一种基于指数载波脉宽调制的电涡流位移传感器线性化方法与流程

1.本发明有关于电涡流位移测量技术领域，具体涉及一种基于指数载波脉宽调制的电涡流位移传感器线性化方法。


背景技术：

2.电涡流位移传感器是一种利用电涡流原理实现对金属材料的位移进行非接触式测量的装置，具有灵敏度高、频响特性好、结构简单、不受非金属材料影响等优点，已被广泛应用在机电装备、航空航天、船舶等领域。
3.电涡流位移传感器的输出电压会随着被测物与探头之间的距离变化而变化。被测物与探头之间的距离在一定范围内时，传感器的输出电压随距离线性变化，但当被测物与探头之间的距离超出一定范围后，输出电压不再随距离线性变化，这种特性称之为电涡流位移传感器的非线性特性。电涡流位移传感器的线性测量范围与探头线圈的外径有关，一般为探头线圈外径的1/3～1/5。在许多领域希望能在不增加传感器探头外径尺寸的前提下扩大传感器的线性测量范围，或在特定测量范围中提高传感器的线性度，因此需要对电涡流位移传感器的输出进行线性化。
4.为了扩大电涡流位移传感器的线性测量范围，目前采用的方法有如下几种，一是电涡流位移传感器进入非线性区间后，测量距离改变时，将通过相应地改变高频信号激励源的幅值来补偿非线性；二是采用数字化的方法，在数字信号处理器中进行线性化处理；三是传感器输出端串联线性化电路，如串联基于二极管伏安特性的多级修正电路或基于三极管的指数补偿电路。第一种方法实现起来比较困难，原因是模拟电路中难以建立实时电压幅值与输出非线性的关系；第二种方法需要同时设计模拟电路和数字电路，由于使用了处理器芯片，传感器的成本大幅度提高；第三种方法为常用的方法，但目前大多数方法都是基于复杂高次幂进行修正，或包含较多二极管、三极管这类易受温度影响的非线性元件，仍然存在许多缺陷。


