一种改进型三点式电涡流传感器电路设计

一种改进型三点式电涡流传感器电路设计

0测量电路的选择根据电流测量的基本原则和等效电路，传感器线圈与测得的金属之间的距离的变化可以转化为线圈的品质因数、等效电阻和等效感。因此,测量电路的任务是把这些参数的变化变换为电压或频率的变化。可以用三种类型的测量电路:(1)电桥电路;(2)谐振电路;(3)正反馈电路。常用的高精度电涡流传感器有调频式和调幅式两种。调频式传感器电路简单,可直接输出频率信号,它的测量和传输可直接应用于数字技术,易与计算机接口,具有精度高、抗干扰能力强等优点。但是通常认为调频电路稳定性差,对实验的频率计数带来误差,使实验的测量精度受到一定的影响。综上所述,在我们设计的调频电路中,提高频率的稳定性是我们必须要解决的问题。本文还借助SPICE语言对电路进行计算机模拟仿真,分析了起振条件与各个参数对电路的影响。1型数显卡尺的工作原理调频式电涡流传感器的工作原理是将电感L的变化转换为输出电压频率F的变化。把电涡流传感器作为振荡的一个主要元件,将传感器线圈与固定电容并联组成LC并联谐振回路,其振荡频率。在研究项目中,我们主要着手开发基于电涡流原理的防水型数显卡尺,其工作原理相当于一变面积式的电涡流传感器,其中的定尺如同传感器的反射导体,而滑尺如同传感器的线圈,随着滑尺相对定尺的横向移动,线圈的有效电感L呈周期性变化,从而使回路频率也呈周期性变化。频率f与滑尺的相对位移X形成确定的对应关系,经过数字处理即可实现卡尺的测量。为实现调频式测量,将传感器线圈接入如图1所示的振荡器中,这是一个同时具有深度负反馈和自举反馈的电容三点式振荡电路,图中的L1就是传感器线圈的电感,其特点是该电路容易起振,灵敏度高,稳定性好,时漂小,输出幅值大等,其输出信号VOUT经与非门74F14整形变成TTL电平,通过适当的接口电路,送入微机第3期马东丽,等:用于调频式电涡流传感器的高稳定性LC振荡电路·299·实现数字处理。2模拟仿真过程随着计算机的飞速发展,电子计算机辅助分析大大提高了设计效率,电路仿真技术成为电路设计不可或缺的工具与手段,SPICE是世界著名的模拟电路仿真工具,功能强大,速度快,精度高,使用非常方便。对电容三点式振荡电路,满足相位和振幅条件则可以推出C3/C2=(0.2～0.8)。为验证上述设计的电容三点式振荡电路能否起振,以及各参数对电路的影响,在实验中,我们借助Protel99SE的仿真微机版本PSpice对该电路仿真。我们选用了在L1-1和C7-2节点处加初始电压值的方法,设IC=2V,进行瞬态分析结果如图2所示。可以看出,电路在十字坐标前属于起振阶段,起振过渡时间约为t=2.1133μs,而在此后电路工作在正弦波等幅振荡状态。电路的网表文件如下:*SPICENetlistgeneratedbyAdvancedSimserveron03-4-182:19:06*for:振荡电路模拟仿真.NSX*SchematicNetlist:C1NetC1-10300PFC2NetL1-1NetC2-2400PFC3NetC2-20200PFC4NetL1-1NetC4-20.01UfC5NetC7-2NetR1-20.1uFC6NetC7-2VOUT0.01uFC7NetL2-2NetC7-247Uf.ICV(NetL1-1)=2V.ICV(NetC7-2)=2VL1NetL1-1NetC1-18uHL2VCCNetL2-21mHQ1NetL2-2NetC4-2NetQ1-32N5551VVCC0+3VAC00Q2NetL2-2NetQ1-3NetQ2-32N5551R1NetL2-2NetR1-210kR2NetR1-2047KR3NetC4-2NetR1-260KR4NetQ1-3NetC2-215R5NetC2-2010kR6NetQ2-3010kEND图3所示为一个周期的放大波形,左边点的坐标(3.6894,3.3784),右边点的坐标(3.9692,3.3750);频率f=1/(3.9692-3.6894)=3.5740MHz,理论值f0=3.5736MHz,基本相等。经过Protel的瞬态仿真分析,可以得出以下结论:C1越大,电路越易起振,输出幅值增大,但频率稳定度差;C2越大,频率较稳定,但起振较慢;C3增大,电路易起振,等幅振荡。随着R1增大,工作电流减小,起振较慢,但失真系数小。为保证起振条件,R1选得大点好,并可以减小功耗。用PSpice库仿真电路,在整个周期都可以仿真察看和分析电路的性能指标,以便及时优化电路的设计。3频率稳定度的提高由于LC振荡器的性能直接影响传感器的总体性能,因此,调频式振荡电路的频率稳定度是振荡器的主要性能指标之一。频率稳定度可定义为在一段时间间隔内振荡频率相对变化量的最大值,设任意时刻实际频率值为f,频率标称值(理论值)为f0,时间间隔为T,则频率稳定度Δf用公式表示为:影响频率稳定度的主要因素有温度变化、电源电压变化、电感和电容性能以及负载阻抗的变化。由电池供电的卡尺在测量中,电源电压会逐渐衰减,实验的频率值也在不同程度的减小,为减小电源引起的频率漂移,我们在原电源前添加一稳压电源变换器TPS77025,使电路工作在稳压状态,从而改善了其对频率的影响。晶体管发射结电阻Rbc和发射结电容Cbc对频率稳定度的影响很大,其中后者影响为甚,应减小晶体管与回路的耦合。图1所示电路具有深度负反馈的特性,但在测试中发现电路的负载效应较大,需跟一射极跟随器减小负载的影响,增大品质因数Q,使谐波的失真系数减小。根据式(2)可知,欲提高稳定性,需使fo和Δf都稳定,提高fo就要提高L和C的稳定性,主要是温度稳定性。L的稳定性主要取决于基底材料的膨胀系数,合理处理的环氧玻璃布板可以做到与钢相近的线膨胀系数(如11×10-6/℃、10.5×10-6/℃),不能采用环氧酚醛玻璃布板;C的稳定性同样重要,选用CC41型片状瓷介电容器,这种电容器损耗低,电容量稳定性高,并具有多种低温度系数,适用于谐振回路和需要补偿温度效应的电路中;电路中的电容都选用CC41-0805型,温度系数CG=(0±60×10-6/℃),CH=(0±30×10-6/℃)。Δf主要有磁场干扰、介质影响和轴向灵敏度波动的影响,减小上述因素影响最有效的措施是采用差动结构的线圈,消除同类干扰信号,不仅改善了传感器的稳定性,还提高了传感器的灵敏度。综合考虑设计,振荡电路的稳定度可达5×10-5数量级,不会对测量带来大的误差,可以应用于调频式电涡流传感器。4实验数据的处理上面分别从理论上和项目要求对电路作了改进,并针对不同规格的线圈从不同角度进行了实验测试和数据处理,现举例来说明电路的工作情况,为了充分满足卡尺的测量要求,我们设计差动结构的线圈尽量提高测量灵敏度和分辨率,实验中的数据经Excel2000处理和判断后,得出了频率和位移的关系曲线,如图4所示。频率输出曲