馬文卓，陳向東，丁　星（西南交通大學信息科學與技術學院，四川成都610031）

基于FPGA的平面螺旋電感式微位移傳感器系統(tǒng)

馬文卓，陳向東，丁星
（西南交通大學信息科學與技術學院，四川成都610031）

基于平面螺旋電感和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術，系統(tǒng)設計了一種以頻率為輸出的電感式微位移傳感器，實現(xiàn)了電感式傳感器的數(shù)字化輸出與檢測。系統(tǒng)主要由位移/電感轉(zhuǎn)換模塊、電感檢測電路、差頻模塊、FPGA四部分組成，并在FPGA系統(tǒng)中搭建NIOSⅡ軟核，對采集所得數(shù)據(jù)進行處理。實驗證明：系統(tǒng)具有靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好等特點，其測量范圍為0～15 mm，在0～6 mm范圍內(nèi)，最大誤差為0.03 mm，分辨率達到10 μm。

平面螺旋電感；微位移傳感器；現(xiàn)場可編程門陣列；3P5609AL1

0　引言

傳統(tǒng)的位移傳感器主要包括：電阻應變片式、光柵式、電容式、電感式等［1］。電阻應變片式位移傳感器測量范圍為0.1～100 μm，僅適用于微小范圍的精確測量；光柵式位移傳感器測試范圍大，分辨率高，但設備復雜不易攜帶，且光學信號不易存儲和處理；電容式位移傳感器成本低，功耗低，但其抗干擾能力差，易受環(huán)境影響。

電感位移傳感器可應用于一些惡劣環(huán)境中，如灰塵、污垢和潮濕環(huán)境等，實現(xiàn)低成本、高分辨率感測。電感式位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠壽命長、靈敏度和分辨率高、線性度和重復性好等特點，廣泛應用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領域的高精度定位中。目前，傳統(tǒng)的電渦流位移傳感器檢測電路主要是交流電橋和LC諧振電路兩種，前者為模擬輸出，其數(shù)據(jù)處理復雜且穩(wěn)定性差，后者為數(shù)字輸出，但其穩(wěn)定性還不夠理想［2］。因此，需要一種簡單的、數(shù)字化輸出的電感式微位移傳感器系統(tǒng)來解決這個問題。首先，該類傳感器結(jié)構(gòu)具有大感頻牽引率，使系統(tǒng)具有高靈敏度；其次，與直接使用反相器搭建皮爾斯振蕩電路相比，本系統(tǒng)采用3P5609AL1數(shù)字化芯片，可得到更優(yōu)良的振蕩波形和更高的振蕩頻率。差頻模塊則進一步消除溫漂，提高穩(wěn)定性。最后，搭建NIOS軟核，能有效簡化系統(tǒng)設計。

1　傳感器工作原理

1.1平面螺旋電感式位移傳感器

如圖1所示為一個簡化的傳感器模型。交流電流流過線圈會產(chǎn)生交流磁場，交流磁場會在金屬表面引起循環(huán)電流（即渦流），其大小是與兩者之間的距離、金屬尺寸和成分有關的函數(shù)。同時，渦流又會感應出與螺旋電感磁場方向相反的磁場，這個逆向磁場會影響平面螺旋電感的大?。?］。這種機理好比于變壓器，兩者間的電感耦合取決于兩者的距離和形狀。通過對探頭所在振蕩電路頻率的測量便可得到平面螺旋電感大小的變化，從而間接反映出位移的大小［4］。

圖1　平面螺旋電感式位移傳感器模型Fig 1　Planar spiral inductive displacement sensor model

本系統(tǒng)傳感器采用平面螺旋電感式探頭（如圖1所示PCB板圖），探頭與被測金屬物一面平行，根據(jù)上述原理，在理想條件下探頭所在振蕩電路的振蕩頻率只受兩者間的間距影響。

1.2電感檢測電路

Pierce振蕩電路主要由石英晶振、反相器與負載電容C1和C2組成，如圖2（a）。通常情況下，該電路中反相器工作在線性放大狀態(tài)，電阻器R1作為直流偏置電阻器為反相器提供偏置電壓，負載電容器C1和C2的電容大小相同［5］。根據(jù)振蕩頻率公式，本系統(tǒng)用振蕩頻率來反映電感的大小。

