基于MAX1452的电涡流传感器设计

作者简介：鹿文龙（1985—），男，工程师，主要研究方向：传感器及调理电路设计、测试测量、信号采集与处理。

传统的电涡流传感器普遍没有温度补偿功能，通常温度特性较差。即便进行了温度补偿，效果也很有限，只能通过放置一个与探头线圈温度特性相反的电感进行粗略补偿，且补偿温度范围很窄，无法取得良好的补偿效果。为了提高电涡流传感器的温度特性，减小温度对电涡流传感器的影响。本文提出一种基于MAX1452 的电涡流传感器设计，在实现电涡流测量的同时，可以对电涡流传感器进行温度补偿。本设计可以在（-40~125）℃范围内对电涡流传感器进行温度补偿，并可多个温度点补偿。在保证电涡流传感器输出性能的基础上，改善了电涡流传感器的温度特性。MAX1452采用数字化补偿方式，补偿精度高，操作方便，可以实现传感器的批量补偿。

图1 电涡流传感器结构

1   电涡流传感器结构和工作原理

如图1 所示，电涡流传感器由探头、电路板、外壳和线缆组成^[1]。探头内部是1 个线圈，可等效为电感L。电路板包括振荡电路、谐振电路、检波电路、补偿放大电路和滤波电路，其中谐振电容C 与探头线圈L 组成LC 谐振电路，其谐振频率f 为。外壳用于保护和固定内部元件，线缆用于传感器供电和信号输出。电涡流传感器采用非接触式测量原理^[2]，通常用于测量距离。图2 为电涡流传感器工作原理，当金属板置于探头线圈附近，它们之间的间距为δ，线圈输入交变电流i1 时，便产生交变磁通量Φ₁。金属板在此交变磁场中会产生感应电流i₂，这个电流在金属板内是闭合的，所以称之为“涡流”。这个涡电流也将产生交变磁场Φ₂，与线圈的磁场变化方向相反，Φ₂ 总是抵抗Φ₁ 的变化，由于涡流磁场Φ₂ 的作用使探头线圈的等效阻抗发生变化。利用这种涡流效应，电涡流传感器通过将距离变化转换为阻抗变化来进行测量。

图2 电涡流传感器工作原理

2   电涡流传感器温度误差分析

分析的电涡流传感器基于调幅式原理，由振荡电路、谐振电路和信号处理电路组成。其中谐振电路由探头线圈^[3]和谐振电容组成，是电涡流传感器的敏感元件。由振荡电路产生固定频率的振荡信号注入谐振电路，谐振电路构成的LC 振荡电路产生谐振。当被测距离发生变化时，探头线圈的阻抗会发生变化，进而引起其端电压发生变化，测量此端电压便可间接测量距离。

如图3 所示，R 为探头线圈的等效电阻^[4]，L 为探头线圈的等效电抗。当环境温度发生变化时，探头金属导体的电导率会发生改变，探头线圈也会因为热胀冷缩而改变几何尺寸。因此，环境温度对探头线圈的电阻和电抗都会产生影响。

R = R(T )   （1）

L = L(T，d )   （2）

式中：T 为环境温度，d 为待测距离。

当传感器工作时，整个测量电路的工作频率位于谐振频率附近。当电路处于谐振状态时，谐振回路的等效阻抗Z 可以表示为：

式中：Q₀为并联谐振回路的品质因数。

当传感器的环境温度发生变化时，线圈电阻的变化量^[5]为：

ΔR = ΔT ⋅ kR   （5）

谐振频率下谐振回路等效输出阻抗的最大变化量为：

当环境温度发生变化时，谐振回路的等效阻抗发生变化，引起探头端电压发生变化，引起传感器输出信号发生变化，产生温度误差。要提高传感器的测量精度，必须采取措施对传感器进行温度补偿^[6]。

图3 谐振电路原理

3   基于MAX1452电涡流传感器电路设计

电涡流传感器的电路^[7]基于MAX1452 设计，由振荡电路、谐振电路、检波电路、补偿放大电路和滤波电路组成，分别实现振荡源信号、谐振振荡、信号检波、信号放大、温度补偿和信号滤波的功能。

3.1 电源电路设计

电源电路对外部供电进行稳压和滤波处理，可将电压精确稳定至5 V，为MAX1452 电路供电。稳压源选择高精度电压基准源LT1461-5，其电压输入范围为（7~20）V，输出电压为5 V DC±0.04%，温度系数小于2×10-5/℃，工作温度范围为（-40~125）℃。在LT1461-5 稳压电路的输入端和输出端分别设计有低通滤波器和高频滤波电容，可进一步对电源进行滤波处理，消除外界电磁干扰，提高电路的电磁兼容性。

图4 电涡流传感器电路原理

3.2 振荡电路设计

振荡电路的振荡源使用MAX1452 内部集成的1 MHz 振荡器，该振荡器振荡频率稳定，占空比为50%，带载能力不小于1 mA，可为探头感应线圈提供稳定可靠的振荡源信号。

谐振电路由感应线圈L1 和谐振电容C7 组成LC 谐振器，振荡频率设计约为1 MHz。当给LC 谐振器施加震荡源时，LC 谐振器可等效为阻性元件。谐振器中的谐振电容C7 为固定容值，那么当感应线圈L1 的电感量发生变化时，整个LC 谐振器的阻抗将发生变化。感应线圈的阻抗变化与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈与金属导体之间的距离δ 以及线圈激励振荡源频率f 有关，可用函数关系式Z = F（ρ、δ、μ、f）表示。

