涡流磁场Ｈ２，该磁场方向和线圈磁场Ｈ１的方向相反，因而削弱了线圈磁场，使得线圈的有效阻抗发生改变［３］㊂根据探测线圈阻抗的变化，设计位移测量电路即可实现金属物体位移的测量㊂图１㊀电涡流传感器原理图２㊀系统硬件设计电涡流传感器位移测量系统的硬件部分主要由信号发生模块㊁信号提取模块㊁相敏检波模块㊁后级输出模块㊁信号补偿模块组成，系统的硬件总体框图如图２所示㊂探测线圈作为电桥电路中的一支桥臂，激励信号施加到电桥电路中，利用差分放大器放大电桥信号；前置放大器输出的信号经过相敏检波电路进行解调，通过低通滤波器滤掉交流信号获取直流信号［４］；解调出来的直流信号经过电压正偏置后由后级放大器进行零电位调整和放大，再由模拟数字转换器采集该信号，通过软件求出拟合方程，并利用微处理器进行信号的非线性校正和温度补偿；最后通过液晶显示器显示电涡流传感器的位移测量结果㊂图２㊀系统硬件总体框图２．１㊀信号发生模块电路设计信号发生模块包括正弦信号发生电路和功率放大电路㊂正弦信号发生电路的作用是产生１ＭＨｚ的正弦激励信号，原理图如图３所示㊂有源温补晶振振荡产生１ＭＨｚ的方波信号，常温下频率稳定性为０．１ｐｐｍ／ħ，－４０ ８０ħ温度频差为１．５ｐｐｍ／ħ，频率稳定性高（１ｐｐｍ＝１０－６）㊂图３㊀正弦信号发生电路原理图㊀㊀㊀㊀㊀１４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＳｅｐ．２０２０㊀从１ＭＨｚ的方波中获取１ＭＨｚ的正弦波，其原理是对方波信号进行傅里叶级数展开，展开式为ｆ（ｔ）＝２Ｅπ（ｓｉｎｗ０ｔ＋１３ｓｉｎ３ｗ０ｔ＋１５ｓｉｎ５ｗ０ｔ＋ ＋１ｎｓｉｎｎｗ０ｔ）（ｎ＝１，３，５，７ ）（３）展开式中包含一次谐波和多次谐波，利用低通滤波器滤除方波信号中的二次和二次以上的谐波分量，保留一次谐波即可得到１ＭＨｚ的正弦信号㊂本文使用高速运算放大器ＡＤ８１７设计截止频率为１．５ＭＨｚ的四阶有源低通滤波器进行滤波㊂由于信号发生电路产生的激励信号电流较小，驱动能力较弱，需要进行功率放大以驱动线圈㊂本文选用电流反馈运算放大器ＴＨＳ３０９５构成反向放大器，该运放宽带宽，低失真，电流驱动能力高达２５０ｍＡ，其原理图如图４所示㊂图４㊀功率放大电路原理图２．２㊀信号提取模块电路设计信号提取模块电路包括电桥电路和前置差分放大电路，目的是将被测位移的变化转化为电压量变化并进行放大，其原理图如图５所示㊂电桥电路中，Ｐ是探测线圈，传统的电桥方案使用和探测线圈同阻抗的参考线圈使得电桥达到平衡，本文使用并联型电阻电容替代参考线圈㊂探测线圈可近似看作电阻和电感的串联，分别记做ｒ和Ｌ，电桥的平衡条件为Ｒ１０ｒ＋ｊｗＬ＝Ｒ９ʊ１ｊｗＣ１７Ｒ１１（４）即满足：Ｒ９＝ＬｒＣ１７，Ｒ１１＝ｒＲ９Ｒ１０（５）线圈的阻抗通过Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ阻抗分析仪在１ＭＨｚ的激励信号下测得线圈电阻ｒ为１４．４Ω，线圈电感Ｌ为３２．５μＨ，根据式（５）合理选取电桥的其他参数，使得电桥达到平衡㊂前置差分放大器选用ＩＮＡ１０３，它由３个运算放大器对称组成，输入噪声仅有１ｎＶ／Ｈｚ，增益带宽积为图５㊀信号提取模块电路原理图１００ＭＨｚ，共模抑制比大于１００ｄＢ，适用于本文中交流电桥微弱信号的差动放大㊂该放大器的增益通过改变电阻ＲＧ１来调整，放大倍数Ｇ１＝１＋６ｋΩ／ＲＧ１，本文中放大倍数设定为５１㊂信号提取模块电路选用ＫＯＡ的高精度低温漂电阻，电阻精度为０．１％，温漂系数仅为５ˑ１０－６／ħ，以减小传感器的输出漂移㊂２．