自动校准电感位移传感器检测电路的制作方法

1.本实用新型涉及电感位移传感器技术领域，特别是自动校准电感位移传感器检测电路。


背景技术：

2.为了满足恶劣环境下的使用要求，电感接近传感器供应商相继开发了各类检测技术，包括基于时域的脉冲充放电检测电路；基于差分线圈补偿的低频震荡电路；基于频域的阻抗分析电路。然而这些都只能在产品出厂前对传感器及其检测电路进行标定校准，一旦在使用过程中某一部件发生性能状态变化，检测电路不能自动完成补偿，最终导致应用环节性能下降甚至功能丧失。维护人员甚至无法快速精准的确定故障部位，只能定期的对设备进行检测校准，给维护保障环节带来了极大的不便。
3.虽然可以简单的在电路中引入开关电路来实现校准，但所使用的开关有继电器机械触点式，也有模拟开关电子触点式。机械触点开关存在接触电弧噪声，且工作次数增多以后易出现接触不良等可靠性问题；模拟开关电子触点存在导通电阻，而导通电阻分散性大，也存在较大不确定的温度漂移，会在测量回路引入不确定因素，失去了校准的意义。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于：提出了自动校准电感位移传感器检测电路，可用于电感位移传感器检测。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
6.自动校准电感位移传感器检测电路，包括受控激励源、待测电感位移传感器内置线圈等效为内阻rc和电感l串联、标准电阻、开关一、开关二、采样电阻、放大器a1、放大器a2、放大器a3、控制及运算单元，所述受控激励源由控制及运算单元控制并同时连接待测电感位移传感器、标准电阻和放大器a3正输入端，电感位移传感器另一端同时连接到开关一的sa1端子以及开关二的sb1端子；所述标准电阻另一端同时连接到开关一的sa2端子以及开关二的sb2端子；所述开关一的输出端子sa与采样电阻及放大器a1负输入端连接，采样电阻另一端与放大器a1输出端连接；所述开关一的输出端子sa与放大器a2的负输入端连接；所述放大器a1输出端与放大器a2的正输入端连接；所述开关二的输出端子sb与放大器a3负输入端连接；所述放大器a2输出端连接到控制及运算单元；所述放大器a3输出端连接到控制及运算单元。
7.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述控制及运算单元为数字信号处理器dsp、单片机mcu、可编程逻辑器件cpld/fpga、risc微处理器arm、硬件乘法器及除法器。
8.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述受控激励源为振荡器电路、数字信号处理器dsp、单片机mcu、单片数字频率合成芯片dds、可编程逻辑器件cpld/fpga、risc微处理器arm。
9.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述放大器a1、a2、a3为专用放大器、由独立运算放大器组合构成的放大电路、由分立半导体组合构成的放大电路。
10.在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述开关一以及开关二为模拟多路复用器、单通道模拟开关、多通道模拟开关、继电器、各类开关实现的开关电路。
11.本实用新型的有益效果在于：本实用新型的自动校准电感位移传感器检测电路，可用于电感位移传感器检测，通过搭建简单的电路、设计合理的信号提取及校准方法，能够在测量前实施校准步骤，提高了检测电路的精度，并可以有效解决了现行检测技术无法精确隔离电感位移传感器及检测电路故障的问题。同时可采用了同步全差分结构，由此避免了开关接触问题以及导通电阻的不确定影响。
附图说明
12.图1为本实用新型的本实用新型检测电路及其检测方法原理图；
13.图2为本实用新型的本实用新型自动校准等效原理图；
14.图3为本实用新型的本实用新型电感位移传感器测量等效原理图。
15.图中：
16.受控激励源-1、电感位移传感器-2、标准电阻-3、开关一-4、开关二-5、采样电阻-6、控制及运算单元-7、放大器-a1、放大器-a2、放大器-a3。
具体实施方式
17.下面结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
18.参阅图1-3，自动校准电感位移传感器检测电路，其原理如图1所示，包括受控激励源1、待测电感位移传感器2内置线圈等效为内阻rc和电感l串联、标准电阻3、开关一4、开关二5、采样电阻6、放大器a1、放大器a2、放大器a3、控制及运算单元7，所述受控激励源1由控制及运算单元7控制并同时连接待测电感位移传感器2、标准电阻3和放大器a3正输入端，电感位移传感器2另一端同时连接到开关一4的sa1端子以及开关二5的sb1端子；所述标准电阻3另一端同时连接到开关一4的sa2端子以及开关二5的sb2端子；所述开关一4的输出端子sa与采样电阻6及放大器a1负输入端连接，采样电阻6另一端与放大器a1输出端连接；所述开关一4的输出端子sa与放大器a2的负输入端连接；所述放大器a1输出端与放大器a2的正输入端连接；所述开关二5的输出端子sb与放大器a3负输入端连接；所述放大器a2输出端连接到控制及运算单元；所述放大器a3输出端连接到控制及运算单元。
19.其中，所述控制及运算单元为数字信号处理器dsp、单片机mcu、可编程逻辑器件cpld/fpga、risc微处理器arm、硬件乘法器及除法器。
20.其中，所述受控激励源为振荡器电路、数字信号处理器dsp、单片机mcu、单片数字频率合成芯片dds、可编程逻辑器件cpld/fpga、risc微处理器arm。
21.其中，所述放大器a1、a2、a3为专用放大器、由独立运算放大器组合构成的放大电路、由分立半导体组合构成的放大电路。
