一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈及方法

本发明属于电涡流位移测量，具体涉及一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈及方法。

背景技术：

1、由交变电流驱动的线圈产生交变磁场，当线圈接近导体金属时在金属中感应出交变电流。感应交变电流产生交变磁场会阻碍线圈磁场，从而引起线圈阻抗的变化。线圈阻抗变化的大小与导体金属的电阻率、磁导率、交变电流的频率以及二者之间的距离(也称为提离距离)有关。当距离以外的因素固定不变，可以由阻抗的变化值得到提离距离的数值，从而实现距离测量。传统的电涡流位移测量线圈通常由紧密绕制导线构成，近年在印刷线路板(pcb)上平面电涡流线圈也被广泛使用。但无论绕制线圈还是平面线圈在制作完成后电涡流位移测量特性(包括距离测量范围、探测灵敏度等)就已经确定，所以通常电涡流线圈需要根据应用环境分别设计，缺乏灵活性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈及方法，在同一个线圈上实现不同的电涡流位移测量。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈，包括次内层线圈、最内层线圈、最外层线圈、单刀双掷开关和微控制器；

4、所述微控制器用于发送逻辑控制信号至单刀双掷开关，控制所述单刀双掷开关的闸刀接通方向；

5、所述单刀双掷开关用于根据所述微控制器发送的逻辑控制信号动作，控制所述次内层线圈、最内层线圈和最外层线圈中电流方向，使得所述电涡流位移测量线圈被配置为不同的工作状态，分别称为工作状态1和工作状态2，

6、工作状态1：次内层线圈、最内层线圈和最外层线圈中的电流全都同向；

7、工作状态2：最内层线圈和最外层线圈中的电流同向，次内层线圈中的电流反向；

8、所述电涡流位移测量线圈的自由空间阻抗z0表示为：

9、

10、其中，dk＝skrkj1(ark)，sk表示第k段螺旋线中的电流方向，顺时针为sk＝1，逆时针为sk＝-1，n为电涡流位移测量线圈包含的螺旋线段数，j1(·)是1阶第一类贝塞尔函数，dn＝snrnj1(arn)，sn表示第n段螺旋线中的电流方向，顺时针为sn＝1，逆时针为sn＝-1，a是积分变量，j是虚数单位，ω是工作角频率，μ是磁导率。

11、进一步的，所述单刀双掷开关包括单刀双掷开关k1和单刀双掷开关k2；

12、定义最内层线圈为s1，s1的两端分别是首端节点1与尾端节点2；定义次内层线圈为s2，s2的两端分别是首端节点3与尾端节点4；定义最外层线圈为s3，s3的两端分别是首端节点5与尾端节点6；

13、所述单刀双掷开关k2的公共端k2-1连接尾端节点2，所述单刀双掷开关k2的k2-2端连接尾端节点4，所述单刀双掷开关k2的k2-3端连接首端节点3；

14、所述单刀双掷开关k1的公共端k1-1连接首端节点5，所述单刀双掷开关k1的k1-2端连接首端节点3，所述单刀双掷开关k1的k1-3端连接尾端节点4。

15、进一步的，所述微控制器具体用于，

16、采用以下方式将电涡流位移测量线圈配置为工作状态1：

17、控制单刀双掷开关k1的控制端k1-4接高电平，k1-1端与k1-3端接通，k1-1端与k1-2端断开；

18、控制单刀双掷开关k2的控制端k2-4接高电平，k2-1端与k2-3端接通，k2-1端与k2-2端断开；

19、采用以下方式将电涡流位移测量线圈配置为工作状态2：

20、控制单刀双掷开关k1的控制端k1-4接低电平，k1-1端与k1-3端断开，k1-1端与k1-2端接通；

21、控制单刀双掷开关k2的控制端k2-4接低电平，k2-1端与k2-3端断开，k2-1端与k2-2端接通。

22、进一步的，所述单刀双掷开关采用mems开关集成块mm1200。

23、进一步的，所述微控制器为龙芯自主可控微控制器。

24、进一步的，所述微控制器通过spi接口控制mems开关集成块mm1200。

25、本发明还提供一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈的位移测量方法，所述方法包括：

26、将所述电涡流位移测量线圈的首端节点1与尾端节点6两端并联一个确定容值的电容c后再并联连接到振荡器输入端；所述振荡器的输出端连接所述电涡流位移测量线圈的微控制器；

