[發明專利]一種高溫自跟隨分級補償的差動變頻調幅式電渦流位移傳感器

有效

• 申請號: 201710399982.X
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107084659B
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 鄭世強;劉希明;韓邦成;王坤;張益明;張利勝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

技術領域

本發明屬于電渦流位移傳感器領域，涉及一種高溫電渦流位移傳感器檢測電路及其溫漂補償方法，使之能夠根據不同溫度產生的溫漂現象，通過分級化補償的方法自動跟隨溫度分級補償，隨后再通過兩路差動的方法二次消除誤差，實現高精準高溫測量。

背景技術

電渦流位移傳感器作為一種非接觸、測量范圍大、分辨率高、反應速度快的位移測量方式被廣泛的應用。普通的電渦流電路主要是由探頭和信號處理電路兩部分構成。其中探頭主要是由漆包線線圈和線圈骨架組成，溫度信號處理電路主要是由振蕩電路、檢波電路和濾波電路組成。

在高溫環境下，由于普通的電渦流位移傳感器其探頭線圈所自帶的阻抗會隨著溫度的變化而變化，進而導致輸出結果變化，即出現了溫漂現象，如圖6所示；與此同時，物體的導熱系數不同，相同的時間內會產生不同的溫升結果，在空間內存在被測物溫度與環境溫度之間的溫度滯后現象，導致測量時在同一環境溫度下產生測量誤差，稱之為時漂現象，如圖7所示。這將導致測量精度變低，高溫環境下會直接導致測量失真。雖然可以通過采用在被測物體相反方向上的兩路位移傳感器做差動的方法消除溫漂，但是由于電感的線圈纏繞方式等因素的不同，會出現在相同溫升環境下阻抗變化不同的現象，進而影響到兩路檢測電路的差動結果，影響輸出的精度值。

電渦流位移傳感器分為三種類型，即定頻調幅式、變頻調幅式和調頻式。不同的方式會有不同的諧振量。針對溫漂的補償方法主要有三種方式。第一種，通過在傳感器探頭線圈增加補償環節，進而抑制溫漂對線圈阻抗的影響；第二種，通過在探頭外加入特殊材料，降低高溫對傳感器探頭電氣參數的影響；第三種，通過在信號處理電路中增加相應的補償電路實現對溫漂的補償。

本發明與專利CN200710077238.3、專利CN201520168073.1都實現了高溫環境下的位移測量，與其區別在于本發明采用調頻調幅式電路，其中振蕩電路選用LC選頻網絡，傳感器電感L產生調制信號與載波信號，電路原理相對更加復雜，測量精度也會更高，而專利CN200710077238.3電感L只產生調整信號的位移信息，且不能消除因導熱系數不同引起“時漂誤差”的現象；專利CN200710077238.3利用熱敏電阻實現對溫度上的閉環操作，僅僅能消除穩態下的溫度漂移現象，但是也不能消除“時漂誤差”，而本發明不僅設計了溫度閉環補償，同時設計了兩路測量信號做差動的方式，能夠消除“時漂現象”。

目前在市場中，產品的測量范圍在-30℃-175℃之間，未有適用于在高溫350℃環境的位移測量傳感器成型產品。

發明內容

本發明的目的是提供一種高溫非接觸式電渦流位移傳感器的設計，使其能夠在高溫350℃的環境中工作。

本發明采用的技術方案為：一種高溫自跟隨分級補償的差動變頻調幅式電渦流位移傳感器，主要由探頭、溫度感應分級電路和信號處理電路三部分構成，其中探頭主要是由高溫漆包線線圈、高溫膠和陶瓷線圈骨架組成，溫度信號處理電路主要是由振蕩電路、檢波電路、濾波器、三級線性度補償電路和兩路信號差動電路組成，溫度感應信號分級電路主要有熱敏電阻、FPGA和模擬開關電路組成，其中振蕩電路負責載波信號的產生，采用變頻調幅電路，選用LC振蕩網絡，電感L負責能量振蕩的同時負責攜帶調制信號，調制信號包含在載波信號的峰值信號內；檢波電路負責獲取振蕩電路產生的載波信號的峰值信號，由二極管和電容組成；三級線性補償電路負責根據不同的溫度選擇不同的補償電路，由FPGA和模擬開關實現補償探頭線圈引起的溫漂現象；經過溫度補償后的信號經過差動電路來抵消掉時漂現象引起的測量誤差。

其中，檢測時，探頭電感L會隨位移量發生變化，通過振蕩電路、峰值檢波電路、分級補償電路、基于FPGA的自動選擇分級補償電路和差動電路實現。

其中，采用了分級補償的設計思想，其具體實施過程如下：

首先，采集到在未經過補償情況下電渦流位移傳感器單路的溫漂情況，即傳感器的位移-電壓特性曲線；然后，對照熱敏電阻Pt100的溫度-阻值表，設計溫度采集電路，并根據不同溫度下溫漂情況計算斜率偏差和幅值偏差變化情況，設計不同的阻值配比，擬合熱敏電阻變化情況補償斜率偏差、幅值偏差的變化情況，設計多級溫漂補償電路；最后，根據在傳感器探頭環境中的熱敏電阻所采集到的信息，FPGA控制模擬開關電路選擇不同等級的溫漂補償電路，進而實現傳感器的自動分級補償。

其中，采用了差動式消除誤差的方法，將被測物運動方向上在兩個相反的方向采集到的位移信息做差，能夠實現消除兩個傳感器電路中時漂干擾。