田旭峰， 董全林, 郭景昊

(1.微納測控與低維物理教育部重點實驗室，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191)

0 引 言

位移傳感器用于測量相對位置，又稱線性傳感器[1]。位移測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和過程控制等領(lǐng)域。最常使用的伺服反饋位移傳感器有電位計式位移傳感器，差動變壓器式位移傳感器、光電式位移傳感器等[2]。電位計式位移傳感器[3]由于其接觸式測量的原因，導(dǎo)致其具有易磨損、易氧化、易老化、機械使用壽命短、分辨力和可靠性低等缺點。差動變壓器式位移傳感器[4]實現(xiàn)了非接觸式測量，但是由于其測量特點，導(dǎo)致了其線性區(qū)小，結(jié)構(gòu)尺寸較大，因此，在空間受限時很難發(fā)揮優(yōu)勢。而光電式位移傳感器[5,6]雖然能實現(xiàn)高精度測量，但易受油污、粉塵等環(huán)境條件的影響，且生產(chǎn)、維護(hù)成本較高。

本文在智能閥門定位控制系統(tǒng)中，設(shè)計了一種新的電磁感應(yīng)式位移傳感器，其精度較高，抗干擾能力強，生產(chǎn)維護(hù)成本低，能夠滿足閥門定位控制系統(tǒng)各項指標(biāo)要求。

1 工作原理與各模塊設(shè)計

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計，以天線與諧振器電磁感應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)。其簡化系統(tǒng)框圖如圖1所示，由激勵信號發(fā)生單元產(chǎn)生激勵信號，施加到發(fā)射線圈上，發(fā)射線圈周圍會產(chǎn)生變化的磁場，諧振器在該磁場中運動，由于渦流效應(yīng)[7]產(chǎn)生減弱原磁場的磁場，該磁場隨著諧振器的位置變化而變化，因此，在感應(yīng)線圈中會產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，建立諧振器位置和感應(yīng)信號的關(guān)系。經(jīng)過信號處理單元進(jìn)行處理，輸入到微處理器單元，即可解算出位移信息。

圖1 電磁感應(yīng)位移傳感器結(jié)構(gòu)

1.1 電磁耦合線圈設(shè)計

電磁耦合線圈為該傳感器的敏感元件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其由固定部件和可移動部件2部分組成。固定部件上包含三組線圈，分別為：正弦激勵線圈，余弦激勵線圈和感應(yīng)線圈?？梢苿硬考長C諧振電路。

圖2 電磁耦合線圈結(jié)構(gòu)

各線圈形狀如圖3所示。正弦激勵線圈形成2個大小相等方向相反的電流環(huán)，傳感器施加在正弦激勵線圈上的電流表達(dá)式為

I(t)=Asin(2πf1t)cos(2πf0t)

(1)

式中f1為調(diào)制頻率，為3.9 kHz；f0為載波頻率，為2 MHz；A為常數(shù)。

圖3 線圈形狀

此時在線圈軸線上形成的磁場表達(dá)式為

Bsin=K1sin(2πf1t)cos(2πf0t)sin(2πx/L)

(2)

式中K1為常數(shù)；x為沿線圈軸線的位置；L為整個線圈軸線長度。

當(dāng)無諧振器作用時，由于正弦激勵線圈的2個電流環(huán)大小相等，方向相反，產(chǎn)生的磁場相互抵消，所以，感應(yīng)線圈中無感應(yīng)電信號。

余弦激勵線圈中形成3個電流環(huán)，2個小環(huán)與大環(huán)的方向相反，大小相等。施加在余弦線圈上的電流表達(dá)式為

Q(t)=Acos(2πf1t)cos(2πf0t)

(3)

同理，可得其在軸線上的磁場分布為

Bcos=K2cos(2πf1t)cos(2πf0t)cos(2πx/L)

(4)

無諧振器作用時，余弦激勵線圈同樣不會在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電信號。

當(dāng)存在諧振器作用時，諧振器會在正余弦激勵線圈產(chǎn)生的磁場中產(chǎn)生渦流效應(yīng)，減弱原磁場的作用。此時，原有的平衡被破壞，感應(yīng)線圈中產(chǎn)生隨諧振器位置變化而變化的感應(yīng)電信號，經(jīng)推導(dǎo)，該電信號的表達(dá)式為

EMF=K3cos(2πf0t)cos(2πf1t-2πx/L)

(5)

因此，檢測出該信號的包絡(luò)波形相位值，即可將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)時刻的位置值。

1.2 激勵信號發(fā)生單元設(shè)計

激勵信號發(fā)生單元主要用于產(chǎn)生振幅調(diào)制的線圈激勵信號，具體電路如圖4所示。其中，U1為2個D觸發(fā)器，選用芯片SN54AHC74，實現(xiàn)移相與分頻。由單片機編程產(chǎn)生頻率為4 MHz的方波，將該方波輸入U1，經(jīng)過移相分頻得到頻率為2 MHz的I，-I和Q三個脈沖信號。其中，Q與I相位相差90°，Q用于數(shù)字載波信號，對單片機產(chǎn)生的正余弦脈寬調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)制，即圖4中的SIN和COS。經(jīng)過與門后，將脈寬調(diào)制信號與數(shù)字載波信號進(jìn)行混頻，得到數(shù)字調(diào)制的正余弦激勵信號，再分別將其輸入到半橋驅(qū)動芯片U2A和U2B，選用AAT4900芯片，最后通過LC濾波得到模擬的振幅調(diào)制激勵信號，即式(1)和式(3)所示的信號，將其分別施加到正弦線圈和余弦線圈上即可產(chǎn)生期望的電磁場分布。

