电涡流传感器温漂的综合补偿
摘要：在介绍电涡流传感器基本原理的基础上，分析了温度漂移产生的主要因素，并提出了一种温漂补偿的新方法，即利用负反馈组成闭环系统实现对温度漂移的综合补偿。实际测试结果表明，温漂综合补偿精度可达0.41%，明显优于一般方法的补偿精度。
关键词：电涡流；温度漂移；负反馈；综合补偿；精度
1 引言
电涡流传感器以其灵敏度高、动态响应快和测量的非接触性等优点，常用来检测机械位移、振幅以及材料的物理参数等，但电涡流传感器容易受到温度的影响，特别是高温区存在着严重的测量误差，使其应用受到很大的限制，而且受温度影响的因素几乎包括传感器系统的所有部件和材料。采用传统的单一参数温度补偿，只能满足一般的要求。若要精确测量，很难达到理想的效果。本文综合分析了产生温度漂移的主要因素，采用负反馈组成闭环系统，实现了对温度误差的综合补偿，取得了良好的效果。
2 工作原理
金属块置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内部都要产生感应电动势，形成电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，称为电涡流。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，电涡流传感器就是基于这种电涡流效应的。如图1所示，当线圈中通以交变的电流时，线圈周围就会产生交变的磁场H，置于磁场中的金属体内产生感应电动势，形成电涡流，这个电涡流必然引起线圈阻抗的变化，线圈阻抗的大小与被测体材料的电阻率r、磁导率m、尺寸因子r、励磁频率f以及线圈与被测金属体的距离x等有关，线圈阻抗Z可用如下函数表示
如果固定上式中的某些参数不变，而只改变其中的一个参数，那么，阻抗就成为这个参数的单值函数，因此，电涡流传感器是载流线圈与被测金属 体的统一体，可用于多种物理量的测量。
可以证明，线圈受到导体影响之后的等效阻抗为
式中，R1为传感器线圈的电阻；L1为传感器线圈的电感；R2为被测导体的等效电阻；L2为被测导体 的等效电感；M为线圈与被测导体之间的互感系数；ω为激励电源的角频率。
由式（2）可知，电涡流最终使线圈的等效电阻增加，同时，电感也发生了变化。
3 温度漂移与补偿
由式（2）可知，涡流线圈的电阻R2、电感L1以及由被测导体引入的电阻R2、电感L2都可能受到温度的影响，引起输出的漂移，被测导体的温度和特性参数，如电导率、磁导率等是随着被测导体的不同而变化的；由被测导体引入的R2、L2对传感器输出的影响，最终可以等效为 R2、L2对传感器输出的影响。因此，一般认为传感器空载，不考虑被测导体，只考虑传感器线圈特性参数的影响。传感器线圈在无待测导体时的等效阻抗为
式中，Rac是线圈的交流电阻。理论和实验证明，电感 基本不随温度变化。温度对线圈的影响主要在于使线圈电阻增加，从而使线圈品质因数 Q发生变化，导致传感器的输出随温度变化而发生漂移。温漂补偿的措施一般有：
①采用多股辫线[1]，即用互相绝缘的金属细导线编制成一束来代替单股实心导线绕制涡流线圈。
目的是通过减小线圈的交流电阻Rac，来减小温度对线圈阻抗的影响；
②优化传感器的关联参数[2]，例如线圈在高频激励状态下，当温度增加时，与集肤效应有关的交流电阻值将增加，而与电流密度分布变化有关的等效交流电阻值将减小，两者变化方向相反，若关联参数选择恰当，就可能达到温漂自动补偿的目的；
③传感器采用差动形式[3]，利用对称的传感器结构，差动输出相互补偿，从而提高对温漂的抑制能力。