３㊀相敏检波模块电路设计为了获得由线圈阻抗变化引起发生改变的电压信号，本文采用相敏检波的方法进行鉴别［５］㊂相敏检波使用的器件是四象限电压输出模拟乘法器ＡＤ８３５，该乘法器乘积噪声低，响应快，其原理图如图６所示㊂乘法器的一端输入待检波信号，另一端输入激励信号作为参考信号，其输出函数为Ｗ＝（Ｘ１－Ｘ２）（Ｙ１－Ｙ２）／Ｕ＋Ｚ，本文中Ｕ＝１，Ｚ＝０㊂假设乘法器输入端的待检波信号和参考信号分别为ａｃｏｓ（ｗｔ＋φ１）和ｂｃｏｓ（ｗｔ＋φ２），则输出Ｗ为㊀㊀㊀Ｗ＝ａｃｏｓ（ｗｔ＋φ１）㊃ｂｃｏｓ（ｗｔ＋φ２）＝ａｂ２［ｃｏｓ（２ｗｔ＋φ１＋φ２）＋ｃｏｓ（φ１－φ２）］（６）输出信号中包含交流分量和直流分量，经过无源低通滤波器滤掉交流成分，滤波器的截止频率为３．６ｋＨｚ㊂低通滤波后得到直流分量ａｂｃｏｓ（φ１－φ２）／２，其大小只受被检波信号的幅值影响，且是正比关系，而被检波信号的幅值只和线圈的阻抗有关，因此达到了检波的目的㊂滤波器输出后需要接入电压隔离模块，避免后级电路影响前级输出的信号㊂２．４㊀后级输出模块电路设计后级输出模块电路包括基准电压源电路㊁电压偏置电路以及输出放大电路，目的是放大输出信号和提高传感器的输出灵敏度，其原理图如图７所示㊂基准电压源采用精密电压参考源ＬＭ４０４０Ｂ３０１，－４０ ８５ħ工作温度范围内稳定输出３Ｖ电压，目的是给电压偏置电路和给后级放大电路提供参考电压㊂电压偏置电路采用精密运算放大器ＯＰＡ１９２，作用是将相敏检㊀㊀㊀㊀㊀第９期荣锋等：基于电涡流传感器的微位移测量系统的设计１５㊀㊀图６㊀相敏检波模块电路原理图图７㊀后级输出模块电路原理图波出的直流信号在其变化范围内抬升为正电压，保证后级电压采集时没有负电压㊂输出放大电路使用低功耗仪表放大器ＡＤ８４２１，它具有高精度的直流性能，共模抑制比高达９４ｄＢ，输入失调电压漂移最大只有０．２μＶ／ħ，最大增益漂移１ｐｐｍ／ħ，适合作为后级直流放大器㊂ＡＤ８４２１的传递函数为ＶＯＵＴ＝Ｇˑ（Ｖ＋ＩＮ－Ｖ－ＩＮ）＋ＶＲＥＦ（７）式中：Ｇ为放大倍数，Ｇ＝１＋９．９ｋΩ／ＲＧ２，文中放大倍数设定为１２０；ＶＲＥＦ为参考电压，ＶＲＥＦ＝０Ｖ㊂文中仪表放大器ＡＤ８４２１采用单电源供电，提升了放大器的供电电压和输出电压的范围，放大器使用参考电压作为输入端，使得放大器同时具有放大功能和零电位调整功能，提高了系统的灵敏度㊂２．５㊀信号补偿模块电路设计信号补偿模块采用软硬件结合的方法进行设计，其硬件部分是基于ＡＲＭ微处理器ＳＴＭ３２Ｆ１０３完成的，包括ＡＤ采样模块㊁液晶显示模块和温度测量模块㊂本文使用的ＡＤＣ模块是ＳＴＭ３２自带的１２位逐次逼近型模拟数字转换器，ＳＴＭ３２的ＡＤＣ有１８个通道，可测量１６个外部和２个内部信号源，ＡＤＣ最大转换速率为１ＭＨｚ㊂本文使用的ＡＤＣ电压参考源为前文提到的３Ｖ基准电压源ＬＭ４０４０Ｂ３０１，可为ＡＤＣ模块提供精确的参考电压㊂液晶显示模块使用的是４．３ᵡＴＦＴＬＣＤ模块（１ᵡ＝２．５４ｃｍ），支持１６位真彩显示，自带触摸屏㊂温度测量模块使用的是ＤＳ１８Ｂ２０数字温度传感器，其温度测量范围为－５５ ＋１２５ħ，当温度范围超过－１０ ８５ħ范围之外时还具有０．５ħ的精度㊂电涡流传感器输出的信号先由ＡＤＣ模块采样，然后由微处理器处理采样信号和温度传感器输出的信号，最后通过液晶屏显示传感器系统测量的位移值㊂３㊀系统补偿方案设计由于电涡流传感器位移测量具有严重的非线性特性，主要原因有：目标金属的位移和线圈阻抗的变化是非线性关系；线圈阻抗的变化和电桥的输出是非线性关系；电子器件的输入和输出不是绝对的线性关系㊂因此需要给传感器位移测量系统接入非线性补偿模块，以使系统的输出和目标金属的位移呈线性关系㊂此外，系统的输出受温度影响较为明显，其主要原因是探测线圈的阻抗受温度影响较大，由于本文使用的电子器件都是低温漂器件，输出受温度影响很小，因此系统整体的温度漂移主要来源于探测线圈㊂温度的变化影响系统的测量精度和线性度，需要设计温度补偿模块以排除温度的干扰［６］㊂