[发明专利]一种电感式位移传感器及其位移测量方法

说明书

本发明公开了一种电感式位移传感器及其位移测量方法，其用于检测金属材料的位移。所述电感式位移传感器被设计成激励信号可调的精密高速电感测量部分和根据电感变化计算位移部分。所述电感式位移传感器包括一个微控制器，该微控制器包含数模转换器、模数转换器、PWM控制器。微控制器通过数模转换器输出激励信号，通过改变输出方式可调整激励信号的幅度和频率。激励信号加载在带电感探头的四臂电桥上。该电桥的两个输出信号分别被平均切割成四份，每份包含九十度相位差。平均切割用PWM信号控制模拟开关实现。对输出的八份信号做滑动平均并采样。根据八份信号的滑动平均值可计算电感探头的电感分量。根据该分量的变化可计算位移。

技术领域

本发明涉及位移传感器技术领域，具体涉及一种电感式位移传感器及其位移测量方法。

背景技术

位移传感器有接触式和非接触式两大类，其中接触式位移传感器难以测量高速运动的物体，非接触式位移传感器可以用多种原理实现，超声波测距、霍尔效应、电容测距、激光位移传感器、电涡流位移传感器等。电涡流位移传感器可以根据电涡流导致线圈的电感变化、损耗变化、激励频率变化等作为感应量，间接测量位移变化。相对其他原理的位移传感器，电涡流传感器不存在盲区、安装方便、量程较大、对表面油污不敏感等特点被广泛应用。本发明涉及的传感器属于一种非接触式电涡流位移传感器，通过测量探头电感量的变化计算探头与金属材料之间的位移。通过测量损耗变化来测量位移的方案一般都要包含一个较复杂的温度补偿电路，电感探头具有结构简单温漂小等优点，不用温度补偿也可以做到高精度，低温漂的效果。

快速准确的测量探头的电感量技术，是电感位移传感器的关键技术。探头电感测量的精度决定了探头的精度，电感测量的速度决定了探头的频率响应。探头线圈包含电阻分量和电感分量。为了消除电阻分量温漂大的影响，需要对探头线圈复阻抗进行测量。根据线圈的复阻抗提取出线圈的电感分量。测量探头线圈的复阻抗，通常的做法是测量加载在探头线圈上的电压、电流的幅度和相位。

信号幅度和相位的测量主要的方法有：

波形采样法，该方法采用高速高精度ADC对信号波形进行采样，然后用高速数字信号处理器对采集的数据进行处理。目前市场上没有一种集成高速高精度ADC的数字信号处理器。这种方案系统复杂，要求高速处理时，成本高。

模拟信号相乘法，该方法采用参考信号与被测量信号相乘，可以实现，测量信号的幅度相位信息搬移到直流分量上。用低速高精度ADC对直流分量进行采样，计算可得到信号的幅度和相位。该方法采用两个相互正交的参考信号，分别和测量信号相乘。这种方案中模拟相乘器线性度和一致性不佳，相互正交的参考信号不容易获得，使得方案比较复杂，精度不高。

测量信号与方波相乘法，该方法是模拟信号相乘法的一种改进方法，相当于测量信号与方波相乘。这种方案需要被测信号进行反相，但高速反相器精度不高，并且需要相互正交的参考信号，导致该方案的测量精度也不高。

激励信号频率相接近的电感探头安装距离小，会相互干扰。目前电感探头的激励信号频率在生产阶段确定，还没有一种可现场配置激励信号频率的电感探头。修改激励信号频率的同时需要修改传感器的多个参数，应用现场难以完成。

目前电感探头线性度不高，一般在生产阶段进行校正。探头的测量范围是固定的，应用灵活性降低。

综上所述，目前还缺少一种高精度、高频率响应、激励信号可调、可现场设定测量范围并进行线性校正的电感式位移传感器。

发明内容