基于电涡流的多周期双极直线位移传感器.pdf

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 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 the 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 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 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 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 displacement 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，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 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，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 sliding 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。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 theupperpole5-501234567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）分别为Vsin(x）这组信号的最大与最小值;Max（Ve o s(a）和Min（Vc o s(a）为另一组信号Vcos（x）的最大值与最小值。偏移调整后的两组信号Vm(）和V）只需分别减去C、C，即可。2)将两组信号进行幅值的归一化处理，这一步的目标是调整两组原始信号的幅值，使其归一并接近标准的正余弦图形，两组信号的幅值A，和A，表示为：Max(Visn(c)-Min(Van(a)A=(6)2Max(Vco()-Min(Vco(a)A2(7)2式中：Max(Vsin(x)）和Min（Vi n x)）分别为Vsin(）这组信号的最大与最小值;Max（Ve o s（x)）和Min（Ve o s(a）为另一组信号V（的最大最小值。则归一化后的两组信号Vmc）和VCos(x)可表示为：1V(8)sin(x)A1sin(x)1(9)A2cos(xcos(x)图5所示为信号处理前示意图，图6 所示为信号处理后的示意图。Sin(x)cos(x)2111-20204060位移量/mm图5信号处理前示意图C刀1.5sin(x)Scos(x)1.00.51/011-0.51/1/-1.0-1.50204060位移量/mm图6 信号处理后示意图Fig.6Diagram after signal processing表264仪仪器报学第44卷1.6绝对位置解算将原始信号进行处理后，信号已经几乎表现出标准的正余弦变化。这一步需要将信号解算为绝对位置1)计算出断电重启后上下级所处位置分别为Positionl和Position2:sin(x)Positionl=arctan2(10)Position2=arctan2(11)cos(x)2)将每次断电重启后上极多周期所处角度记为0，并计算滑片移动后的两极位置变化量。滑片移动后，上下级所处位置记为Position3和Position4，上级位置变化量Position5有正负之分，所以，上下极位置实际变化量Pos1和Pos2分别表示为式（13）、（14）。Position5=Position3-Positionl(12)Position5,Position50Pos1:(13)360+Position5，Po s i t i o n 5 0Pos2=Position4-Position2(14)3以下极单周期信号作为参考，判断上极多周期信号所处周期，并解算绝对位置。滑片所处绝对位置记为Pos:Pos1+Pos2,Position2 18024)将解算角度值转换成位移值。角度值与位移值一一对应且成正比，比例系数k为：Max(Pos)k=(16)60解算出的角度值除以一个比例系数k即得到位移量。最终位移量L可以表示为：L=(Pos-45)/k(17)2测试结果与讨论本文搭建了直线位移传感器测试系统，主要包括Labview上位机、高精度直线位移台。测试以实验室高精度直线位移台为基准，其重复定位精度为0.0 0 1mm，可以很好的检验该传感器的实际使用精度。为了防止滑片外的金属对磁场的影响，选用木块作为搭载传感器定子与滑片的材料。装配时尽可能保证滑片与定子之间平行。实际采集原始数据时，在0 6 0 mm量程内，以0.2mm为间隔，实时记录原始数据和校准前后的位移值，同时记录直线位移台的位移值将其作为标准的位移值以便对比分析误差。图7 所示为Labview上位机、位移台控制器、高精度直线位移台和传感器搭建的测试系统。Labview上位机位移台木块（固定滑片传感器样机(a)高精度直线位移测试系统(b)测试平台细节图(a)High precision linear(b)Test benchdisplacement test systemdetail diagram图7高精度直线位移测试系统和测试平台细节图Fig.7High precision linear displacement test system andtest bench detail diagram在对信号处理前后的位移值进行记录后，以高精度的直线位移台的位移值为标准的位移量进行误差分析，图8 所示为信号处理前后的位移量误差曲线。从误差曲线的对比，不难发现，在处理前，传感器的满量程测量误差为0.16 mm，处理后满量程误差减小到30 m。