胡瑞霞, 馬衛(wèi)華, 史天成, 羅華軍

(1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室,四川 成都 610031； 2.成都勒科瑞科技有限公司,四川 成都 610000； 3.中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412000)

0 引 言

在實際工程應(yīng)用中,通常需要用非接觸的方式測量與目標(biāo)物體的間隙。目前,常用的非接觸測量間隙方法有3類,第1類是以光纖的方式測量間隙,通過反射到的光強確定與被測物體的距離；第2類是電容法測量間隙,通過絕緣電極和金屬板形成電容,后級通過調(diào)理電路及濾波器輸出易于分析的信號；第3類是電渦流類,主要根據(jù)線圈電感大小得到實際的距離,優(yōu)點是靈敏度高,不受油污和介質(zhì)的影響[1]。目前的電渦流傳感器主要分為模擬電渦流傳感器和數(shù)字電感傳感器,其中模擬電渦流傳感器的缺點是電路板體積大,并且調(diào)理電路復(fù)雜,而數(shù)字電感傳感器可以大大縮減電路板體積,從而將整個間隙傳感器的體積縮小,同時數(shù)字電感傳感器有功耗小、調(diào)試簡單等優(yōu)點,這些均是模擬電渦流傳感器無法比擬的。通過實際的測量,數(shù)字電感傳感器能精確測量0～20 mm的位移,同時在9～11 mm的時候精度能達到0.01 mm,通過軟件濾波判斷求平均,最終的間隙值能達到穩(wěn)定,并且重復(fù)性基本達到要求[2],轉(zhuǎn)換時間控制在0.5 ms以下,如果對速度有更高要求,可以適當(dāng)增加IIC時鐘的頻率,本設(shè)計中時鐘頻率選擇建議值1 MHz。

1 磁浮傳感器檢測原理

數(shù)字電感傳感器測量原理基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象,當(dāng)給電感線圈接通以高頻率的0～3.3 V的交流電壓時,線圈周圍會產(chǎn)生交變磁場,此時如果有金屬物體靠近線圈,在金屬表面同樣也會產(chǎn)生感應(yīng)電流,這種現(xiàn)象稱為渦流。電渦流自身也會產(chǎn)生磁場,但產(chǎn)生的磁場方向和電感線圈產(chǎn)生的磁場方向完全相反。原理類似于一對耦合線圈,通過傳感器產(chǎn)生的磁場是初級,電渦流產(chǎn)生的磁場是次級[3,4]。由于兩者會產(chǎn)生互感現(xiàn)象,電渦流傳感器的頻率就會因為阻礙而減小,產(chǎn)生的電渦流大小與金屬物體的材質(zhì)、大小和距離等有關(guān)。相同大小相同材料的金屬距離傳感器越近則頻率減小得越多。圖1即為抽象出的互感模型。

圖1 互感模型

(1)

式中x為傳感器和F軌的間隙,L(x)為目標(biāo)金屬物的互感電感；I1為流過電感傳感器的電流；I2為感應(yīng)出的渦流大小。

由于互感的存在,初級線圈的電感量會有所變化,這種變化會體現(xiàn)在頻率的變化上。所以,傳感器的震蕩頻率fsensor為

(2)

式中L為電渦流線圈的電感量,C為并聯(lián)的電容量。

根據(jù)傳感器的頻率和內(nèi)部時鐘的參考率,LDC1614會輸出數(shù)字量。4個通道全部獲取到28位的DATAx(x=0～3)并傳輸給單片機的時間大約為256 μs

(3)

LDC1614的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[5,6],用于取代和模擬電渦流傳感器的信號調(diào)理部分。

圖2 LDC1614內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 磁浮傳感器軟件設(shè)計

磁浮電渦流位移傳感器的軟件設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計流程圖

目前較流行的單片機都有IIC的接口,直接用單片機內(nèi)部模塊效率會高一些,主要需要配置LDC1614的相關(guān)寄存器,包括通道的分頻系數(shù)和采樣模式等,本設(shè)計中需要調(diào)整時鐘的分頻系數(shù)使得輸入到線圈的頻率大約是4 MHz,這樣在20 mm間隙范圍內(nèi)返回的頻率都會有變化。同時單片機需要外接并行的NORFLASH,是為了保證較快的查表速率。NORFLASH的容量達到1 Mbit以上就能滿足所有數(shù)據(jù)的存儲。傳感器的每個通道會獲取到0～228-1的數(shù)字量,而這個數(shù)字量可以作為NORFLASH的地址,通過對地址的查找,得到實際的間隙值并通過RS485方式輸出給后端處理器。