本文采用软件拟合的方法结合微处理器对系统进行非线性补偿和温度补偿㊂假设电涡流传感器输出的电压为ＵＸ，温度传感器测得环境温度为ＣＴ，金属导体的位移Ｘ与ＵＸ和ＣＴ有关，因此Ｘ是ＵＸ㊁ＣＴ上的二元函数，故采用二元函数拟合的方法进行补偿㊂本文使用二元回归分析算法，即融合处理两个变量得到唯一的输出结果［７］㊂二元回归模型如图８所示，即用ＵＸ和ＣＴ联合表示Ｘ：Ｘ＝ｆ（ＵＸ，ＣＴ）（８）图８㊀二元回归模型框图为了获得不同位移和不同温度下电涡流传感器位移测量系统输出的电压数据，本文搭建了图９所示的实验示意图［８］㊂该实验平台包括恒温箱和位移装置，恒温箱温度调节范围为室温至１２０ħ，位移装置的最高测量精度为０．５μｍ／格㊂将位移装置放到恒温箱中，传感器探测线圈固定到位移装置上，调节位移装置和恒温箱温度并进行实验㊂为了减少实验时间和保证数据的可靠性，实验按照升温的过程进行，每个温度下先恒温２０ｍｉｎ再进行实验㊂㊀㊀㊀㊀㊀１６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＳｅｐ．２０２０㊀图９㊀实验测试平台从实验平台测得的数据记录在表１中㊂根据实验标定的数据建立二元回归方程：Ｘ＝α００＋α１０ＵＸ＋α０１ＣＴ＋α２０Ｕ２Ｘ＋α１１ＵＸＣＴ＋α０２Ｃ２Ｔ＋α３０Ｕ３Ｘ＋α２１Ｕ２ＸＣＴ＋α１２ＵＸＣＴＣ２Ｔ＋α０３Ｃ３Ｔ＋α４０Ｕ４Ｘ＋α３１Ｕ３ＸＣＴ＋α２２Ｕ２ＸＣ２Ｔ＋α１３ＵＸＣ３Ｔ＋α５０Ｕ５Ｘ＋α４１Ｕ４ＸＣＴ＋α３２Ｕ３ＸＣ２Ｔ＋α２３Ｕ２ＸＣ３Ｔ（９）式中：Ｘ为补偿后的位移测量系统输出的位移值；α００，α１０，α０１ 为常系数㊂表１㊀不同温度下涡流传感器输出电压输入位移／ｍｍ不同温度下系统输出电压／Ｖ２２．５ħ２５．８ħ３１．６ħ３６．６ħ４０．７ħ４５．４ħ５１．０ħ５６．６ħ６１．６ħ００．２８８０．５２６１．０８８１．５４４１．９１３２．４３５２．９５２３．５９９４．２８３０．１１．８３８２．０３５２．４７６２．８５５３．１２９３．５５９３．９１９４．３８０４．９４７０．２３．８３８４．０３０４．４３５４．７８４５．０８６５．４５８５．８１７６．２４８６．７９５０．３５．６２５５．８１７６．２０２６．５１６６．８１０７．１５０７．５１９７．９２９８．４５６０．４７．２４５７．４１７７．７９７８．０９６８．３７４８．６９４９．０４８９．４５８９．９５４０．５８．６８３８．８６６９．２２５９．５０４９．７７７１０．０７６１０．４２５１０．８３０１１．３１１０．６９．９６４１０．１５２１０．５２１１０．７７５１１．０１８１１．３１６１１．６６６１２．０５６１２．５３７０．７１１．１２９１１．３１６１１．６６１１１．９１９１２．１７２１２．４４０１２．７８０１３．１６５１３．６３００．８１２．１７２１２．３５４１２．７０４１２．９５７１３．１９０１３．４５３１３．７８７１４．１８７１４．６２３０．９１３．１１４１３．２９６１３．６２５１３．８７８１４．４１６１４．３６５１４．６９９１５．０８９１５．５１９１．０１３．９６０１４．１３７１４．４８６１４．７１４１４．９５２１５．２００１５．５１４１５．９０４１６．３３９１．１１４．７１９１４．９０１１５．２４１１５．４６８１５．７０６１５．９２４１６．２５３１６．６４８１７．０７４１．２１５．４０３１５．５８０１５．９１９１６．１５２１６．３８５１６．５９３１６．９１７１７．３３２１７．７３２１．３１６．０２５１６．２１８１６．５３２１６．７７０１７．０１８１７．２１０１７．５２９１７．９３９１８．３３９１．４１６．５８７１６．７８５１７．０９９１７．３３７１７．５８５１７．７６２１８．０８１１８．５０１１８．８８６１．５１７．０９９１７．２９６１７．