圖2　電感檢測電路Fig 2　Inductance detection circuit

基于Pierce振蕩電路的基本結(jié)構(gòu)和功能，本系統(tǒng)使用的是 SOT23—6封裝的 3P5609AL1芯片。該芯片是由3PEAK思瑞浦公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗、高頻率晶體振蕩控制器。如圖2（b）所示，相比于基礎Pierce晶體振蕩電路，它內(nèi)含的振蕩電路限制了振蕩電流大小，降低了整體功耗，其內(nèi)置的高頻電容有效地消除了外部電容對電路振蕩的影響，同時其內(nèi)置的反相器反饋電阻增強了電路穩(wěn)定性。3P5609AL1的最高使用頻率達到40 MHz，電源電壓2.7～5.5 V，其工作溫度范圍：-40～85℃。通過測試，由該芯片構(gòu)成的振蕩電路在低電源電壓時輸出頻率更穩(wěn)定，所以，本系統(tǒng)選擇使用AMS1117-3.3 V芯片構(gòu)成電壓轉(zhuǎn)換電路為3P5609AL1芯片提供工作電壓。

2　傳感器系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)設計

基于FPGA的平面螺旋電感式傳感器是一個完整的系統(tǒng)（如圖3）。其工作流程是：傳感器探頭的電感值因與被測物間距離變化而變化，通過電感檢測電路轉(zhuǎn)換為頻率輸出到差頻模塊，另一個探頭作為參考組也輸出到差頻模塊。差頻模塊將兩個頻率值做硬件差頻后輸入FPGA系統(tǒng)，通過頻率采集模塊后進入NIOS軟核進行數(shù)據(jù)處理與LCD顯示。溫度信息通過溫度采集模塊后做相似處理。

圖3　系統(tǒng)框圖Fig 3　System block diagram

2.2硬件電路設計

系統(tǒng)硬件部分（如圖4）主要由傳感器探頭（L1，L2）、電感檢測電路（U1，U2）、差頻模塊（D1）、電源轉(zhuǎn)換電路（P1）、DS18B20溫度傳感器模塊（T1）和兩個排針接口組成。

圖4　硬件原理圖Fig 4　Hardware principle diagram

2.3差頻模塊設計

理想的晶體振蕩輸出信號因噪聲等干擾的影響，輸出信號呈現(xiàn)為不規(guī)則的方波。此時，如果將信號直接接入頻率計進行測量，則會產(chǎn)生較大的誤差，影響系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，并且溫度對頻率的影響也不能被忽略。所以，系統(tǒng)選用D觸發(fā)器差頻方法來減小干擾和溫漂的影響［6］。

系統(tǒng)選用74HC74芯片構(gòu)成差頻電路，其內(nèi)部有兩個D觸發(fā)器。只有當D觸發(fā)器的Vclk端和Vin端輸入信號頻率滿足時，D觸發(fā)器才能實現(xiàn)差頻功能。本系統(tǒng)中使用2個10 MHz晶振，很容易滿足上述頻率條件。在測試2個晶振的實際振蕩頻率后，將頻率較大者（L2）輸出接入fin端，較小者（L1）接入fclk端，差頻模塊輸出信號頻率為兩者的差值。隨著被測物體靠近傳感器探頭L2，渦流效應增強，線圈電感增大，檢測電路振蕩頻率減小，差頻模塊輸出信號頻率減小。因參考組探頭與測試探頭在同一環(huán)境下，由外界溫度濕度等條件造成的頻率變化作為共模信號被抵消，由位移引起的頻率變化作為差模信號被保留。

2.4溫度模塊

DS18B20是Dallas半導體公司出品的單總線數(shù)字溫度傳感器。相比于模擬溫度系統(tǒng)，它具有更高的測量精度和抗干擾能力。其內(nèi)部主要由溫度敏感元件、ROM、高/低溫觸發(fā)器、配置寄存器組成。它的工作流程為：初始化指令操作-ROM指令操作-存儲器指令操作-數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)主要通過溫度采集模塊對DS18B20進行控制和數(shù)據(jù)采集［7］。

