基于STM32微控制器的电涡流传感器设计

基于STM32微控制器的电涡流传感器设计

宋爽，周博，苏琳惠，修威国

中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150028

【摘要】电涡流传感器作为典型的非接触式测量传感器，在日常生活和工业领域中均得到广泛应用，具有灵敏度高，抗环境干扰能力强等优点。本文设计了一种基于stm32微控制器核心的电涡流传感器实现方案，通过微处理器将测量的数据线性化，使电涡流传感器测量向数字化以及智能化方向发展。

关键词：电涡流传感器；线性化；数字化；微控制器

1引言

电涡流传感器是一种经典的非接触式测量传感器，其主要通过传感器上电后，高频激励信号在探头线圈内产生磁场，与被测目标导体内产生的涡流场产生互感，从而建立起探头与被测目标的距离感应[1]。其通常具有结构可靠、抗干扰能力强，不受油污、灰尘、压力等环境干扰影响的优点，同时具有非接触、高性能、高准确度、持续且能够线性测量的特点，在静态和动态条件下都具有较好的响应能力。因其测量范围宽、分辨率高等特点，被广泛应用于各种复杂机构及高速转动机械设备的工作监测领域[2-5]。

随着电子信息技术的发展，传统单一模拟量的电涡流传感器已经不能满足工业及日常生活的使用需求，因此本文以微处理器为核心设计了一种模数结合的电涡流测量系统，使其更加数字化和智能化。

2电涡流效应

电涡流位移传感器的基本依据是电磁感应定律。由于电磁感应，当金属导体在变化的磁场中或相对于磁场运动时，其内部会感应出电流，这些电流的特点是：在导体内部自成闭合回路，成旋涡状流动，称为涡流。图1为电涡流位移传感器的工作原理图，当激励信号源施加激励信号到传感器线圈上时，线圈四周产生交变磁场H1，该交变磁场会在空间中产生感应电场。当被测导体靠近线圈时，感应电场在导体中产生感应电流，即电涡流。由于电涡流是交变电流，因此电涡流会产生涡流磁场H2，根据楞次定律，涡流磁场H2的方向和线圈磁场H1的方向相反，因而削弱了线圈磁场，使得线圈的等效阻抗发生改变[6]。

图 1 电涡流位移传感器的工作原理图

根据电涡流原理，被测导体的位移与探测线圈的等效阻抗有关，而探测线圈的等效阻抗Z与线圈的几何参数、激励信号的频率f和被测导体的位移x有关，也与被测导体的电导率σ和磁导率μ有关，因此探测线圈的等效阻抗可写成：

………………（公式 1）

式中：

：是线圈的外半径；

：是线圈的内半径；

：是线圈的厚度；

：是线圈的匝数。

根据公式(1)，如果控制线圈的几何参数和激励信号的频率不变，且被测导体的电导率和磁导率也保持不变，使得线圈的等效阻抗只和被测导体的位移有关。本文通过控制变量法，保持被测导体位移以外的所有参数不变，通过被测导体位移和线圈的等效阻抗为单值函数关系，设计了传感器的信号调理系统，完成电涡流位移传感器的设计。

3 系统结构

电涡流位移传感器主要由探头、电缆和信号适调器等三个部分组成，传感器结构图如图2所示。探头为传感器的传感单元，由外壳、线圈、骨架、保护帽、导线和电连接器等元件组成。线圈设计成圆形，缠绕在聚酰亚胺骨架上，由聚酰亚胺保护帽对线圈进行保护，并使用聚酰亚胺壳体配合螺纹安装接头固定在支架上。信号适调器是一块用于传感器信号处理的集成电路系统，安装在一个封闭式金属（铅）盒中并采用环氧树脂灌封，实现保护传感器的电路系统和屏蔽电磁干扰的作用。

图2电涡流位移传感器结构示意图

1）信号提取电路

信号提取电路包括信号解调电路、电源电路、激励发生电路、微弱信号处理电路以及高精度动态增益浮点放大电路组成，信号解调电路负责将传感器的位移信息转化为电路可测量的电信号并进行初步放大，电源电路负责整个系统的供电，激励发生电路负责产生1MHz的稳定激励正弦信号，微弱信号处理电路负责将传感器电桥采集的信号及环境噪声进行初步放大、并进行滤波将噪声滤除，提取采集频段的信号并送入高精度动态增益浮点放大电路进行放大至stm32芯片集成的ADC电路采集的电压信号。

2）电源电路

电源电路设计主要由隔离DC-DC、电源滤波、LDO等部分组成。

图 3 电源电路结构

3）激励电路设计

本文设计的高Q值传感器具有较大的电感L和高阻抗，故需要能发生足够大电流的激励源，以驱动传感器线圈中产生较强的磁场。本设计中使用stm32内部嵌入的DMA主控模块控制DAC产生稳定的1MHz正弦激励信号，通过单端转差分电路进入平衡电桥，驱动探测传感器以及参考端。使用DAC模块可以避免DDS芯片的高额造价，有效降低了系统的制造成本。

