基于电涡流的多周期双极直线位移传感器.pdf
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1、Chinese Journal of Scientific InstrumentMay20232023年5月Vol.44No.5第5期第44卷表仪器仪报学D0I:10.19650/ki.cjsi.J2210730基于电涡流的多周期双极直线位移传感器瞿金晨1.2.3,郭赫男1-2,李杰1-2.3,程灏彬1-2,闻小龙1,2,3(1.北京科技大学数理学院北京100083;2.北京市弱磁检测及应用工程技术研究中心北京100083;3.传感技术国家重点实验室上海200051)摘要:传统的基于电涡流的多周期位移传感器由于输出信号的周期重复性,难以解决断电重启后的绝对位置识别问题。提出一种基于电涡流的新型
2、双极直线位移传感器。经过理论与仿真分析,验证了随着滑片的滑动,接收线圈中感应电压的幅值呈现正余弦变化。设计了双极敏感结构,通过上极多周期接收线圈保证位移的精确测量。下极布置单周期接收线圈对上级所处周期进行识别。通过感应信号偏移及幅值归一化处理算法提高精度,在实验室搭建传感器样机,以高精度电控平移台进行测试。经测试,新型多周期双极电涡流直线位移传感器可以实现绝对位置测量,在0 6 0 mm量程内测量误差为30 m,最大非线性为0.08%。突破了传统多周期涡流式位移传感器绝对位置无法识别的局限关键词:电感式传感器;直线位移传感器;多周期;绝对位置中图分类号:TH712文献标识码:A国家标准学科分类
3、代码:46 0.40Multicycle bipolar linear displacement sensor based on eddy currentQu Jinchen-2.3,Guo Henan-2,i iel-23,heng Haobin-2,Wen Xiaolong1,2,3(1.Department of Physics,University of Science and Technology Bejing,Bejing 100083,China;2.Beijing Engineering Research Center of Detection and Application
4、for Weak Magnetic Fieldy,Beijing 100083,China;3.State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai 200051,China)Abstract:Traditional eddy current based multi-cycle displacement sensors are difficult to solve the problem of absolute positionidentification after power failure and restart due to th
5、e periodic repetitiveness of the output signal.In this article,a new type of eddycurrent based bipolar linear displacement sensor is proposed.After theoretical and simulation analysis,it is verified that the amplitudeof the induced voltage in the receiving coil shows a sine cosine variation with the
6、 sliding of the slide.A bipolar sensitive structure isdesigned to ensure accurate displacement measurement by means of a multi-cycle receiving coil at the upper pole.A single-cyclereceiver coil is arranged at the lower pole to identify the cycle of the upper stage.The accuracy is improved by sensing
7、 signal offset andamplitude normalisation processing algorithms,and the sensor prototype is established in the laboratory and tested with a high precisionelectronically controlled translation table.The new multi-cycle bipolar eddy current linear displacement sensor has been tested toachieve absolute
8、 position measurement with a measurement error of 30 m in the O 60 mm range and a maximum non-linearity of0.08%.This breaks through the limitations of traditional multi-cycle eddy current displacement transducers where the absolute positioncannotbeidentified.Keywords:inductive sensor;linear displace
