作者簡介：鹿文龍（1985—），男，工程師，主要研究方向：傳感器及調理電路設計、測試測量、信號采集與處理。

傳統的電渦流傳感器普遍沒有溫度補償功能，通常溫度特性較差。即便進行了溫度補償，效果也很有限，只能通過放置一個與探頭線圈溫度特性相反的電感進行粗略補償，且補償溫度范圍很窄，無法取得良好的補償效果。為了提高電渦流傳感器的溫度特性，減小溫度對電渦流傳感器的影響。本文提出一種基于MAX1452 的電渦流傳感器設計，在實現電渦流測量的同時，可以對電渦流傳感器進行溫度補償。本設計可以在（-40~125）℃范圍內對電渦流傳感器進行溫度補償，并可多個溫度點補償。在保證電渦流傳感器輸出性能的基礎上，改善了電渦流傳感器的溫度特性。MAX1452采用數字化補償方式，補償精度高，操作方便，可以實現傳感器的批量補償。

圖1 電渦流傳感器結構

1   電渦流傳感器結構和工作原理

如圖1 所示，電渦流傳感器由探頭、電路板、外殼和線纜組成^[1]。探頭內部是1 個線圈，可等效為電感L。電路板包括振蕩電路、諧振電路、檢波電路、補償放大電路和濾波電路，其中諧振電容C 與探頭線圈L 組成LC 諧振電路，其諧振頻率f 為。外殼用于保護和固定內部元件，線纜用于傳感器供電和信號輸出。電渦流傳感器采用非接觸式測量原理^[2]，通常用于測量距離。圖2 為電渦流傳感器工作原理，當金屬板置于探頭線圈附近，它們之間的間距為δ，線圈輸入交變電流i1 時，便產生交變磁通量Φ₁。金屬板在此交變磁場中會產生感應電流i₂，這個電流在金屬板內是閉合的，所以稱之為“渦流”。這個渦電流也將產生交變磁場Φ₂，與線圈的磁場變化方向相反，Φ₂ 總是抵抗Φ₁ 的變化，由于渦流磁場Φ₂ 的作用使探頭線圈的等效阻抗發生變化。利用這種渦流效應，電渦流傳感器通過將距離變化轉換為阻抗變化來進行測量。

圖2 電渦流傳感器工作原理

2   電渦流傳感器溫度誤差分析

分析的電渦流傳感器基于調幅式原理，由振蕩電路、諧振電路和信號處理電路組成。其中諧振電路由探頭線圈^[3]和諧振電容組成，是電渦流傳感器的敏感元件。由振蕩電路產生固定頻率的振蕩信號注入諧振電路，諧振電路構成的LC 振蕩電路產生諧振。當被測距離發生變化時，探頭線圈的阻抗會發生變化，進而引起其端電壓發生變化，測量此端電壓便可間接測量距離。

如圖3 所示，R 為探頭線圈的等效電阻^[4]，L 為探頭線圈的等效電抗。當環境溫度發生變化時，探頭金屬導體的電導率會發生改變，探頭線圈也會因為熱脹冷縮而改變幾何尺寸。因此，環境溫度對探頭線圈的電阻和電抗都會產生影響。

R = R(T )   （1）

L = L(T，d )   （2）

式中：T 為環境溫度，d 為待測距離。

當傳感器工作時，整個測量電路的工作頻率位于諧振頻率附近。當電路處于諧振狀態時，諧振回路的等效阻抗Z 可以表示為：

式中：Q₀為并聯諧振回路的品質因數。

當傳感器的環境溫度發生變化時，線圈電阻的變化量^[5]為：

ΔR = ΔT ? kR   （5）

諧振頻率下諧振回路等效輸出阻抗的最大變化量為：

當環境溫度發生變化時，諧振回路的等效阻抗發生變化，引起探頭端電壓發生變化，引起傳感器輸出信號發生變化，產生溫度誤差。要提高傳感器的測量精度，必須采取措施對傳感器進行溫度補償^[6]。

圖3 諧振電路原理

3   基于MAX1452電渦流傳感器電路設計

電渦流傳感器的電路^[7]基于MAX1452 設計，由振蕩電路、諧振電路、檢波電路、補償放大電路和濾波電路組成，分別實現振蕩源信號、諧振振蕩、信號檢波、信號放大、溫度補償和信號濾波的功能。

3.1 電源電路設計

電源電路對外部供電進行穩壓和濾波處理，可將電壓精確穩定至5 V，為MAX1452 電路供電。穩壓源選擇高精度電壓基準源LT1461-5，其電壓輸入范圍為（7~20）V，輸出電壓為5 V DC±0.04%，溫度系數小于2×10-5/℃，工作溫度范圍為（-40~125）℃。在LT1461-5 穩壓電路的輸入端和輸出端分別設計有低通濾波器和高頻濾波電容，可進一步對電源進行濾波處理，消除外界電磁干擾，提高電路的電磁兼容性。