27、当目标导体与所述电涡流位移测量线圈的位移为d时，测量所述电涡流位移测量线圈和并联电容c产生谐振的谐振频率；

28、基于下式计算所述电涡流位移测量线圈的电感量：

29、

30、其中，f为谐振频率，l为电涡流位移测量线圈的电感量，c为并联电容；

31、当目标导体无穷远时计算所述电涡流位移测量线圈的电感量l0；

32、基于l和l0计算相对电感变化量(l-l0)/l0；

33、根据相对电感变化量(l-l0)/l0按照预先标定的相对电感变化量与位移关系曲线得到位移d。

34、进一步的，所述标定过程中，

35、所述电涡流位移测量线圈与导体的位移为d时，阻抗变化量δz，表示为：

36、

37、其中，dk＝skrkj1(ark)，sk表示第k段螺旋线中的电流方向，顺时针为sk＝1，逆时针为sk＝-1，n为电涡流位移测量线圈包含的螺旋线段数，j1(·)是1阶第一类贝塞尔函数，dn＝snrnj1(arn)，sn表示第n段螺旋线中的电流方向，顺时针为sn＝1，逆时针为sn＝-1，a是积分变量，j是虚数单位，ω是工作角频率，μ是磁导率，

38、进一步的，采用ldc1612测量所述谐振频率。

39、本发明的有益效果为：

40、本发明在同一个线圈上实现不同的电涡流位移测量特性，提高了电涡流线圈的灵活性和适应不同的应用需求。

技术特征：

1.一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈，其特征在于，包括次内层线圈、最内层线圈、最外层线圈、单刀双掷开关和微控制器；

2.根据权利要求1所述的一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈，其特征在于，所述单刀双掷开关包括单刀双掷开关k1和单刀双掷开关k2；

3.根据权利要求2所述的一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈，其特征在于，所述微控制器具体用于，

4.根据权利要求3所述的一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈，其特征在于，所述单刀双掷开关采用mems开关集成块mm1200。

5.根据权利要求4所述的一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈，其特征在于，所述微控制器为龙芯自主可控微控制器。

6.根据权利要求5所述的一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈，其特征在于，所述微控制器通过spi接口控制mems开关集成块mm1200。

7.基于权利要求1至6任意一项所述的一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈的位移测量方法，其特征在于，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的位移测量方法，其特征在于，所述标定过程中，

9.根据权利要求7所述的位移测量方法，其特征在于，采用ldc1612测量所述谐振频率。

技术总结
本发明公开了一种基于龙芯微控制器的可变参数的电涡流位移测量线圈及方法，该电涡流位移测量线圈由三部分线圈、两个单刀双掷开关和微控制器组成，两个单刀双掷开关分别受到微控制器的逻辑控制信号控制，使得三部分线圈工作在不同的状态，工作状态1：三部分线圈中的电流全都同向；工作状态2：最内层线圈和最外层线圈中的电流同向，次内层线圈中的电流反向。当测量线圈设定于工作状态1时，测量线圈的自由电感量较大，测量线圈的电感量随着目标导体提离距离变化范围大，可以实现较大范围内的位移测量；当测量线圈设定于工作状态2时，测量线圈的自由电感量较小，测量线圈的电感量随着目标导体提离距离变化范围小，灵敏度提高。

技术研发人员：花再军,张云飞,李建霓,胡鹤轩,余宇峰,刘颜君,邓劲柏,余霖
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15