圖4 激勵信號發(fā)生單元電路

1.3 感應(yīng)信號處理單元設(shè)計

感應(yīng)信號處理單元主要用于對感應(yīng)信號進(jìn)行解調(diào)濾波，以及在不丟失相位信息的前提下進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為便于單片機處理的脈沖信號，其具體電路如圖5所示。其中，S(x)為電磁線圈耦合系統(tǒng)輸出的感應(yīng)信號，GNDB為設(shè)置的參考地電壓，為2.5 V。首先，將感應(yīng)信號S(x)輸入到一個高通濾波器，主要為濾除50～60 Hz的工頻干擾。然后，將其通過由4個模擬開關(guān)組成的交叉模擬開關(guān)同步檢波電路，其開關(guān)信號為之前在激勵信號發(fā)生電路中產(chǎn)生的同相信號I和方向信號-I，其頻率為2 MHz。選用MC74HC4066A芯片，其內(nèi)部集成了4個能滿足快速通斷的模擬開關(guān)，很好地滿足本電路的要求。在同步檢波完成之后，將信號輸入到由U3組成的低通濾波器，濾除同步檢波后信號中的高頻成分。再將其通過由U4組成的帶通濾波器，濾除掉低頻分量和直流分量，可成功提取出感應(yīng)信號的包絡(luò)波形，此外，還需要對其進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,將該信號通過U5構(gòu)成了一個過零比較器，即可實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。為了提高相位檢測精度，再將該信號與感應(yīng)信號發(fā)生單元產(chǎn)生的正交信號Q進(jìn)行混頻，即可得到可供單片機處理。

圖5 感應(yīng)信號處理單元電路

1.4 微處理器單元設(shè)計

選用PIC系列單片機作為微處理器單元，該系列單片機具有功耗低，成本低，穩(wěn)定性好等優(yōu)點[8]，很好地滿足了系統(tǒng)的要求。芯片用于輸出4 MHz的方波，以及3.9 kHz的正余弦脈寬調(diào)制信號，同時對經(jīng)過處理的感應(yīng)信號進(jìn)行計數(shù)，提取出其中的相位信息，通過相應(yīng)的解算將該相位信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位置信息。另外，還可以實現(xiàn)顯示、通信等附加功能，實現(xiàn)傳感器智能化。

2 實驗與結(jié)果

根據(jù)相應(yīng)電路模塊的設(shè)計，制作了實驗電路板，其中包括諧振器電路板、電磁耦合線圈電路板以及主要起信號處理作用的主板。將諧振器和電磁耦合線圈安裝在一個2自由度高精密光機座上。當(dāng)移動高精度光機座位移平臺時，每移動一個位移值，分別讀出光機座和位移傳感器的位移值，兩者的差值即為傳感器的誤差。通過測量，得到傳感器的誤差曲線如圖6所示，位移誤差在-0.06～0.04 mm范圍內(nèi)，精度較高。

3 結(jié)束語

設(shè)計了一種應(yīng)用于智能閥門定位控制系統(tǒng)中伺服反饋位移傳感器。從實驗結(jié)果可以看出：傳感器精度較高，同時其實現(xiàn)了非接觸式測量，延長使用時間，大幅提高了工作可靠性。在實際應(yīng)用中，具有較強的抗干擾能力，在惡劣環(huán)境下仍能正常工作，具有較強的工程實用性和較高的性價比。

圖6 傳感器的誤差曲線

[1] 昌學(xué)年,姚 毅,閆 玲.位移傳感器的發(fā)展及研究[J].計量與測試技術(shù),2009,36(9):42-44.

[2] 崔玉江,王 偉,楊 明,等.伺服反饋位移傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].宇航計測技術(shù),2012,32(4):65-68.

[3] 郭華玲,孟立凡,馮 偉.電位計式角位移傳感器測試系統(tǒng)的動態(tài)性能研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報,2010,28(6):87-89.

[4] 楊朝英,徐龍祥.磁軸承系統(tǒng)中差動變壓器式位移傳感器的研究[J].傳感器技術(shù),2005,24(9):8-12.

[5] 石庚辰.新型光電式微位移傳感器[J].傳感器技術(shù),1998,17(2):38-39.

[6] 蘇 珊,侯鈺龍,劉文怡,等.光纖位移傳感器綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(10):1-3.

[7] 王春蘭,張 鋼,董魯寧,等.電渦流傳感器的有限元仿真分析與研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(2):41-46.

[8] 任志平,李 貅,黨 博.基于PIC單片機的找水系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(10):73-75.