６１５１７．８４３１８．０８６１８．２６９１８．５７７１９．０２３１９．４１８１．６１７．５７０１７．７５７１８．０７６１８．３１４１８．５４２１８．７２９１９．０４３１９．４６７１９．８５３１．７１７．９９０１８．１８２１８．５０１１８．７３９１８．９６７１９．１５０１９．４４８１９．８４４２０．２４８１．８１８．３７５１８．５６７１８．８８６１９．１２９１９．３４７１９．５２５１９．８１３２０．２１３２０．５９８１．９１８．７２９１８．９１７１９．２３１１９．４７９１９．７０７１９．８５３２０．１４２２０．５４３２０．９５８２．０１９．０５３１９．２４１１９．５４５１９．７８３２０．０１５２０．１７８２０．４１５２０．７９６２１．２５６根据式（９）可知，求解的关键问题在于常系数值的确定，本文使用软件运用最小二乘法进行拟合来求解方程的系数㊂根据表１中的数据，按照式（９）的函数模型进行拟合，得到拟合图形如图１０所示㊂从图１０中可以看到实验标定的数据点都在拟合曲面上说明，二元函数的拟合效果较好，且最优拟合系数分别为：α００＝０．３０５８，α１０＝－０．０００１２６２，α０１＝－０．０２２１，α２０＝－０．００２４６８，α１１＝０．００５４０７，α０２＝０．０００４７１，α３０＝０．００１４８５，α２１＝－０．０００６１７９，α１２＝－８．４１１ˑ１０－５，α０３＝－６．２５８ˑ１０－６，α４０＝－０．０００１１２９，α３１＝３．４ˑ１０－５，α２２＝２．６３１ˑ１０－６，α１３＝１．２８３ˑ１０－６，α３１＝３．４ˑ１０－５，图１０㊀二元函数拟合图形α２２＝２．６３１ˑ１０－６，α１３＝１．２８３ˑ１０－６，α５０＝３．１７６ˑ１０－６，α４１＝－１．０９ˑ１０－６，α３２＝１．６３６ˑ１０－７，α２３＝－７．１０２ˑ１０－８㊂㊀㊀㊀㊀㊀第９期荣锋等：基于电涡流传感器的微位移测量系统的设计１７㊀㊀将以上系数带入式（９）得到电涡流传感器位移测量系统的补偿方程，再将补偿方程导入微处理器，完成系统的补偿设计㊂４㊀性能验证试验为了测试电涡流传感器位移测量系统的性能，本文进行了系统性能验证试验，包括输入输出特性测试和稳定性测试㊂系统性能验证试验如图１１所示㊂图１１㊀系统性能验证试验４．１㊀输入输出特性测试本文对不同位移和不同温度下的电涡流传感器位移测量系统的输入输出位移进行了对比实验［９］㊂实验中位移测试间隔为１００μｍ，测量范围为０ ２ｍｍ，测试温度分别为２５．４㊁３１．０㊁３６．７㊁４２．６㊁４７．５㊁５１．６㊁５６．６㊁６０．６ħ㊂本文以传感器测量系统的输入位移为横轴，以系统补偿后的输出位移为纵轴，得到的实验结果如图１２所示㊂从图１２中可以看出，不同温度下电涡流传感器位移测量系统的输入输出特性曲线基本呈现为斜率为１的直线，表明了系统的输入和输出具有高度的一致性㊂电涡流传感器位移测量系统的输出误差如表２所示㊂图１２㊀传感器系统输入输出特性曲线表２㊀不同温度下位移输出误差输入位移／ｍｍ不同温度下系统输出误差／ｍｍ２５．４ħ３１．０ħ３６．７ħ４２．６ħ４７．５ħ５１．６ħ５６．６ħ６０．６ħ００．００１０．００６０．００７０．０１００．０１２０．００６０．００７０．００６０．１０．００１０．００２０．００７０．００３０．００２０．０１２０．００５０．００３０．２０．００２０．００１０．００４０．００５０．００８０．００２０．００３０．００３０．３０．００１０．００３０．００４０．００６０．００３００．００３０．００５０．４０．００２０．００１０．００１０．００３０．００１０．００２００．００２０．５０．００２０．００１０．００１０．００２０．００２０．００４０．００２０．００１０．６０．００１０．００２０．００４０．００１０．００１０．００３０．００１０．