信号的处理达到了预期效果信号处理前误差0.20信号处理后误差0.15八八0.10/0.05/0-0.050204060位移/mm图8 信号处理前后误差对比Fig.8Comparison of error before and after signal processing图9 所示为解算位移值与理论位移值的拟合曲线，图10 所示为拟合残差图，从两者的关系式可以看出，解算位移值与标准位移值几乎相等，量程内最大非线性为0.08%，解算位移值与标准位移值满足良好的线性关系。由此看出该传感器测量达到了预期的效果。60u/解算位移40一拟合曲线2000102030405060理论位移/mm图9解算位移与理论位移拟合曲线Fig.9Solution displacement and theoreticaldisplacement fitting curve265瞿金晨等：基于电涡流的多周期双极直线位移传感器第5期0.02一拟合曲线残差-0.020102030405060理论位移/mm图10拟合残差图Fig.10Fitted residual plot基于电涡流的多周期双极直线位移传感器利用电磁感应原理测量位移，本文提出了双极敏感结构，在多周期接收线圈精测位移的同时，借助单周期接收线圈进行绝对位置识别。理想情况下，滑片与定子应该是平行的，但是在实际中,由于设计误差、加工误差等的存在，滑片与定子不会完全平行，这将会导致感应电压的幅值减小，增加误差。为了验证这个分析，将滑片一段垫上纸片，采集原始信号发现，感应电压的幅值少了10 0 mV，证明了这种误差的影响。因此，机械结构与装配工艺的改进将进一步减少测量误差。3结论本文提出了一种基于电涡流的新型高精度直线位移传感器，主要包括滑片、双极线圈和处理电路，设计了基于电涡流的双极敏感结构，通过有限元仿真及理论分析，验证了双极线圈进行直线绝对位置测量的可行性，研究了正余弦信号偏移与归一调整，搭建了直线位移测试平台，进行实验室测试。测试结果表明，在信号处理后，传感器全量程精度为30 m。相比处理前0.16 mm精度有较大提升。本传感器样机在量程内的最大非线性为0.08%，全量程精度0.0 5%，精度与非线性有较大提升。该传感器设计尺寸灵活，结构简单，在汽车、工业等领域具有广阔的应用前景。参考文献1CAI N,XIE W,PENG H,et al.A novel errorcompensation method for an absolute optical encoderbased on empirical mode decomposition J.MechanicalSystems and Signal Processing,2017,88:81-88.2DASS,SARKAR T S,CHAKRABORTY B,et al.Asimple approach to design a binary coded absolute shaftencoderJ.IEEE Sensors Journal,2016，16（8):2300-2305.3ZHANG C,LI Z P,CHEN J,et al.Design and researchofa novel non-contact vertical inductive torque sensor J.Measurement,2021,177(2):312-315.4王程远.电阻式传感器转换电路研究与分析J电子测量技术，2 0 2 1，44(8）：16 1-16 7.WANG CH Y.Research and analysis of resistive sensorconversionncircuit J.Ele c tr o n icMeasurementTechnology,2021,44(8):161-167.5YEY,ZHANGCY,HECL,et al.Areview onapplications of capacitive displacement sensingforcapacitive proximity sensorJ.IEEE Access,2020,8:45325-45342.6WANG L,MEYDAN T,WILLIAMS P,et al.A proposedoptical-based sensor for assessment of hand movementJ.IEEE Sensors，2 0 15,D O I:10.110 9/i c s e n s.2015.7370222.7DAS S,CHAKRABORTY B.Design and realization of anoptical rotary sensor J.IEEE Sensors Journal,2018,18(7):2675-2681.8JIANG C L,TIAN Z H,YU W J.Displacementmeasurement technology of nano grating sensor based onHHT algorithm J.Microelectronics Journal,2021,109:104986.9谷星莹，汤其富，彭东林一种双边传感型电磁感应式直线位移传感器J.仪表技术与传感器，2020(4):1-5.GU X Y,TANG Q F,PENG D L.Research on inductivelinear displacement sensor with bilateral sensing units J.Instrument Technique and Sensor,2020(4):1-5.10LI Z P,ZHANG C,SHI S Z,et al.Design andparameter optimization of contactless vertical inductiveangle sensorJ.Vacuum,2019,169:108865.11ZHANG C,LI Z,CHEN J,et al.Design and research ofa novel non-contact vertical inductive torque sensor J.Measurement,2021,177(5):109252.12KUMAR A S,BOBY G.A noncontact angle sensor basedon eddy current technique J.IEEE Transactions onInstrumentation and Measurement,2020，6 4（4):1275-1283.13陈小丽，张波，李杰，等.