基于MAX1452的电涡流传感器设计

　　摘要：基于MAX1452设计电涡流传感器电路，利用MAX1452多温度点补偿功能，对电涡流传感器进行温度补偿，可使电涡流传感器具有温度误差自动修正功能，改善电涡流传感器的温度特性。设计的电涡流传感器在实际测试中性能稳定，温度特性良好，对提升电涡流传感器测量精度和温度特性具有重要意义。

　　关键词：电涡流;距离测量;MAX1452;温度补偿

　　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)°C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。

　　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1/2πLC。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。

　　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：

　　Z≈Q02?R

　　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：

　　?R=?T?kR(5)谐振频率下谐振回路等效

　　输出阻抗的最大变化量为：?Z=Q02T??kR?(6)

　　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]。

　　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5V，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，輸出电压为5VDC±0.04%，温度系数小于2×10-5/°C，工作温度范围为(-40～125)°C。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。

　　3.2振荡电路设计

　　振荡电路的振荡源使用MAX1452内部集成的1MHz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1mA，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1MHz。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。

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文章名称： 基于MAX1452的电涡流传感器设计

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