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基于PSoC的数字式电涡流位移传感器设计.pdf

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资源描述:
eddy current displacement sensor can stable experimental measurement data collected, verifythe correctness and feasibility of the eddy current probe coil circuit design. We can realizedisplacement measurement requirements through the design based on PSoC digital eddycurrent displacement sensor, at the same time to design simple structure to save externalresources and improve the anti-interference of the eddy current sensor to laid a certainfoundation for the further improvment of the eddy current measurement system.Key words Programmable System on Chip PSoC; Finite Element ; Eddy Current ;Sensors; FMThesis Application Research万方数据目录I目录1绪论 ....................................................................11.1论文研究背景及意义 .................................................11.1.1研究背景 .....................................................11.1.2研究意义 .....................................................11.2电涡流技术国内外研究的历史和现状 ...................................21.3论文的主要研究内容 .................................................31.4本论文的结构安排 ...................................................32电涡流传感器基本原理及 PSoC..............................................52.1电涡流传感器的基本理论知识 .........................................52.1.1电涡流效应 ...................................................52.1.2电涡流传感器的工作原理 .......................................52.1.3等效电路及分析 ...............................................62.2 可编程系统芯片 PSoC介绍 ...........................................82.2.1 PSoC的发展 ..................................................82.2.2 PSoC的基本结构 ..............................................92.2.3 PSoC的特点 .................................................102.3 本章小结 .........................................................103电涡流传感器有限元建模分析 .............................................113.1电磁场基本理论 ....................................................113.2电涡流场有限元分析 ................................................143.3 ANSYS分析的步骤 ..................................................153.3.1 确定 ANSYS的单位制及坐标系 ..................................153.3.2 建立模型 ....................................................153.3.3 选择单元类型 ................................................153.3.4 材料特性的定义 ..............................................173.3.5 划分网格 ....................................................173.3.6 施加边界条件和载荷 ..........................................183.3.7 求解和后处理 ................................................193.4检测距离对电磁场分布的影响 ........................................193.5检测线圈尺寸对电磁场分布的影响 ....................................213.6本章小结 ..........................................................264电涡流传感器整体方案设计 ...............................................27万方数据目录II4.1 PSoC设计开发流程 .................................................274.2 电涡流位移传感器的硬件设计 .......................................284.2.1 电涡流位移传感器测量电路设计 ................................284.2.2 涡流传感器 PSoC芯片内部各模块设计 ...........................304.2.3 传感器电源模块设计 ..........................................334.2.4 传感器复位电路设计 ..........................................344.2.5 数字化显示模块设计 ..........................................354.2.6 通讯模块设计 ................................................364.3电涡流传感器的软件设计 ............................................384.3.1 PSoC软件开发环境 ...........................................384.3.2 PSoC软件设计流程 ...........................................394.3.3 主程序设计 ..................................................404.3.4 中断服务子程序 ..............................................414.4本章总结 ..........................................................425实验平台搭建与数据处理 .................................................435.1固高平台简介 ......................................................435.2实验平台搭建及实验步骤 ............................................435.3电涡流位移传感器静态特性 ..........................................465.4电涡流传感器标定 拟合曲线 ..........................................485.5本章小结 ..........................................................546全文总结和展望 .........................................................556.1全文总结 ..........................................................556.2展望 ..............................................................55致 谢 .................................................................57参考文献 .................................................................58附 录 .................................................................61万方数据1 绪论11 绪论1.1 论文 研究 背景及意义1.1.1 研究背景近些年随着 国 家 工业 相 关科学技术的发展 , 非接触式测量应用需求越来越明显 。 非接触式 测量装置 例如测量位移和振动等 及安全运行 状态 越来越受到重视 。 通过采用 电涡流 效应 原理 进行 非接触测量位移 、 振动 等 , 因 电涡流检测不仅线性度 较好 而且 不受非导电介质 的干扰 等一系列优点 。 因此 , 近年来 电涡流非接触式测量 得到了广泛的应用 [1]。最先使 电涡流 效应 与 测量方法 相结合 是休斯 D. E. Hughes在 1879 年的实验 中 提出的 , 开始 形成一种测试手段和技术是 在 本世纪四 、 五十年代 以后 , 因为 德国的 Rentique研究所和美国的 Bently Nevada 公司相续研究了电涡流传感器的 基本 原理 , 继而基于电涡流原理的相关产品以及设备出现了 [2]。 当前电涡流设备应用分为两大方面 , 一 部分被应用于监测保护系统 , 在该系统内 对电涡流传感器设备的线性测量范围 、 可靠性 、 稳定性等技术指标要求较高 , 而另一部分是被应用于测试仪表仪器 , 其要求较高的技术指标则为 精度 、 线性度 、 分辨率等 。 伴 随着 工业 生产的发展及 相关 科 学 技 术 水平的提 高 [3],对测试仪器的要求越来越高 。 以往 很多场合一直采用电容传感器 。 电容传感器的致命弱点是 传感器 测量 数据 结果极易受到 其传感器自身 与被测 导体 间介质变化的影响 并 且传感 器 其 安装 条件苛刻 , 这使得 此类传感器 的实际应用受到 一定的 限制 。 本文 采用 PSoC芯片 作为传感器核心 , 在 电涡流传感器 技术的基础上从线性化处理方法 、 提高传感器稳定性方法等方面提出进一步提高传感器精度的方案 [4]。1.1.2 研究意义电涡流 位移 传感器 是 依据 高频电涡流效应 所设计 的非接触式 ( 位移 或 振动 ) 传感器 ,在其测量范围内如果有金属物体 , 则电涡流传感器可以 对金属物体相关状态进行非接触式的测量 。 