非接触电感式角位移传感器的设计与校准J.仪器仪表学报，2 0 2 2，43（2）：36-42.CHEN X L,ZHANG B,LI J,et al.Design andcalibrationofthenon-contacttinductiveangulardisplacement sensor J.Chinese Journal of Scientific表266仪器仪报学第44卷Instrument,2022,43(2):36-42.14YE L,YANG M,XU L,et al.Optimization of inductiveangle sensor using response surface methodology andfinite element methodJ.Measurement,2014,48(1):252-262.15徐英，张涛，李敏雪，等电容式角位移传感器电场有限元仿真研究J仪器仪表学报，2 0 0 4,2 5（4）：512-515.XUY,ZHANG T,LI MX,et al.Electric field finiteelement simulation for capacitive angular sensor J.Chinese Journal of Scientific Instrument,2004,25(4):512-515.16翁道熹，汤其富，彭东林，等。一种互补耦合型电磁感应式直线位移传感器的研究J传感技术学报，2019,32(7):996-1002.WENG D D,TANG Q F,PENG D L,et al.Research onalinearinductivedisplacementsensorwithcomplementary coupling structure J.Chinese Journal ofSensors and Actuators,2019,32(7):996-1002.17孙世政，周清松，何泽银嵌人式时栅角位移传感器短周期误差分析与补偿J仪器仪表学报，2 0 19，40(4):27-34.SUN SH ZH,ZHOU Q S,HE Z Y.Short period erroranalysis and compensation of embedded time gratingangular displacement sensor J.Chinese Journal ofScientific Instrument,2019,40(4):27-34.18HRISTOFOROUE,DIMITROPOULOSPD,PETROUJ.Anew position sensor based on the MDL technique J.Sensors and Actuators A Physical,2006,132(1):112-121.作者简介瞿金晨，2 0 2 0 年于晋中学院获得学士学位，现在为北京科技大学硕士研究生，主要研究方向为传感器技术与应用。E-mail:jinchenqu1998 Qu Jinchen received his B.Sc.degreefrom Jinzhong University in 2020.He is currently a M.Sc.candidate at the University of Science and Technology Beijing.His main research interests include sensor technology and itsapplications.闻小龙（通信作者），博士，北京科技大学副教授、硕士生导师，中国仪器仪表学会高级会员。2 0 14年在中科院电子所获博士学位，2 0 16 年在清华大学微电子学研究所博士后出站，2 0 2 3年国家公派剑桥大学访问学者。主要研究方向为微型传感器及系统、电场传感器、磁场传感器。E-mail:xiaolongwen Wen Xiaolong（Co r r e s p o n d i n g a u t h o r）i s a n a s s o c i a t eprofessor and a M.Sc.advisor at the University of Science andTechnology Beijing.He is also a senior member of the ChineseInstrument and Instrument Society.He received his Ph.D.degree from the Institute of Electronics,Chinese Academy ofSciences in 2014 and completed his postdoctoral research at theInstitute of Microelectronics,Tsinghua University in 2016.In2023,he will be a visiting scholar at the University of Cambridgeon a national scholarship.His main research interests includemicrosensors and systems,electric field sensors,and magneticfield sensors.