以上的温漂补偿措施实验证明是有效的，但影响温漂的因素是多方面的，几乎涉及传感器系统的所有部件和参数，采用单一参数的补偿，只能满足一般的要求。若要精确测量，进一步提高系统的稳定性和抑制温漂的能力，可采用综合补偿。所谓综合补偿，就是不单单只考虑某一参数，而是把检测系统看作一个整体进行考虑，合理利用负反馈的方式，进行综合的自动补偿。
4 温漂的综合补偿
电涡流传感器温漂综合补偿系统的原理框图如图 2所示。被测量引起的阻抗变化，通过Z/V变换器转化为电压的变化差动输出，经检波、滤波调整输出直流电压，进行显示。通过取样电路提取输出的误差信息，经反馈比较网络与给定参考电压相比较，控制振荡器的电源，组成负反馈闭环系统，实现温漂的综合补偿，提高了系统的稳定性和抑制温漂的能力，同时也改善了传感器的线性关系。
4.1 激励信号源
激励信号源是一个高稳定度的正弦波发生器，主要由晶体振荡器、功率放大、AGC反馈网络组成，产生1MHz的正弦波信号，在-20～60℃温度范围内，其频率的稳定度可达10-7，采用AGC反馈网络可以把信号幅值的稳定度提高到10-4。
4.2 Z/V变换器
电涡流传感器的测量电路如图3所示，由A1和R1、L1、L0组成微分电路，实现Z/V变换。其中L1为传感器的测量线圈，L0为补偿线圈，其特性参数与L1完全相同，但L0与L1、L2（被测导体）
无相互关联作用。A2、A3组成电压跟随器，隔离测量电路与后续电路。若L1、L0的阻抗分别为Z1、Z2，则由式（3）可知，激励信号源的电压是影响传感器稳定性的重要因素。由于L0的特性参数与L1完全相同，因此，一方面，DZ=Z1-Z0反映的是被测量的信息，输出电压与被测量引起的阻抗变化量DZ 呈正比；另一方面，L0对检测线圈L1引起的温漂进行了补偿。
4.3 滤波与调整电路
滤波电路如图4所示，利用有源滤波器可以有效地抑制高频噪声，通过W1可以小范围调节灵敏度系数，同时利用TL恒压源电路中的W2可进行差动输出的可靠调零。
4.4 反馈网络
反馈比较电路如图5所示。通过取样电路提取输出的误差信息uf ，经反馈比较网络，与恒定参考电压ur相比较，其差值经集成运放A进行放大，再经Ｑ进行功率放大，进而达到控制振荡器输出电压幅值的目的。这样，就可以通过闭环负反馈方式自动地补偿温度误差。补偿精度主要取决于参比电压UR的稳定性（主要是稳压管的温度系数α）和集成运放A的输入失调参数温漂系数β。
5 实验结果分析
自行绕制两个完全相同的线圈，分别作为传感器的检测线圈和补偿线圈，在空载和有载两种情况下，对温漂进行了实际测试。空载时，温度漂移测试数据如表1所示，空载情况下，探头温度从室温25.2-140℃变化时，最大的漂移输出仅为2.6mV。
用金属铝板固定距离靠近探头时，温度漂移测试数据如表2所示。探头温度在室温25.8-140℃变化时，最大的温度漂移为0.41%，可见其补偿精度是比较高的。
由以上分析可右，①影响电涡流传感器输出产生温度漂移的因素，除了主要的测试线圈电阻外，还有很多其它因素。由于参数的分散性，从温度漂移测试数据也可看出，做到完全的补偿是不可能的，只能通过优化系统参数尽可能去抑制温漂。另外，振荡器信号频率和输出幅度的稳定性决定着整个测量系统的稳定性。②温漂综合补偿的精度主要取决于参比电压UR的稳定性（主要是稳压管的温度系数α）和集成运放A的输入失调参数温漂系数据β。由表2可见，综合补偿的精度是很高的，达到0.41%，明显优于一般补偿方法对类似传感器的补偿精度[2](2.34%)。当通过单一参数补偿或局部补偿不能满足要求时，采用综合补偿往往能够解决。显然，综合补偿精度更高，更具发展前途。
