電渦流傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

如圖3-2中所示。與此同時(shí)，電渦流i又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2;H2與H1方向相反，并力圖削弱H1,從而導(dǎo)致探頭線(xiàn)圈的等效電阻相應(yīng)地發(fā)生變化。其變化程度取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電阻率ρ，磁導(dǎo)率μ，線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體的距離x，以及線(xiàn)圈激勵(lì)電流的頻率f等參數(shù)。如果只改變上述參數(shù)中的一個(gè)，而其余參數(shù)保持不變，則阻抗Z就成為這個(gè)變化參數(shù)的單值函數(shù)，從而確定該參數(shù)的大小。
    電渦流傳感器的工作原理，如圖3-2所示:

圖3-2 電渦流傳感器工作原理圖

為了便于分析，把被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)中的電流，這樣就可以得到如圖3-3所示的等效電路。

圖3-3 電渦流傳感器等效電路圖

圖中R1，L1為傳感器探頭線(xiàn)圈的電阻和電感，短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線(xiàn)圈，其中R2，L2為被測(cè)導(dǎo)體的電阻和電感。探頭線(xiàn)圈和導(dǎo)體之間存在一個(gè)互感M，它隨線(xiàn)圈與導(dǎo)體間距離的減小而增大。U1為激勵(lì)電壓，根據(jù)基爾霍夫電壓平衡方程式，上圖等效電路的平衡方程式如下:

求得I1,I2的表達(dá)式以后，可得到傳感器線(xiàn)圈的等效阻抗，從而進(jìn)一步得到探頭線(xiàn)圈的等效電阻和電感，最后可以將探頭線(xiàn)圈的等效阻抗Z表示成如下的一個(gè)簡(jiǎn)單地函數(shù)關(guān)系Z = F（x，μ，ρ，f）①，其中，x為檢測(cè)距離；μ為被測(cè)體磁導(dǎo)率；ρ為被測(cè)體的電阻率；f為線(xiàn)圈中激勵(lì)電流頻率。所以當(dāng)改變其中一個(gè)量時(shí)，就可以通過(guò)測(cè)量△Z的值來(lái)間接測(cè)量位移的大小。

本次設(shè)計(jì)的原理主要是用電感的變化模擬位移的變化即用可調(diào)電感L2代替電渦流傳感器，用振蕩電路提供振蕩電流并通過(guò)LC濾波電路進(jìn)行整流濾波，實(shí)現(xiàn)位移—阻抗—電量的轉(zhuǎn)換過(guò)程，具體方法是采用諧振法是將傳感器線(xiàn)圈的等效電感的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，傳感器線(xiàn)圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為，fo=1/√（2π(LC)）諧振時(shí)回路的等效阻抗最大，Z=L/RC，其中R為諧振回路等效電阻。當(dāng)線(xiàn)圈電感L發(fā)生變化時(shí)，回路的等效阻抗與諧振頻率都將隨L的變化為變化，因此可以利用測(cè)量回路阻抗的方法或測(cè)量回路諧振頻率的方法間接測(cè)出傳感器的被測(cè)值。
    調(diào)頻式電路是通過(guò)測(cè)量諧振頻率的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于遙測(cè)和數(shù)字顯示，而調(diào)幅式電路是通過(guò)測(cè)量等效阻抗的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量，諧振法的測(cè)量原理，如圖3-4所示，系統(tǒng)整體仿真截圖如圖3-5所示。

圖3-4調(diào)幅式諧振原理圖

由圖中可以看出，本設(shè)計(jì)的整個(gè)電路分為兩個(gè)模塊：振蕩電路模塊與LC濾波電路模塊它們的等效電路圖如圖3-5，3-6所示。

圖3-5振蕩等效電路圖

仿真結(jié)果如圖4-1所示，由圖可知，系統(tǒng)將位移的變化（電感的變化）轉(zhuǎn)換為了電壓的變化，通過(guò)測(cè)量圖中振蕩信號(hào)的周期算出振蕩信號(hào)的頻率，通過(guò)公式②算出電感L的變化，在通過(guò)公式①算出相應(yīng)位移的變化。