22.其中，所述开关一以及开关二为模拟多路复用器、单通道模拟开关、多通道模拟开关、继电器、各类开关实现的开关电路。
23.本自动校准电感位移传感器检测电路应用和工作方法如下：
24.(1)控制及运算单元控制受控激励源输出激励测试电路的周期信号；
25.(2)控制及运算单元控制开关一的端子sa2与端子sa接通，在同一时刻，控制单元控制开关二的端子sb2与端子sb接通，将标准电阻接入测量回路；
26.(3)放大器a2提取采样电阻两端差分电压，输出电压us，在相同时刻，放大器a3提取校准电阻两端差分电压，输出电压uz；
27.(4)控制及运算单元按照一定采样间隔δt对步骤(3)中的us和uz进行同步采样n次并滤波，得到两个信号序列(us，δt，n)、(uz，δt，n)；
28.(5)控制及运算单元对步骤(4)中的两个信号序列进行运算，得到标准电阻的计算值；
29.(6)控制及运算单元将步骤(5)中计算值与标准电阻额定值进行比较，得到测量回路增益系数ks；
30.(7)控制及运算单元控制开关一的端子sa1与端子sa接通。在同一时刻，控制单元控制开关二的端子sb1与端子sb接通，将待测电感位移传感器接入测量回路；
31.(8)放大器a2提取采样电阻两两端差分电压，输出电压us＇在相同时刻，放大器a3提取待测电感位移传感器两端差分电压，输出电压uz＇；
32.(9)控制及运算单元按照一定采样间隔δt对步骤(8)中的us＇和uz＇进行同步采样n次并滤波，得到两个信号序列(us＇，δt，n)、(uz＇，δt，n)；
33.(10)控制及运算对步骤(9)中的两个信号序列进行运算，得到电感位移传感器的阻抗计算值，根据步骤(6)中的增益系数ks，校准得到电感位移传感器的阻抗。
34.更进一步地，不断重复步骤(1)～(10)，完成周期自动校准、阻抗测量以及故障诊断隔离。
35.完成周期自动校准、阻抗测量以及故障诊断隔离方法是，所述步骤(6)中，当增益系数ks超出预设合理分布范围时，报测试电路故障，当前期测量终止，实现测量电路自测试功能；当增益系数ks分布在预设范围内时，报测试电路正常，进行下一步测量；
36.所述步骤(10)中，经过校准的电感位移传感器阻抗与预设合理分布范围进行比较。当计算值超出预设合理分布范围时，报电感位移传感器故障；当前周期测量终止，实现电感位移传感器健康测试功能；
37.所述步骤(10)中，对电感位移传感器阻抗进行标定，获得电感位移传感器阻抗与位移的对应关系，建立查找表，完成电感位移传感器阻抗测量后，通过查找表获得当前电感位移传感器位移状态，输出定量位移信息。
38.本实用新型的测量原理如图1所示，控制及运算通过开关的ct端子控制开关1的sa2与sa端子导通，将标准电阻ra接入测量回路。同时开关2的sb2与sb端子导通。测量回路等效电路如图2所示。
39.控制及运算单元控制受控激励源osc输出激励信号。同理，流过标准电阻ra以及开关导通电阻rw1的电流iz与流过标准电阻rs的电流is满足以下关系：
40.iz＝is
41.is流过采样电阻rs，经放大器a2取差分为us。iz流过标准电阻ra，在开关2的作用下，放大器a3只对标准电阻ra取差分,得到差分电压uz，此时开关1的导通电阻rw1被隔离到
放大器差分环之外。前文已经描述放大器输入漏电流小到被忽略不计，开关2的导通电阻rw2上消耗的电流即忽略不计，通过设计该切换电路，隔离了开关导通电阻的影响，所以us、uz满足以下关系：
[0042][0043]
经过整理得到标准电阻ra的计算值：
[0044][0045]
假设标准电阻ra的额定电阻值为re，得到测量回路增益系数ks：
[0046][0047]
公式中uz、us经采样得到，为已知量；标准电阻rs为已知量，标准电阻额定值re为已知量；经以上推导明显看出开关1导通内阻rw1以及开关2的导通电阻rw2虽然为未知量，但并没有参与校准环节的测量运算，从而避开了导通电阻的影响，得到的增益系数ks是确定并可靠的。根据ks的大小来判断检测回路的健康状态，一旦ks超出了合理的分布范围，判定检测电路故障，停止当前周期测量；如果ks分布在合理范围内，则判定检测电路正常，继续测量。
[0048]
控制及运算单元通过开关的ct端子控制开关1的a1与sa端子导通，将待测电感位移传感器接入测量回路。同时开关2的sb1与sb端子导通。测量回路等效电路如图3所示。
[0049]
同前文所述
[0050]
iz'＝is'
[0051]
放大器a2取得采样电阻rs两端的差分电压为us＇，放大器a3取得待测电感位移传感器两端的差分电压uz＇，满足以下关系：
[0052][0053]
经过整理得到：
[0054][0055]
根据前面得到的增益系数ks，重新修正测量结果：
[0056][0057]
公式中uz＇、us＇经采样得到，为已知量；采样电阻rs为已知量，标准电阻额定值re为已知量；同样可以明显看出开关1导通内阻rw1＇以及开关2的导通电阻rw2＇虽然为未知量，但并没有参与待测电感位移传感器的测量运算。根据上述公式计算出待测电感位移传感器阻抗z
l
，并进行了最终的校准。根据校准结果判断待测电感位移传感器的健康情况。当z
l
超出合理分布范围，判定电感位移传感器故障，当z
l
分布在合理范围内时，根据z
l
大小判断目标位移状态，完成位移检测。
[0058]
本实用新型提供了自动校准电感位移传感器检测电路及其检测方法，通过搭建简
单的电路、设计合理的信号提取及校准方法，在测量前实施校准步骤，提高了检测电路的精度，并有效解决了现行检测技术无法精确隔离电感位移传感器及检测电路故障的问题。同时因为采用了同步全差分结构，避免了开关接触问题以及导通电阻的不确定影响。
[0059]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。