技术实现要素：

5.针对现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种基于指数载波脉宽调制的电涡流位移传感器线性化方法，提高了电涡流位移传感器位移
–
电压特性曲线的线性度，同时扩大了传感器的线性测量范围。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.一种基于指数载波脉宽调制的电涡流位移传感器线性化方法，该方法包括以下步骤：
8.(1)依据电涡流位移传感器的输入
–
输出特性，测量电涡流位移传感器的位移
–
电压特性曲线，对曲线进行指数拟合，得到电涡流位移传感器的指数特性曲线；
9.(2)构造基于指数载波脉宽调制的线性化电路，具体为，采用一个指数载波发生器得到载波信号，然后对调制波信号进行脉宽调制，得到基于指数载波脉宽调制的线性化电
路；
10.(3)将需要线性化的电压信号和基于指数载波脉宽调制的线性化电路的载波信号进行比较，得到pwm信号，经过二重反相器获得标准pwm波，然后在低通滤波器中进行滤波，最后输出经线性化后的电涡流位移传感器的电压。
11.进一步地，步骤(1)具体为：测量电涡流位移传感器的位移d
–
电压u特征曲线u＝f(d)，根据电涡流位移传感器的技术要求和u＝f(d)的曲线确定传感器线性测量区间的起点d0和区间长度δd。
12.进一步地，步骤(2)具体为：构造基于指数载波脉宽调制的线性化电路，所生成的载波需满足条件：载波在一个周期内上升区域的曲线形状与待线性化的电涡流位移传感器的位移
–
电压特性曲线在线性化区间内的形状尽可能相重合；依据步骤(1)获得的电涡流位移传感器的位移
–
电压指数特性曲线设计指数载波的发生电路，通过调节电路的参数，使载波形状满足前述条件。
13.进一步地，步骤(3)具体为：使用比较器将需要线性化的电压信号ud和基于指数载波脉宽调制的线性化电路的载波信号uk进行比较，当ud》uk时，比较器输出高电平；当ud《uk时，比较器输出低电平；比较器输出具有高低电平交错的pwm波形，然后经过低通滤波器进行滤波，最后输出经线性化后的电涡流位移传感器的电压。
14.进一步地，通过指数载波发生电路来产生载波，所述指数载波电路由反相滞回比较器a，载波电容c，分压电阻r1和r2，充电电阻r3，放电电阻r4，肖特基二极管d1和d2，限流电阻r0，反向串联稳压二极管dz组成，其中充电电阻r3，放电电阻r4，肖特基二极管d1和d2构成载波电容c的充放电电路；所述反相滞回比较器a的反相输入端接载波电容c，a的同相输入端接分压电阻r1和r2构成的分压电路，a的输出端通过限流电阻r0接载波电容c的充放电电路、分压电路和反向串联稳压二极管dz。
15.进一步地，所述指数载波发生电路的工作原理是，当电路供电后，由于电路有噪声存在，假设反相滞回比较器a的同相输入端为一正电压，此时由于同相输入端的电压高于反相输入端，反相滞回比较器a输出正的高电平；通过分压电路，同相输入端的电压为正阈值电压；载波电容c通过肖特基二极管d1和充电电阻r3进行充电，载波电容c电压升高，反相输入端电压也升高；当反相输入端电压升高到比同相输入端电压，即正阈值电压高时，反相滞回比较器a输出负的低电平，通过两个电阻构成的分压电路，同相输入端的电压为负阈值电压；随后载波电容c通过放电电阻r4和肖特基二极管d2进行放电，载波电容c电压降低，反相输入端的电压也降低；当反相输入端的电压低于同相输入端电压，即负阈值电压时，反相滞回比较器a输出正的高电平；如此周而复始，由于电容充放电的电压是按指数规律进行的，因此载波电容c的电压为周期性的指数波形。
16.进一步地，通过改变分压电阻r1和r2的比值、充电电阻r3和放电电阻r4的值来改变指数载波形状；为了尽可能地利用充电区间的指数载波波形，放电电阻r4远小于充电电阻r3；通过改变分压电阻r1和r2的比值来改变指数载波在上升区间的形状，使指数载波的形状尽可能地与步骤(1)获得的电涡流位移传感器的指数特性曲线相重合。
17.进一步地，在步骤(3)中，经过比较器得到的脉冲调制波经过二重反向器，输出具有与电源幅值相等的满幅pwm信号，然后，用3阶rc串联滤波器进行低通滤波，最终得到线性化后的电压输出。
18.进一步地，改变分压电压r1和r2的比值，不仅改变了指数载波的形状，还改变了指数载波的频率；在满足线性化要求的条件下，提高r1和r2的比值能够提高指数载波的频率，经过低通滤波后即可降低输出的噪声。
19.进一步地，采用以下前置器电路作为电涡流位移传感器，该前置器电路由信号发生器、探头谐振电路、相敏检波器、微小信号放大器和偏置电路构成；信号发生器产生电涡流位移传感器的激振波，激振波输入探头谐振电路获得的电压波形经过由反相器和高速模拟开关组成的相敏检波器，经过检波，滤除了与原电路频率不相同的噪声；然后，通过微小信号放大器和偏置电路，得到未经线性化的电涡流位移传感器的输出电压。
20.本发明的有益效果是：本发明能够有效提高电涡流位移传感器的线性度，使电涡流位移传感器在给定的测量范围内具有较宽的线性测量范围。
附图说明
21.图1为本发明基于指数载波脉宽调制的电涡流位移传感器线性化电路结构图。
22.图2为本发明指数载波发生电路结构图。
23.图3为载波电容c的电压波形示意图
24.图4为本发明使用基于指数载波脉宽调制线性化方法的电涡流位移传感器前置器的电路结构图。
25.图5为未经线性化处理的某电涡流位移传感器位移-输出电压特性图。
26.图6为某电涡流位移传感器指数载波形状与未经线性化的电压特性对比示意图。
27.图7为经过线性化处理的某电涡流位移传感器位移-输出电压特性图。
具体实施方式
28.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
29.本发明提供了一种基于指数载波脉宽调制的电涡流位移传感器线性化方法，具体步骤如下：
30.步骤(1)：依据电涡流位移传感器的输入
–
输出特性，测量电涡流位移传感器的位移
–
电压特性曲线，对曲线进行指数拟合，得到电涡流位移传感器的指数特性曲线；具体为测量电涡流位移传感器的位移d
–
电压u特征曲线u＝f(d)，根据电涡流位移传感器的技术要求和u＝f(d)的曲线确定位移
–