电涡流 传感器 依据 其特殊的测试 方式 , 因此在恶劣工作环境下例如 油污 、尘埃等都可以适应 。 总结电涡流传感器的特点包括 可靠性 、 灵敏度 、 抗干扰能力 以及 采用非接触测量 等优点 , 为其适应特殊工作环境提供了依据 , 电涡流传感器既能进行静态( 位移量 ) 又能进行动态 ( 振动量 ) 的测量 , 能为 精密诊断 测试 系统提供动态特性 , 进而 能 对 应用 系统内的 相关 设备进行有效地保护 [4]。依据相关应用条件 , 理想状态 下的 电涡流位移传感器应有如下特性 ( 1) 传感器性能稳定 , 电涡流位移传感器在环境温度 、 湿度变化的情况下 稳定工作万方数据西安科技大学硕士学位论文2不受影响 ;( 2) 传感器具有较宽的动态响应范围 ;( 3) 传感器具有较高灵敏度 能检测出 被测量 ( 位移 ) 微小的变化 ;( 4) 传感器能长时间的完成工作任务即较长的工作寿命 ;电涡流传感器的最大特点 就 是非接触 式的 测量 , 本文 使 用自制的电涡流传感器测量位移 量 , 采用 PSoC 芯片 作为 设计电涡流位移传感器 的核心 , 最大限度的 使用其内部资源设计结构简单 并且 可靠性高的 电 涡流 位移 传感器 , 因此 对于电涡流传感器的研究有着深远的理论和实践意义 。1.2 电涡流技术国内外研究的历史和现状自从 上世纪 60 年代 起 , 我国就开 始发展 电 涡流技术 。 最早应用于 航空和有色金属等行业 , 但因 当时的电 涡流技术发展不足 , 在可靠性 、 抑制干扰 和分辨率 等方面 基本 满足不了实际应用 , 一直延续到 80 年代后期 , 在电涡流技术研究方面 才取得一定突破 ,自 90 年代以来 , 我们 国 家能自主 生产 电涡流设备的 单位己达到十余家 [5]。 伴 随着 我国工业生产和科学技术 不断的发展进步 , 电涡流 应用 技术的要求日益增高 , 电涡流传感器在不同领域的 应用将会越来越广泛 。 目前 , 电涡流传感器 在测试技术等方面 逐渐 得到重视和采用 , 表明其 是一种有前途的传感器 [6]。电涡流技术 被应用 于 工业中 需 追溯到上世纪 50 年代 , 发达国家 根据检测不同形状工件而采用 多种 样式的 探 测 线圈 , 并根据实验对探测线圈的 工作状 况进行的 分析研究 ,成功 地依据前期的大量实验结果 计算出了探 测线圈 的阻抗特性 , 依据探测线圈的相关参数 研制出了第一台 电 涡流 探测 仪器 [7]。 然而 我 们 国 家 则 是 在 20 世纪 80 年代才开始针对电涡流传感器进行具体研究 。近年来 , 随着我国工业科技发展电涡流技术 越来越 受 重视 , 因此开始迅速发展 。 在电 涡流技术的 多元的 发展方向上 , 尤其是 电涡流传感器国内进行了深入 的 研究 并且 取得了较为理想的成果 。近些年 , 电涡流技术发展 迅速 , 我国在此领域的研究 投 入越来越多 , 继而 推动了 电涡流理论的发展 。 相关理论研究得到了较好的成果 , 例如电 涡流探 测线圈 设计的理论研究 , 探 测线圈 是电涡流传感器的关键 部 件 , 在 电涡流传感器技术发展 中探测线圈研究一直贯穿整个过程 [8]。 根据 目前 探测线圈的设计理论储备 , 对探 测线圈相关 参数进行理论分析 , 得出 最佳探测线圈设计 参数将成为以后电涡流传感器设计研究中重要的课题 [9]。随着 电涡流技术 受到各个应用领域 越来越多的 关注以及相关研究逐渐的突破 , 电涡流技术的应用将进一步得到拓展 [10]。万方数据1 绪论31.3 论文的主要研究内容目前 实验室中的电涡流 位移 传感器测量精度 较高 , 然而在实际应用中的 电涡流传感器系统由于受到信号处理电路的影响以及电涡 流效应 本质非线性 的 原因 , 使得 电涡流位移传感器 测量范围 较 小 , 一般 情况下范围是 探头直径的 1/31/5例如 , 直径 10mm 的探头的测量范围为 2mm 或 4mm, 对于电涡 位移 流传感器来说 , 如何提高传感器的线性测量范围是首要的 任务 。 本文主要内容在于研究提高传感器线性测量范围和稳定性的方法 。 设计实现基于 PSoC 的新型数字式测量 电 涡流 位移 传感器 , 以及如何提高传感器的线性测量范围以及稳定性 。本次论文 具体内容如下 ( 1) 了解电涡流传感器的发展趋势 , 通过麦克斯韦方程组解释了电涡流效应的基本原理 , 对电涡流传感器结构性能进行分析 。 通过理论研究 了解不同参数下电涡流传感器 探头线圈 的电磁场变化规律 , 从 理论 上 推导出相关参数 线圈尺寸 、 匝数 对传感器性能的影响 。( 2) 从 电涡流位移 传感器的原理出发 , 利用软件 ANSYS 进行有限元建模仿真 , 经过 分析传感器探测线圈与 被 测量 物 体之间的电磁强度分布图 , 根据分析结果 优化 涡流 探头 线圈 , 得到满足精度和线性度 涡流探头 线圈尺寸结构 , 利用有限元建模 简化了 改变探测线圈参数和被测 物体 材料的属性的重复性实验 , 使得 大量的 修改 以及 重新测试的 问题得到 解决 。( 3) 选定涡流探测 线圈材料及形状 的参数 , 根据 实际的电涡流 测量 设计要求 , 完成 相关 器件的焊接和电涡流传感器的测试电路 , 确定 实验 硬件平台的构建方案 [11]。 通过对探头线圈等效电路及阻抗特性的理论分析 , 本文 采用 PSoC3 芯片 CY8C3866AX-040作为电涡流传感器的控制 核心 , 开发编程软件 采用图形化开发工具 PSoC Creator2.0 相互配合 完成 电 涡流 传感器硬件电路和软件设计 , 采用 调频式数字测量以频率作为输出量的转换电路 , 使得通过硬件电路的 简化 改进提高了电涡流传感器的抗干扰能力 。( 4) 为了提高电涡流 位 移 传感器的性能 , 通过采用几种数据拟合方法的解析式对采集到的 测量 数据进行分析处理 , 从中可以得出适合 基于 PSoC 电涡流位移传感器最佳的数据处理方法 , 使得电涡流传感器的线性测量范围和灵敏度的提高 。