9、ment sensor;multi-cycle;absolute position0引言位移传感器一般可分为增量式位移传感器和绝对定位位移传感器,增量式位移传感器只能提供相对于起始位置的增量位移的测量值,而绝对定位位移传感器可以立即提供相对于已建立的参考系的绝对位置信息,而无需先校准到绝对零位。绝对定位直线位移传感器在工业收稿日期:2 0 2 2-11-18ReceivedDate:2022-11-18*基金项目:国家自然科学基金(6 2 0 310 2 5)、传感技术联合国家重点实验室基金(SKT2105)项目资助261第5期瞿金晨等:基于电涡流的多周期双极直线位移传感器机床测距等方面有着重
10、要的应用门。绝对定位直线位移传感器可以进行机床运行定位,断电重启后的绝对位置识别是检验机床可靠性的关键参数。最近报道的许多研究中,主要以光学的方式实现绝对位置测量。绝对式光学编码器主要采用光学图像技术来获取位置信息2,图像数据的质量受到所用光源和表面污染引起的散射的影响。此外,光学编码器需要相当长的时间来进行图像采集和解码,所采用的算法很复杂。电涡流技术基于电磁感应原理3,具有非接触、结构简单、环境适应性强的特点,比传统电位器式4、电容式5及光学式直线位移传感器6-8 更适合于在复杂环境下进行绝对位置测量9 现有电涡流技术的报道主要用于测量角度10-11,传感器的转子与定子无接触,具有高稳定性
11、,高精度,高分变率的特点,且环境适应性好。Kumar等12 研究了一种电涡流式角位移传感器,非线性为0.2 5%,为高精度直线位移测量提供了一种新的思路。为了提高精度,涡流式位移传感器通常制备为多周期接收线圈结构13,由于输出信号的周期重复性,难以解决断电重启后的绝对位置识别。本文提出了一种基于电涡流技术的多周期双极高精度直线位移传感器,设计出双极敏感结构,解决了传统多周期涡流式传感器绝对位置识别的问题。经过算法调整,全量程范围内的测量误差为30 m,最大非线性为0.08%,具有精度高、环境适应性强、结构简单等优点。研究成果突破了传统多周期涡流式传感器绝对位置无法识别的局限,在汽车、机床等领域
12、直线位移测量具有广阔的应用前景。11传感器设计1.1敏感结构设计本文提出基于电涡流的多周期双极直线位移传感器,主要包括滑片和双极线圈,如图1所示,为使滑片在激励线圈的作用下产生涡流,滑片为金属材料14。双极线圈分层布置,上极包含一组激励线圈与一对多周期接收线圈,下极包含一组激励线圈与一对单周期接收线圈。上下两极的接收线圈都布置于激励线圈内侧,结构关系产生9 0 的相位差,在没有滑片作用下,该设计可以使得接收线圈产生的总感应电压的值总为0。滑片位于感应线圈正上方,在激励线圈产生的交变磁场中产生涡流,滑片表面的涡流磁场的方向与原始磁场方向相反,因此在涡流磁场的作用下,接收线圈中不同回路产生的感应电
13、压不同。接收线圈最终的感应电压是由滑片与线圈的耦合面积决定的,由于滑片位置的不确定性,转子与线圈的耦合面积也不确定,因此总的感应电压的大小随着滑片移动有规律的变化。因此,滑片覆盖与没有覆盖的位置磁场幅值存在差异,接收线圈感应该差异,输出与滑片滑动位移相关的感应电压信号。在测量过程中,下极单周期线圈信号对上极多周期线圈信号所处周期位数进行识别,上极多周期线圈信号对所处角度位置进行识别,从而在保证测量精度的基础上解决了绝对位置测量问题。上极激励线圈上极接收线圈1上极接收线圈2滑片下极接收线圈3下极接收线圈4下极激励线圈图1滑片和双极线圈结构示意图Fig.1Schematic diagram of
14、slider and bipolar coil structure1.2位移测量原理分析根据电磁感应效应,在激励线圈中加载高频正弦电压时,金属滑片附近会产生交变磁场,在滑片中产生涡流。金属中的涡流又产生涡流磁场,接收线圈在交变磁场和涡流磁场的共同作用下产生感应电压,可表示为:JBr(t,x,y,z)dS+dBe(t,x,y,z)dsdeBdtdt(1)式中:B为励磁线圈产生的交变磁场;BR是涡流场。积分区域A是滑片和接收线圈之间的耦合区域面积即涡流场的实际作用面积,积分区域B为交变磁场的作用面积。接收线圈的布置为正负环结构。两个相邻线圈的感应电压在相同磁场作用下,大小相等,方向相反,因此,B,
15、对接收线圈中感应电压的净影响为0,如下:d,Be(t,x,y,z)ds=0(2)dt涡流场与接收线圈相邻的正负环耦合区域面积不同,因此,只有作用在接收线圈上的涡流场的感应电压是有效的,涡流场的感应电压如下:Br(t,x,y,z)dsdp(3)dtdt当磁场恒定时,磁通量与滑片和接收线圈之间的覆盖区域面积成正比。通过MATLAB仿真得到描述覆盖面积与滑片位移量关系的曲线如图2 所示,因此,滑片移动过程中,上下极接收线圈的感应电压也成相应的变化。1.3仿真分析激励线圈为平面螺线状,电感值与线圈的匝数成正比,但线圈匝数过多一方面会影响激励线圈振荡频率的表学仪器仪262第44卷报一接收线圈130接收线