电压特性曲线的线性测量区间的起点d0和区间长度
△
d。
31.步骤(2)：构造基于指数载波脉宽调制的线性化电路；该电路采用一个指数载波发生器得到载波信号，然后对调制波信号进行脉宽调制，得到基于指数载波脉宽调制的线性化电路；具体为构造一个基于指数载波脉宽调制的线性化电路，所生成的载波需满足条件：载波在一个周期内上升区域的曲线形状与电涡流位移传感器的位移-电压特性曲线在线性化区间内的形状尽可能相重合。依据步骤(1)获得的电涡流位移传感器的指数特性曲线设计指数载波的发生电路，通过调节电路的参数，使载波形状满足前述条件。
32.步骤(3)：将需要线性化的电压信号和基于指数载波脉宽调制的线性化电路的载波信号进行比较，得到脉宽调制(pwm)信号，经过低通滤波器进行滤波，最后输出经线性化后的电涡流位移传感器的电压。具体为使用比较器将需要线性化的电压信号ud和基于指数
载波脉宽调制的线性化电路的载波信号uk进行比较，当ud》uk时，比较器输出高电平；当ud《uk时，比较器输出低电平。因此，比较器输出具有高低电平交错的pwm波形。然后经过低通滤波器进行滤波，最后输出经线性化后的电涡流位移传感器的电压。
33.如图1所示，本发明提供了一种基于指数载波脉宽调制的电涡流位移传感器线性化电路。该电路由指数载波发生器、pwm调制和低通滤波器构成。具体为以下3个步骤：
34.步骤(1)：将电涡流位移传感器的电压调制波输入线性化电路中。
35.步骤(2)：将指数载波发生器产生的pwm波与电压调制波进行pwm调制。用比较器将需要线性化的电压信号ud和基于指数载波脉宽调制的线性化电路的载波信号uk进行比较，当ud》uk时，比较器输出高电平；当ud《uk时，比较器输出低电平。因此，比较器输出具有高低电平交错的pwm波形。
36.步骤(3)：将调制后的pwm波经过二重反相器得到电压为电源电压的标准pwm波形，然后在低通滤波器中进行滤波，最后输出经线性化后的电涡流位移传感器的电压。滤波截止频率由电涡流位移传感器所需要的动态特性决定。
37.如图2所示，本发明的指数载波发生电路由反相滞回比较器a，载波电容c，分压电阻r1和r2，充电电阻r3，放电电阻r4，肖特基二极管d1和d2，限流电阻r0，反向串联稳压二极管dz组成。
±
vz为dz的正稳压电压和负稳压电压。
38.指数载波发生电路的结构是，反相滞回比较器a的反相输入端接载波电容c，a的同相输入端接分压电阻r1和r2构成的分压电路，a的输出端通过限流电阻r0接载波电容c的充放电电路、分压电路和反向串联稳压二极管dz。充电电阻r3，放电电阻r4，肖特基二极管d1和d2构成载波电容c的充放电电路。
39.本发明的指数载波发生电路原理为，当电路供电后，由于电路有噪声存在，假设反相滞回比较器a的同相输入端为一正电压，此时由于同相输入端的电压高于反相输入端，反相滞回比较器a输出正的高电平。通过分压电路，同相输入端的电压为正阈值电压。载波电容c通过肖特基二极管d1和充电电阻r3进行充电，载波电容c电压升高，反相输入端电压也升高。当反相输入端电压升高到比同相输入端电压，即正阈值电压高时，反相滞回比较器a输出负的低电平，通过两个电阻构成的分压电路，同相输入端的电压为负阈值电压。随后载波电容c通过放电电阻r4和肖特基二极管d2进行放电，载波电容c电压降低，反相输入端的电压也降低。当反相输入端的电压低于同相输入端电压，即负阈值电压时，反相滞回比较器a输出正的高电平。如此周而复始，由于电容充放电的电压是按指数规律进行的，因此载波电容c的电压为周期性的指数波形。如图3所示为载波电容c的电压波形，图中v
th
和v
tl
为载波电容c的正阈值电压和负阈值电压。th和t
l
分别为载波电容c的充电时间和放电时间。
40.如图4所示，本发明提供了一种使用基于指数载波脉宽调制的线性化方法的前置器电路作为电涡流位移传感器的一种实现方式。该前置器电路由信号发生器、探头谐振电路、相敏检波器、微小信号放大器和偏置电路、指数载波发生器、pwm调制、低通滤波和输出等部分构成。首先，信号发生器产生电涡流位移传感器的激振波，激振波输入探头谐振电路获得的电压波形经过由反相器和高速模拟开关组成的相敏检波器，经过检波，滤除了与原电路频率不相同的噪声；然后，通过微小信号放大器和偏置电路，得到未经线性化的电涡流位移传感器的输出电压；接着，由指数载波发生器产生指数载波，与未经线性化的输出电压进行pwm调制；最后，调制波形经过低通滤波，得到电涡流位移传感器线性化后的最终输出
电压。
41.由于比较器的输出pwm波形的幅值不一定为恒定值。使用二重反相器，将调制pwm波形调整为满电源电压幅值输出的标准pwm波形。
42.未经线性化处理的某电涡流位移传感器的位移
–
输出电压特性如图5所示。未经线性化处理时，输出电压特性随着距离的增加，基本上呈现指数变化，线性度较差，线性测量区间小，不能满足线性测量的要求。
43.如图6所示，本发明中应调节指数载波发生器的分压电阻参数，目的是调节阈值电压，使得指数载波的波形与未经线性化的电涡流位移传感器的电压特性具有相似的形状。
44.改变分压电阻r1和r2的比值，不仅改变了指数载波的形状，还改变了指数载波的频率。在可以满足线性化要求的条件下，提高r1和r2的比值可以提高指数载波的频率，经过低通滤波后即可降低输出的噪声。通过调节前置器电路的微小信号放大器和偏置电路，在电涡流位移传感器的最小被测距离和最大被测距离处，pwm的占空比应分别接近0％和100％。
45.经过线性化处理的某电涡流位移传感器位移
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输出电压特性如图7所示。使用本发明的线性化方法后，该传感器在0.3《d《1.3mm的范围内，电压特性有很好的线性度。
46.在进行实际电路设计时，将电容充放电的阈值电压v
th
和v
tl
通过串联电位器和电阻来进行调节，以适应不同的探头和不同的被测金属导磁特性。调试时，每次调节均需测量电涡流位移传感器的电压
–
位移特性曲线，视曲线的弯曲方向和程度，适当调节电位器，以完成对当前探头和当前被测金属材料的标定。
47.上述实例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。