2.5軟件設計

2.5.1FPGA系統(tǒng)設計

FPGA系統(tǒng)主要包括頻率采集模塊、溫度采集模塊、NIOS軟核、鎖相環(huán)PLL等。其中搭建NIOS系統(tǒng)主要用作數(shù)據(jù)處理和LCD顯示。

2.5.2頻率采集模塊設計

系統(tǒng)采用等精度測頻法，將預置閘門信號設定為1 s，在50 MHz的系統(tǒng)時鐘下，待測頻率為，其中，fr為已知時鐘信號50 MHz，Nx，Nr為兩計數(shù)器在預置信號范圍內(nèi)分別對待測信號和已知時鐘信號的計數(shù)個數(shù)［8］。本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳入NIOS系統(tǒng)，以便進行快速的除法運算。

3　實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)以銅板為測試對象，并將銅板固定在位移臺上進行位移測試。位移臺為賽凡光電7STM01225型位移臺，其分辨率為10 μm。在0～15 mm范圍下，實驗對系統(tǒng)進行了多次測試。考慮到靈敏度的變化，本文設計采集點分布如下：在0～1 mm范圍內(nèi)，每間隔0.05 mm采集一組數(shù)據(jù)；在1～3 mm范圍內(nèi)，每間隔0.1 mm采集一組數(shù)據(jù)；在3～6 mm范圍內(nèi)，每間隔0.2 mm采集一組數(shù)據(jù)；在6～15 mm范圍內(nèi)，每間隔0.5 mm采集一組數(shù)據(jù)，因此，每次測試總共74組數(shù)據(jù)。將5次測試數(shù)據(jù)取平均值作為系統(tǒng)參考值并作圖，如圖5所示為位移—頻率圖。

分析實驗數(shù)據(jù)可知：系統(tǒng)的有效作用范圍為0～15 mm，而在0～6 mm范圍內(nèi)傳感器的位移測試靈敏度較高，對0～6 mm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分段函數(shù)擬合，再將擬合函數(shù)輸入系統(tǒng)，使系統(tǒng)能得出與頻率相對應的位移值（如圖5所示）。然后，對系統(tǒng)進行位移測試，以實際位移與測試位移的誤差作圖，如圖6所示。由圖中數(shù)據(jù)分析可得，兩者之間的最大誤差約為0.03 mm。系統(tǒng)通過溫度穩(wěn)定性測試，當沒有被測金屬板時，在10～50℃范圍內(nèi)，輸出頻率的最大漂移為3 Hz，可見溫度穩(wěn)定性良好。

圖5　位移—頻率圖Fig 5　Displacement-frequency plot

圖6　誤差曲線Fig 6　Error curve

4　結(jié)束語

本文通過實驗完成了平面螺旋電感式微位移傳感器系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了電感式傳感器的數(shù)字化輸出，解決了以交流電橋和LC諧振為測量電路的電感式位移傳感器的一些缺陷問題。系統(tǒng)具有0～15mm的測量范圍，在0～6mm范圍內(nèi)擁有10 μm的分辨率。本系統(tǒng)可應用于各種測頻型電感傳感器的測量中。

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Planar spiral inductive micro-displacement sensor system based on FPGA

MA Wen-zhuo，CHEN Xiang-dong，DING Xing
（School of Information Science&Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Design an inductive micro-displacement sensor whose output is frequency signal，based on planar spiral inductor and FPGA technology，and it realizes digitalized output and measurements.The system consists of displacement-inductance converter module，inductive detection circuit，frequency-subtracting module and FPGA system.In addition，it builds up soft core of NIOSⅡin FPGA system to process the acquired data.Experimental results show that this system has characteristics of good temperature stability and high sensitivity whose measuring range is 0～15mm，the maximum error is 0.03 mm and resolution is 10 μm in the range of 0～6 mm.

planar spiral inductor；micro-displacement sensor；FPGA；3P5609AL1

TP212.9

A

1000—9787（2016）06—0066—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0066—03

2015—09—01

馬文卓（1991-），男，四川內(nèi)江人，碩士研究生，主要研究方向為傳感器與智能信息獲取。