００２０．７０．００２０．００３０．００５０．００１０．００１０．００２０．００２０．００２０．８０．００２０．００２０．００４０．００２０．００１０．００２０．００３０．００４０．９００．００１０．００３００．００２０．００３０．００４０．００５１．００．００１００．００１０．００２０．００３０．００３０．００５０．００７１．１０．００２０．００１０．００２０．００３０．００３０．００４０．００５０．００５１．２０．００４０．００５０．００４０．００４０．００６０．００５０．００３０．００５１．３０．００４０．００７０．００４０．００４０．００６０．００３０．００３０．００４１．４０．００５０．００６０．００４０．００５０．００４０．００３０．００１０．００３１．５０．００４０．００５０．００３０．００４０．００２００．００５０．００４１．６０．００２０．００１０．００１０．００６０．００２０．００２０．００５０．０１０１．７００．００１００．００３０．００１０．００２０．００９０．０１２１．８０．００２０．００２０．００２０．００２０．００３０．００８０．０１１０．０１４１．９０．００３０．００４０．００１０．００１０．００２０．００３０．０１３０．０１３２．００．００３０．００４０．００３０．００２０．００３０．００２０．０１４０．０１５㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀１８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＳｅｐ．２０２０㊀从表２中可以看出，在２ｍｍ测量范围内，不同温度和不同位移下的位移测量系统的输出绝对误差在５μｍ左右，个别绝对误差超过１０μｍ，表明了系统测量精度高，也说明了二元函数拟合的方法具有较高的校正精度㊂传感器的线性度定义为δＬ＝ʃΔＹｍａｘＹˑ１００％（１０）式中：δＬ为线性度；ΔＹｍａｘ为校准曲线与拟合直线的最大偏差；Ｙ为传感器满量程输出㊂根据线性度的定义，从表２中计算得到传感器位移测量系统的线性度在２５．４ħ时最小，在６０．６ħ时最大，线性度分别为０．２５％和０．７５％，线性误差较小，结合图１２，说明本文设计的电涡流传感器位移测量系统的线性程度较好㊂４．２㊀稳定性测试系统稳定性测试主要测试工作状态下的电涡流传感器位移测量系统在一段时间内的稳定性㊂本文选择在常温下进行实验，将恒温箱调到２５ħ恒温，在量程范围内将位移装置设定在若干个位置处㊂实验前系统先预热５ｍｉｎ，然后每隔１ｍｉｎ测量一次输出电压和位移，持续测量２ｈ，共采集１２０个数据，分析传感器位移测量系统的稳定性［１０］㊂图１３是量程中点处的实验数据，在２ｈ测量过程中，系统的输出电压在１４．０８３ １４．１０６Ｖ（１．０００ １．００３ｍｍ）范围内随机变化，电压漂移在２３ｍＶ以内，位移漂移在３μｍ以内，电压和位移漂移都比较小㊂同理，将位移装置设定在其他位置处进行测试，测试结果表明本文所研制的电涡流传感器位移测量系统稳定性能良好㊂图１３㊀稳定性实验数据５㊀结束语本文设计了一种桥式电涡流传感器位移测量系统，并通过软件进行非线性补偿和温度补偿，实现了金属物体位移的测量㊂该位移测量系统测量精度达到微米级，拥有良好的线性和稳定性，在金属微位移测量领域具有较强的实用性㊂参考文献：［１］㊀ＬＩＷ，ＷＡＮＧＨＢ，ＦＥＮＧＺＨ．Ｎｏｎ⁃ｃｏｎｔａｃｔｏｎｌｉｎｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｅｔａｌｆｉｌｍｓｂａｓｅｄｏｎｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｉｎｇｗｉｔｈｄｉｓｔａｎｃｅｔｒａｃｋｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ］．ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃｉ⁃ｅｎｃｅＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２０１６，８７（４）：２５２５－２５６５．［２］㊀ＷＡＮＧＨＢ，ＦＥＮＧＺＨ．Ｕｌｔｒａｓｔａｂｌｅａｎｄｈｉｇｈｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｅｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒｕｓｉｎｇｓｅｌｆ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎ⁃ｓａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ，２０１３，２０３：３６２－３６８．［３］㊀赵友全，刘潇，陈玉榜，等．微型涡流电导率测量传感器的优化设计［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２０１５，２９（４）：５９８－６０３．［４］㊀于金鹏，周燕，莫逆，等．基于ＦＰＧＡ的数字化电涡流位移传感器设计［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２０１８，５８（３）：３３０－３３６．［５］㊀曹钊滨，宋文爱，杨录，等．桥式涡流检测系统的研究与设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１３（３）：６１－６３．［６］㊀谢锋，程文进，曹勇全．基于数据处理的高精度温压复合传感器的研究与设计［Ｊ］．传感技术学报，２０１７，３０（１２）：１８４５－１８４９．［７］㊀刘伟，李杰，王一焕．基于融合模型的高精度倾角测量系统设计［Ｊ］．传感技术学报，２０１６，２９（１０）：１６１９－１６２４．［８］㊀吕云腾，祝长生．基于温漂补偿的高温电涡流位移传感器［Ｊ］．浙江大学学报（工学版），２０１５，４９（４）：７４９－７５３；７８１．［９］㊀李照华，焦新泉，贾兴中．一种压电加速度传感器调理电路设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１７（１０）：１０－１３；２８．［１０］㊀ＬＩＷ，ＷＡＮＧＨＢ，ＦＥＮＧＺＨ．Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ⁃ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｎｏｎ⁃ｃｏｎｔａｃｔｄｉａｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｗｉ⁃ｒｅｕｓｉｎｇｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃｉｅｎｃｅＩ－ｓｔｒｕｍｅｎｔ，２０１５，８５（８）：５５４－５６１．作者简介：荣锋（１９７９ ），副教授，博士，主要研究方向为无损检测，信号采集与分析，故障监测㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｈｕｓｈｅｎｇ６７７＠１６３．ｃｏｍ韩信（１９９４ ），硕士研究生，主要研究方向为电磁传感器㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｍｉｌｅｎａｈ＠１６３．ｃｏｍ。