由DAC输出的正弦激励信号为0~3.3V的正弦震荡信号，显然无法满足系统-5V~+5V的激励范围，需要通过运放对激励信号进行放大，本文采用差分激励运放结构，将0~3.3V的单电源激励信号转换为-5V~+5V双电源激励信号，同时选择电流驱动能力达200mA的功率运放，可以有效驱动本项目设计的专用传感器线圈。

4）微弱信号处理电路

虽然激励电路可以产生较大的激励磁场，通过平衡电桥输出的传感器信号幅值变化仍然为

mV级差分信号，且变化信号叠加在±5V的激励信号之上，在复杂环境下需要提取的微弱信号会被湮没在环境电磁噪声中，因此需要信号处理电路将信号提取之后再进入后级电路。

本文传感器采集的微弱信号必须经过放大才能够满足滤波器的输入需要，否则可能不但不能起到滤波的作用，反而引入更大的噪声降低信噪比。传感器的前放部分作为整个放大电路的第一级尤为重要，因其所引入的噪声会经过后级运算放大器的逐级放大最终体现在采集卡采集的数据中，因此前置运算放大器要具有很低的噪声，同时其放大倍数可以不用太大，只需满足后续的滤波电路的输入即可。

在本处的运放电路本身，主要采取以下措施降低运放系统的电路噪声：

1）尽量降低电路系统的带宽，此处在传感器端已通过LC并联谐振的方式降低，其目的是在信号接收端尽可能的降低传感器以及其前放系统的噪声；

2）选择较大的输入电阻，本文采用运算放大器的输入级作为采集信号的输入电阻，利用运算放大器输入阻抗无穷大的特性，提升了采集电路的输入电阻；

3）选择噪声密度小的运算放大器，选择电压噪声密度和电流噪声密度较小的运算放大器。

为了进一步提高系统在复杂噪声环境下的适应能力，需对经过滤波电路调理后的信号进行检波处理，系统的后级检波电路包括半波整流电路以及低通滤波器两个部分。

检波电路采用二极管整流桥设计，在检波电路中，经过放大后的信号加到正极信号检波二极管的正极，这时检波二极管导通，同理，当放大后的信号加到负极信号检波二极管的负极，负极检波二极管导通，检波电路示意图如下图所示

图 4检波电路示意图

信号经过检波电路后，变为了信号幅值变化的正极半波信号。同时半波信号的幅值反应了测量信号的测量数据，因此需要将半波整流信号的包络提取出来，送到后级采集电路进行对应的运算处理即可得到被测目标的位置数据。

图 5 低通滤波电路

图5所示为检波信号包络提取的低通滤波电路，其截止频率为5kHz，可以有效滤除1MHz的载波激励信号，同时其对被测目标的振动频率最高量程可以达到5kHz，可以满足大多数电涡流传感器的应用场景。

5）温度补偿电路设计

由于在应用过程中，电涡流传感器工作温区普遍较大，因此采用温度补偿来提高测量精度。在测温模块中，采用两组四线制PT1000铂电阻，测量探头的实际工作温度，实现传感器的温度补偿。

PT1000铂电阻采用四线制连接，其中两根导线有电流有压降，另外两根为电压线，电流和压降可以忽略不计，PT1000的阻值测量将通过PT1000两端的电压反映。由于两根电压线上无电流和压降，因此该温度补偿电路的电阻不影响测量结果，且在一定程度上可以提高测量的稳定性和精度。具体电路如下图所示：

图 6温度控制原理图

4结论

本文设计了一款基于stm32微控制器的电涡流传感器，通过stm32芯片内部嵌入的DMA模块以及DAC模块配合外接激励模拟电路实现了电涡流传感器的激励，同时通过微弱信号处理电路、检波电路以及stm32内部嵌入的ADC模块实现了传感器位移数据的采集，并兼顾了电涡流传感器采集高频振动信号频率的需求。通过铂电阻温度补偿电路弥补了温度变化对电涡流传感器测量数据的影响，极大提高了电涡流传感器的精度和自适应能力。传感器与微处理器相结合形成的智能化传感器系统，满足了现代化发展对于智能传感器技术的需求。

参考文献

[1]李春兰.可调式电涡流传感器密封安装装置[J].科技视界,2017,(4):143,156.

[2]王嘉楠. 车用柴油机排气制动性能及制动阀匹配研究[D].大连理工大学,2017.

[3]兰羽.基于霍尔传感器的转速系统设计[J].电子测量技术,2013,(12):84-86,91.

[4]张大治.转动量非接触动态测量技术[J].计测技术,2014,(6):1-4.

[5]韩信.基于电涡流原理的高性能位移传感器的研究[D].天津工业大学,2020.

[6]张晓炜.基于涡流场的装甲目标磁引信近场定距方法[J].价值工程,2013,(21):218-219.