电涡流传感器的电阻率ρ、磁导率μ、线圈振荡源频率f 为固定值，则感应线圈的阻抗变为线圈与金属导体之间的距离δ 的单值函数。当线圈与金属导体间的距离δ 增大时，电涡流效应减弱，感应线圈的阻抗Z 变小，谐振器电感L 端电压变小。那么就可以通过检测电感L的端电压实现间接测量探头感应线圈与金属导体之间距离的目的。

3.3 检波电路设计

谐振电路输出的是交变电压信号，需要经过检波处理后才能被后续电路处理。检波电路基于峰值检测原理，由1 个二极管和检波电容组成。检波电路的仿真如图5所示，其中二极管选择1N4148 整流二极管，利于二极管的单向导电性，可将交流信号整形为正半周的直流信号。检波电容则选择小容值的陶瓷电容，该电容的端电压为直流信号的峰值，可以实现对整形后直流信号的检波功能。

图5 检波电路原理

3.4 放大和滤波电路设计

谐振电路的端电压幅值较小，需要对检波后的信号进行放大处理，以满足传感器输出要求。放大电路使用MAX1452 内部自带的可调增益放大器，可通过数字化配置将传感器输出信号调整至目标值。滤波电路使用阻容器件和MAX1452 内部集成的运算放大器构成1 个二阶低通滤波器，对设计的滤波器进行频率特性仿真，可得出该滤波器的通带截止频率约为200 Hz，可有效滤除高频噪声信号，保留低频有效信号，提高输出信号的信噪比。

图6 滤波电路频率响应

4   电涡流传感器温度补偿

电涡流传感器的温度补偿是通过MAX1452 的温度补偿功能实现的，MAX1452 是一种高度集成的模拟传感器信号处理器，具有放大、校准和温度补偿功能。如图7 所示，MAX1452 内部包含1 个可编程传感器激励、1 个16 级可编程增益放大器（PGA）、1 个768 字节（6 144位）内部EEPROM、4 个16 位DAC、1 个通用运算放大器以及1 个内嵌温度传感器。除偏移量和跨度补偿外，MAX1452 还利用偏移量的温度系数（TC）和跨度温度系数（FSOTC）提供独特的温度补偿。

具体补偿方法为，把OFF 和FSO 查找表当做1 个

DAC，以MAX1452 内部温度传感器建立温度查找表，在不同温度下，通过调整FSODAC 和OFFSETDAC 的值校准电涡流传感器的满程输出和零位输出，从而实现对电涡流传感器温度补偿的目的。具体的补偿步骤包括系数初始化、FSO 校准、FSO 和FSOTC 补偿、OTC补偿和OFF 补偿。使用MAX1452 对电涡流传感器进行温度补偿后，当电涡流传感器在不同温度工作时，MAX1452 内部温度传感器感应环境温度，以温度值作为补偿数据查找表的索引指针。MAX1452 利用该指针索引FSODAC 和OFFSETDAC 值，通过累加器对原始信号进行运算处理，处理后的数据存入输出数据寄存器，最终输出补偿后的电压值。

图7 MAX1452功能框图

5   传感器性能测试

在-40 ℃、常温、100 ℃环境下，使用MAX1452对电涡流传感器进行温度补偿，并测试电涡流传感器性能^[8-9]，具体数据如表1 所示。

表1 电涡流传感器性能测试数据

从以上数据可以看出，该电涡流传感器具有输出稳定、误差小的特点。在低温、常温、高温环境下最大非线性误差为0.15%，具有输出线性好的优点。经计算，传感器的最大总误差小于0.2%，最大温度误差小于0.002%FS/℃，指标均达到了较高水平，可见MAX1452对传感器的输出校准和温度补偿均取得了良好的效果。

6   结束语

基于MAX1452 设计的电涡流传感器具有温度自动补偿功能，补偿效果良好。该设计不仅改善了电涡流传感器的温度特性，还可以对传感器进行数字化校准，对实现电涡流传感器的批量化生产具有重要意义。

参考文献：

[1] 伍艮常.电涡流传感器的设计[J].中国科技信息,2011(12):117-118.

[2] 翟瑶.微型电涡流传感器的研究[D].上海:上海交通大学,2016.

[3] 宋冠儒,刘冲,李经民,等.电涡流传感器探头的结构优化[J].机电技术,2021(4):61-64.

[4] 于亚婷,杜平安,李代生,等.电涡流传感器线圈阻抗计算方法[J].机械工程学报,2007,43(2):210-214.

[5] 王军平,王安,樊文侠,等.电涡流传感器线圈参数对传感器性能的影响[J].自动化仪表,2001,22(12):22-24.

[6] 丛华,张德魁,赵鸿宾,等.电涡流传感器温度稳定性研究[J].清华大学学报,1999,39(10):65-68.

[7] 赵昕明.高温型电涡流位移传感器及高精度测量电路[J].自动控制,2004,13(1):76-78.

[8] 陆毅,傅志斌,丁天怀,等.电涡流式位移传感器低温标定系统及其误差分析[J].低温工程,2004,(2):41-44.

[9] VYROUBAL D.Impedance of the Eddy-Current Displacement Probe:The Transformer Model[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2004,53(2):384-391.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年12月期）