1.4 本论文的结构安排根据本文的研究内容 总共分为 六 章 , 结构组织安排如下 第一章 绪论第二章 电涡流传感器基本原理及 PSoC万方数据西安科技大学硕士学位论文4第三章 电涡流传感器 线圈 有限元建模分析第四章 电涡流传感器总体设计第五章 实验平台搭建与数据处理第六章 全文总结和展望万方数据2 电涡流传感器基本原理及 PSoC52 电涡流传感器基本原理及 PSoC2.1 电涡流 传感器的基本理论知识为了 实现 基于 PSoC 的数字式 电涡流 位移 传 感器的研究与开发 设计 , 首先需要了解电涡流传感器的理论基础 知识 , 通过分析和论证 电涡流 传感器基础理论 , 在此基础上 提出 数字式 电涡流 位移 传感器实现原理 。2.1.1 电涡流效应每 当通过金属导体中的磁通发生变化 , 就会在导体中 产生感应电流 , 这种感应电流称之为电涡流 。 电涡流的产生必然要 消耗 一部分磁场能量 , 从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化 , 电涡流传感器 工作原理 就是基于这种电涡流效应 。 必须存在一个交变的磁场以及被测物体位于此交变磁场中这样条件下才能产生 电 涡流 , 电涡流传感器就是基于电涡流效应设计的 。2.1.2电涡流传感器的工 作原理依据电涡流效应在被测 物体 上产生 感应 磁场反作用于探 测 线圈引起相关参数的变化 , 将非电量 的变化 转换为 相应 参数的电量变化 , 利用这种相关联系 来 达到探测 被测导体 相关状态的 目的 。 其电涡流的工作原理如图 2.1 所示 。 每 当 探测 电 涡流 线圈中通有交变电流 1I 时 , 这时 由于 交变 电流的变化 , 在 探测涡流 线圈周围就会产生交变 的 磁场 1H ,依据 电磁感应定律可 得 , 当被测 物 体 靠近探 测 线圈 时 , 进入到 磁场作用范围内时 , 被测物体即 金属体表面层中 感应出电流 , 因为 感应出的 电流为闭合电流 ( 称电涡流 2I ), 它又 会 产生一个与 1H 方向相反的 磁场 2H , 这时会 阻碍外磁场 1H 的变化 , 从而导致 探测 线圈中阻抗 Z、 电感量 L 及品质因数 Q 发生变化 , 产生的 这种变化就 体现了 被测物体 的电涡流效应的作用 。图 2.1 电涡流工作原理万方数据西安科技大学硕士学位论文6电 涡流的大小与被测 物体 的 磁导率?、 尺寸因子?、 电阻率?、 电流角频率?、励磁电流 I 、 导体与线圈间距离 X 等参数有关 。 根据这个这些参数之间的关系 , 如果能 控制某些参数不变 , 使上述参数中 的 某一参数是 剩余 参数的单一变量 , 便 构成了测量不同 参 数 ( 变量 ) 用的一种 电 涡流式传感器 [12]。电涡流 位移 传感器主要由三 大 部分组成 电 涡流 探 测线圈 、 延伸电缆 、 涡流传感器内部处理模块 , 如图 2.2 所示 。 电涡流传感器探 测线圈 主要由 线圈 框架和安置在框架上的 导线 组成 ; 延伸电缆为连接探 测线圈 与 传感器 内部处理模块 的信号传输线 ; 内部处理模块 主要实现 为探测线圈工作提供 工作 信号 、 电涡流信号的转 换 、 采集到 相关数据以及数据 处理功能 。 内部处理模块 中需要 产生高频振荡电流 输入探测 线圈 , 使得 在探 测线圈端部产生交变磁场 , 被测物体位于交变磁场 , 以上所述的各个部分则 组成了电涡流传感器 。图 2.2 电涡流传感器的构成2.1.3等效电路及分析把 被测物体 ( 金属板 ) 看作一个短回路 , 它与激励线圈相互作用 , 可等效成如下的电路 进行分析 。图 2.3 等效电路万方数据2 电涡流传感器基本原理及 PSoC71R - 探测 线圈电路 2R - 被测物体 等效电阻 1L - 探测 线圈电感U - 激励电压 2L - 被测物体 电感依据 楞次定律 可知 , 被测物体位于交变磁场时产生 电 涡流的交变磁场与 探测 线圈的磁场变化的方向相反 , 2?( 电涡流磁场 ) 总是抵抗 1?( 探测线圈磁场 ) 的变化 , 因为有 涡流 交变 磁场对导磁材料的作用以及距离对磁场的影响 , 使 得 探测线圈 的等效阻抗Z发生 了 变化 , 此 变化 的大小 与 X ( 距离 ) 有关 。经过 分析表明 , 影响高频率 探测 线圈阻抗 Z的因素 , 除了线圈与金属极间距离?以外 , 还有金属板的 磁导率?、 电阻率?等 。 把 被测物体等效为 一个短路线圈 , 则 它与 电涡流 传感器 探测 线圈磁性相联 。 设定 传感器 探测 线 圈电路为 1R , 电感为 1L , 则复阻抗为 0 1 1Z R j L???2.1这时在电涡流探测 线圈与 被测物体 之间存在一个互感系数 M , 激励电压 为 U , 被测物体等效电感 和电 阻分别为 2L 和 2R , 根据基尔霍夫定律再依据 图 2.3 所示 的 等效电路可以列出如下方程 11 12 2 20IR j L j MUj M R j L I???????????????????????????2.2解上述方程组可得到 1I 及 2I , 进而可以求 出探测 线圈在受到 被测物体反作用影响后的等效阻 抗 为 2 2 2 21 1 2 1 22 2 2 22 2 2 2 M MZ R R j L LR L R L???????????2.3同时可以得到 探测 线圈的等效电感为 2 21 2 2 22 2 ML L LR L?????2.4以上结果可得 由于涡流的 反 作用 , 使 得 探测线圈 阻抗的电阻增大 即阻抗的实部 , 而虚部等效电感 的变化要依据被测物体 金属材料而定 。 所以等效电感 1L 将减小 ; 当 被测物体 为磁性材料时 , 因为被测物体 被磁化使 1L 也增大 并且 增大 幅度要大于 L 中的后一项 ,因而使得 等效电感 L 增大 。 探测 线圈的品质因素 Q为 221 20 221 21 1 L ML ZQ QR MR Z?????2.5式中 0 1 1/Q L R??为 没有被测物体情况下探测 线圈的 Q值 ;2 2 22 2 2 Z R L???2.6公式 2-6 中 Z 值 就是 被测物体内 产生的电涡流的阻抗 。万方数据
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