圖4 電渦流傳感器電路原理

3.2 振蕩電路設計

振蕩電路的振蕩源使用MAX1452 內部集成的1 MHz 振蕩器，該振蕩器振蕩頻率穩定，占空比為50%，帶載能力不小于1 mA，可為探頭感應線圈提供穩定可靠的振蕩源信號。

諧振電路由感應線圈L1 和諧振電容C7 組成LC 諧振器，振蕩頻率設計約為1 MHz。當給LC 諧振器施加震蕩源時，LC 諧振器可等效為阻性元件。諧振器中的諧振電容C7 為固定容值，那么當感應線圈L1 的電感量發生變化時，整個LC 諧振器的阻抗將發生變化。感應線圈的阻抗變化與金屬導體的電阻率ρ、磁導率μ、線圈與金屬導體之間的距離δ 以及線圈激勵振蕩源頻率f 有關，可用函數關系式Z = F（ρ、δ、μ、f）表示。

電渦流傳感器的電阻率ρ、磁導率μ、線圈振蕩源頻率f 為固定值，則感應線圈的阻抗變為線圈與金屬導體之間的距離δ 的單值函數。當線圈與金屬導體間的距離δ 增大時，電渦流效應減弱，感應線圈的阻抗Z 變小，諧振器電感L 端電壓變小。那么就可以通過檢測電感L的端電壓實現間接測量探頭感應線圈與金屬導體之間距離的目的。

3.3 檢波電路設計

諧振電路輸出的是交變電壓信號，需要經過檢波處理后才能被后續電路處理。檢波電路基于峰值檢測原理，由1 個二極管和檢波電容組成。檢波電路的仿真如圖5所示，其中二極管選擇1N4148 整流二極管，利于二極管的單向導電性，可將交流信號整形為正半周的直流信號。檢波電容則選擇小容值的陶瓷電容，該電容的端電壓為直流信號的峰值，可以實現對整形后直流信號的檢波功能。

圖5 檢波電路原理

3.4 放大和濾波電路設計

諧振電路的端電壓幅值較小，需要對檢波后的信號進行放大處理，以滿足傳感器輸出要求。放大電路使用MAX1452 內部自帶的可調增益放大器，可通過數字化配置將傳感器輸出信號調整至目標值。濾波電路使用阻容器件和MAX1452 內部集成的運算放大器構成1 個二階低通濾波器，對設計的濾波器進行頻率特性仿真，可得出該濾波器的通帶截止頻率約為200 Hz，可有效濾除高頻噪聲信號，保留低頻有效信號，提高輸出信號的信噪比。

圖6 濾波電路頻率響應

4   電渦流傳感器溫度補償

電渦流傳感器的溫度補償是通過MAX1452 的溫度補償功能實現的，MAX1452 是一種高度集成的模擬傳感器信號處理器，具有放大、校準和溫度補償功能。如圖7 所示，MAX1452 內部包含1 個可編程傳感器激勵、1 個16 級可編程增益放大器（PGA）、1 個768 字節（6 144位）內部EEPROM、4 個16 位DAC、1 個通用運算放大器以及1 個內嵌溫度傳感器。除偏移量和跨度補償外，MAX1452 還利用偏移量的溫度系數（TC）和跨度溫度系數（FSOTC）提供獨特的溫度補償。

具體補償方法為，把OFF 和FSO 查找表當做1 個

DAC，以MAX1452 內部溫度傳感器建立溫度查找表，在不同溫度下，通過調整FSODAC 和OFFSETDAC 的值校準電渦流傳感器的滿程輸出和零位輸出，從而實現對電渦流傳感器溫度補償的目的。具體的補償步驟包括系數初始化、FSO 校準、FSO 和FSOTC 補償、OTC補償和OFF 補償。使用MAX1452 對電渦流傳感器進行溫度補償后，當電渦流傳感器在不同溫度工作時，MAX1452 內部溫度傳感器感應環境溫度，以溫度值作為補償數據查找表的索引指針。MAX1452 利用該指針索引FSODAC 和OFFSETDAC 值，通過累加器對原始信號進行運算處理，處理后的數據存入輸出數據寄存器，最終輸出補償后的電壓值。

圖7 MAX1452功能框圖

5   傳感器性能測試

在-40 ℃、常溫、100 ℃環境下，使用MAX1452對電渦流傳感器進行溫度補償，并測試電渦流傳感器性能^[8-9]，具體數據如表1 所示。

表1 電渦流傳感器性能測試數據

從以上數據可以看出，該電渦流傳感器具有輸出穩定、誤差小的特點。在低溫、常溫、高溫環境下最大非線性誤差為0.15%，具有輸出線性好的優點。經計算，傳感器的最大總誤差小于0.2%，最大溫度誤差小于0.002%FS/℃，指標均達到了較高水平，可見MAX1452對傳感器的輸出校準和溫度補償均取得了良好的效果。

6   結束語

基于MAX1452 設計的電渦流傳感器具有溫度自動補償功能，補償效果良好。該設計不僅改善了電渦流傳感器的溫度特性，還可以對傳感器進行數字化校準，對實現電渦流傳感器的批量化生產具有重要意義。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年12月期）