有效判斷數(shù)據(jù)的主要方式是在軟件中加入中值濾波,這樣每個通道的數(shù)據(jù)波動就會小很多,然后通過將4個通道的值作對比,理論上因為4個線圈處于水平面上,即便處于傾斜狀態(tài),中間的傳感器數(shù)值一定會在兩端傳感器數(shù)值的中間,根據(jù)這一特性,懸浮高度主要按照4只傳感器的平均值確定,如果中間傳感器的數(shù)值出現(xiàn)異常情況則判斷兩端傳感器的狀態(tài),判斷得到兩端傳感器的數(shù)值相差不大則懸浮高度按照兩端傳感器的平均值確定,否則按照四個傳感器數(shù)值最相近的兩個傳感器的數(shù)值取平均作為當(dāng)前的懸浮高度。

為了保證通信的可靠性,整塊電路板需要做的盡可能小,否則采集的數(shù)據(jù)干擾會很大,但因為LDC1614采用總線的方式交互,信號傳輸線還是會有干擾存在,運行過程中LDC1614配置寄存器內(nèi)部的數(shù)據(jù)可能會改變,這樣采集回的數(shù)值將一直是0。在實際情況下不可能出現(xiàn)0,所以判斷到這種情況時需要重新配置寄存器,使得采集回的值恢復(fù)正常,整個配置過程大約消耗512 μs。

3 磁浮傳感器測試結(jié)果

根據(jù)單片機獲取得到傳感器4個通道返回的數(shù)據(jù),畫出采樣出光柵尺的實際距離和返回數(shù)據(jù)的曲線圖,為保證校準(zhǔn)曲線的精度,采樣的數(shù)目不宜過多,采樣時保證環(huán)境溫度的變化盡可能小,最好在恒溫箱中完成。為保證數(shù)據(jù)一致性需要多次重復(fù)實驗,通過采樣到的數(shù)據(jù)可以擬合出1條曲線,反推出曲線的公式[7,8]。得到通道0的校準(zhǔn)曲線如圖4所示。

圖4 傳感器校準(zhǔn)曲線

根據(jù)擬合出的公式做出傳感器返回數(shù)值和實際距離的表,燒寫入NORFLASH中,通過光柵尺和步進電機的搭配,再次確認(rèn)查表后的數(shù)據(jù)和實際距離的關(guān)系,步進量設(shè)定為0.005 mm,通過校準(zhǔn)得到傳感器的靈敏度和誤差值,微調(diào)NORFLASH內(nèi)部的數(shù)據(jù),使得傳感器的精度基本達到預(yù)期要求。

前期使用平面線圈效果不好,受溫度影響明顯,并且電感值波動較大,改用纏繞式線圈,增加線圈半徑,同時線粗選擇0.6 mm的漆包線,這樣線圈的電阻會減小,同時線圈最小半徑也會增大,也使得銅線線圈長度會有所減小。通過對線圈的改進,明顯增大了線圈的品質(zhì)因數(shù),使得傳感器在9～11 mm處的分辨率達到0.01 mm,并且適當(dāng)減小了震蕩電容的電容量,保證在靜態(tài)情況下采樣值不出現(xiàn)大的波動,整個設(shè)計在精度和穩(wěn)定性上得到驗證。

其余3個線圈同樣也按照這種方法實現(xiàn)距離的測量。由于線圈的電感量會隨溫度變化,所以單片機系統(tǒng)中需要加入溫度傳感器進行溫度補償。根據(jù)相同距離不同溫度下間隙的差值呈現(xiàn)線性變化規(guī)律,采集回數(shù)據(jù)進行加減補償,最終得到實際的間隙。但在高溫情況下LDC1614的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)嚴(yán)重的波動,并且這種情況在模擬電渦流傳感器中也同樣存在,關(guān)于這一點LDC1614并沒能明顯改善模擬電渦流傳感器遺留的缺陷,后期設(shè)計還需進一步優(yōu)化。

4 結(jié) 論

本文提出的數(shù)字電感傳感器LDC1614在磁浮中完成懸浮間隙的測量,相較于正在使用的模擬電渦流傳感器：

1)功耗和成本大幅降低,校準(zhǔn)調(diào)試更加簡單,傳感器的驅(qū)動電路體積也大大減小,1個LDC1614芯片的通道數(shù)就可以滿足設(shè)計的要求,即對于間隙的測量精度完全滿足正常懸浮的需要。

2)并且本文考慮到溫漂對試驗結(jié)果的影響,設(shè)計中加入了溫度傳感器用于減小溫漂帶來的誤差,使得試驗結(jié)果更加可靠可信。

3)為了彌補高溫情況下數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的缺陷,希望后期設(shè)計能找到更好的解決方法來穩(wěn)定間隙數(shù)據(jù)。