高精度电涡流传感器的标定研究

刘学;王艳林;高宏;陈青山

【摘 要】线性度是传感器静态特性的一个重要指标,为减小电涡流传感器的非线性误差,提高其测量精度,对电涡流传感器的输出结果进行标定.给出了电涡流传感器输出电压与探头线圈和被测金属导体之间距离的关系式,在满足的±0.5mm量程,分辨率达到万分之一的前提下,分别采用直线拟合法和曲线拟合法对电涡流传感器进行标定.实验结果表明,利用曲线拟合采用3阶多项式拟合要比直线拟合法线性误差更小,非线性误差由17.19％降到0.7％. 【期刊名称】《数字技术与应用》 【年(卷),期】2019(037)001 【总页数】2页(P80-81)

【关键词】精度;电涡流传感器;标定;曲线拟合法 【作 者】刘学;王艳林;高宏;陈青山

【作者单位】北京信息科技大学,北京 100192;北京信息科技大学,北京 100192;北京信息科技大学,北京 100192;北京信息科技大学,北京 100192 【正文语种】中 文 【中图分类】TH711 0 引言

目前对非线性补偿问题的解决方法主要有硬件补偿和软件补偿两种方法。前者是在

传感器的输出端设置补偿电路来实现非线性补偿功能，但是其电路通常较为复杂且精度比较低，同时在当前的微机化的趋势下，硬件电路补偿逐渐被软件补偿所替代。软件补偿时通过有函数补偿和算法补偿来有效减少信号中的非线性失真，从而提高传感器的精度。目前常用的补偿算法有BP神经网络、RBP神经网络等。函数补偿法通常需要对传感器的输出特性比较清楚的前提下使用，而算法补偿则不需要事先推导关系式，但是神经网络算法本身比较复杂，所以软件处理方法需要根据工作环境而定。

鉴上述，通过对电涡流传感器输入输出关系进行推导，运用函数拟合的方法对电涡流传感器进行非线性校正，计算过程简单且精度满足工业要求，为电涡流传感器的标定提供了一种行之有效的方法。 1 电涡流传感器测距原理

设图1中线圈的电阻为R1，电感值为L1，则其阻抗为Z=R1+jwL1;其短路电路的电阻值为R2，电感值L2;线圈与短路环之间的互感系数为M。M的值随它们之间的距离d的减小而增大。加在线圈两端的激励电压为U。根据基尔霍夫定律，可以列出电压平衡方程组。 图1 电涡流传感器等效电路图

线圈的等效电感和等效阻抗分别为：

由式(2)可以看出，由于涡流的影响，线圈中的电感值变小，电阻值变大，因此线圈中的品质因数Q值会变小，可以得出：

式中，Q0为涡流影响时的品质因数;为短路环的阻抗。

由于涡流损耗的影响导致品质因数的下降，和被测金属材料的导电性、被测金属与

线圈的距离d有关。有上述的公式可以得出，当被测参数改变时，线圈的电阻值、电感值、品质因数都会随之改变，我们可以选取其中任意一个参数来确定电涡流传感器所用的转换电路。通过转换电路转换成电流或电压的变化值来达到测量的目的。 2 标定方法与结果分析

电涡流传感器标定试验台，通过微位移平台将探头固定且与金属的间距为0.7mm，固定探头A不动，通过微位移平台对探头B进行平移。探头B每移动0.05mm为一个测试点，通过上位机采集AD数值，对测试点3分钟采集的AD数值进行平均处理，探头与金属导体的最小距离为0.2mm，最大距离为1.2mm，得到表1所示数据。 2.1 直线拟合法

两点式拟合是传感器标定中最常用，最简单的方法，误差的最大值出现在中间位置。由线性度的计算公式：

表1 原始数据序号 距离d/mm 采集值 序号 距离d/mm 采集值1 1.2mm 23792 12 0.65mm 33982 2 1.15mm 24441 13 0.6mm 35358 3 1.1mm 25105 14 0.55mm 36861 4 1.05mm 25847 15 0.5mm 38460 5 1.0mm 260 16 0.45mm 40175 6 0.95mm 27488 17 0.4mm 42031 7 0.9mm 28400 18 0.35mm 44002 8 0.85mm 29386 19 0.3mm 46103 9 0.8mm 30422 20 0.25mm 48287 10 0.75mm 31544 21 0.2mm 503 11 0.7mm 32797

为输出值与拟合直线的最大偏差;fsY 为测试装置标称输出范围。

运用的是最小二乘直线拟合法，由式11计算得：

2.2 曲线拟合法

曲线拟合利用n次多项式来无限逼近反非线性曲线，可通过最小二乘法确定该多项式方程中的各个系数。由于已经得知电涡流传感器的输入输出关系，假设反非线性方程为式5所示：

其中 a 0 , a 1,a2,a3为待定系数，将求得的 a 0 , a 1,a2,a3代入方程，则得到反非线性拟合方程为：

要想获取电涡流传感器输出电压值对应的位移，只需要将采集的AD值代入式6进行迭代计算即可。 由公式4可知， 3 结语

通过运用直线拟合和曲线拟合分别对电涡流传感器进行非线性校正，其中直线拟合的非线性误差分别为17.19%、10.99%。曲线拟合的非线性误差为0.7%。有结果可以看出，曲线拟合的结果比较好，采用曲线拟合使电涡流传感器的输出精度显著提高，曲线拟合法运用3阶多项式来逼近，只需通过Matlab计算得出拟合曲线系数，再将表达式写入到微处理即可。由此可见，对电涡流传感器的标定应该采用曲线拟合法，其非线性误差可以从17.19%降到0.7%。 参考文献

【相关文献】

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