16、圈22011110/01/1-10/1/-20/-300204060位移量/mm(a)滑片与上极两组接收线圈的覆盖面积和位移量的关系(a)The relationship between the sliding plate and the coverage area anddisplacement of the two sets of receiving coils in the upper pole一接收线圈340接收线圈42001-20-400204060位移量/mm(b)滑片与下极两组接收线圈的覆盖面积和位移量的关系(b)The relationship between the slid
17、ing plate and the coverage area anddisplacement of the two sets of receiving coils in the lower pole图2 滑片覆盖面积和位移量的关系Fig.2 The relationship between the coverage areaof the slider and the displacement大小,从而原磁场的电磁耦合性能也被影响,另一方面线圈匝数的增加也会增加传感器尺寸。综合考虑,上下极都选用8 匝螺线圈作为激励线圈,在电路板每层布置4匝,通过盲孔连接上下两层线圈,提高电感的同时也充分节省空
18、间。对于线圈的线距,过大的线距会使整个线圈排布面积过大,影响整个螺线圈上方磁场稳定性,干扰接收线圈产生的感应信号。因此,线距应尽量接近电路制作工艺的最低限度,本文线圈都选择0.2 mm的线距。上级感应线圈位于电路板1、2 层,下级感应线圈位于电路板3、4层,通过盲孔连接线圈交叉部分,在保证每组接收线圈在激励磁场的作用下所产生的感应电压理论为0的同时,又可以保证同极两组线圈感应电压的输出信号的幅值理论上相等,减少了原始信号的误差。滑片使用印刷在电路板上的铜箔制作,尺寸2 0 mm18mm,厚度1.2 mm。将Solidworks构建的包含滑片的3D模型导人Maxwell3D进行网格划分和瞬态分析
19、。图3所示为包含激励线圈、接收线圈和滑片的Maxwell3D仿真模型15-16,其中滑片的厚度1.2 mm,滑片、激励线圈和接收线圈所处平面都平行于x-y平面,滑片下表面处于z=1mm处,与接收线圈的距离为0.8 mm,在激励线圈中加载5V,4MHz的交变电流,其初始相位设置为0【17。仿真模型的主要参数如表1所示。当沿轴正向以8.6mm/s匀速平移时,如图4所示,上极感应电压表现出周期性的正余弦变化,下极感应电压周期单一不重复,两极的电压幅值都取决于滑片的相对位置17。表1仿真主要参数Table1Simulation main parameters参数名参数值线圈材料铜滑片材料铜上极激励线圈
20、匝数8下极激励线圈匝数8接收线圈匝数1激励电压幅值/V5激励电压频率/MHz40mm15mm30mm图3传感器的电磁耦合仿真模型Fig.3Electromagnetic coupling simulation model of the sensor1.4电路模块设计用于线圈输出电压解调的电路部分主要包括驱动解调芯片、微控制单元(microcontrollerunit,M CU)、电源3个部分。选用IPS2200驱动解调芯片加载激励信号并进行接收线圈信号的预处理。选用STM32F373CCT6作为后续处理的单片机,此单片机具有Cortex-M4内核和精确16bit Sigma-Delta 数模转
21、换器(analog-to-digital converterADC)的结合。电源模块部分,由DC-DC电源芯片和二次稳压的低压差线性稳压器(lowdropoutregulator,LD O)芯片组成,可以降低电源纹波对电路的影响。Diagram before signal processingFig.5263第5期瞿金晨等:基于电涡流的多周期双极直线位移传感器2201234567时间/s202工-0134567时间/s(a)上级多周期感应电压仿真(a)Simulation diagram of multi-cycleinduced voltage in theupperpole5-501234
22、567时间/s5一234567时间/s(b)下极单周期感应电压仿真(b)Simulationdiagramofsingle-cycleinduced voltage in the lower pole图4两组接收线圈的感应电压Fig.4Induced voltage of two sets of receiving coils1.5信号处理信号处理主要分为两部分,首先,在驱动解调芯片中对信号进行预处理,通过MCU配置驱动解调芯片后对信号进行放大、整流和滤波。然后,在MCU中利用算法进行处理。MCU中的信号处理过程如下。实验初期对原始信号采集过程中,滑片位置固定时仍存在0.0 1mm波动。为充分
23、降低原始数据记录所产生的误差,以8 0 个数据为一组进行滑动滤波,使波动降低到0.0 0 3mm。为后续算法处理做初步准备18。原始数据波形应为两个三角函数波形,虽然在信号预处理部分已经对其振幅、相位差等进行了初步调整,但是与标准的正余弦相比,在相位、振幅对称性、周期对称性方面还是有一定的偏差。所以,要对原始数据进行标准正余弦化处理。可以按照如下步骤完成。1调整原始信号的幅值偏移。两组感应信号的偏移量C,、C,可表示为:Max(Vsin(a)+Min(Vsin(t)C(4)2Max(Vcos(a)+Min(Vecos(a)C2(5)2式中:Max(Vs i n(x))和Min(Vs i n(a
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