一种新型线性位置感测器的研制

一种新型线性位置感测器的研制
HUANG Jian;HUANG Jia-qi;CHEN Nan-yu;ZHANG Shan-wen;LYU Lin-tao 【摘要】为准确检测移动物体的线性位置,采用新型数字式、非接触电感传感器LDC1000,前端有分布不均匀的矩形自制电感线圈,形成LC振荡电路.当金属物沿着矩形线圈移动时,由于互感作用产生电涡流,涡流对自制线圈的振荡产生反作用,引起自制电感线圈振荡频率变化,LDC1000将其转换为高达28位的数字量输出.由于线圈不对称,在不同的位置将会产生不同的输出,以此来测试金属物的线性位移.实验结果表明:该设计可准确地测量金属物体的直线位移,精度高达0.3 mm.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2019(000)001
【总页数】4页(P42-44,49)
【关键词】LDC1000;线性位移;电涡流;电感感测
【作者】HUANG Jian;HUANG Jia-qi;CHEN Nan-yu;ZHANG Shan-wen;LYU Lin-tao
【作者单位】;;;;
【正文语种】中文
【中图分类】TN212
0 引言
在工业生产和实验中，经常要用传感器检测物体的直线位移，感测技术为这种需求
提供了极佳的解决方案。

感测技术具有无接触、抗污染、成本低、易维修、抗干扰能力强等优点，而且由于是无接触的感应，不易磨损。

特别适合于油污、潮湿、灰尘等恶劣环境。

到目前为止，这种技术是用复杂的模拟电路搭建而成，甚至用到了昂贵的稀土磁铁，成本较高、抗干扰能力差，而且不易携带、维修[1-4]。

为降低成本，提高性能，
本文采用最新的LDC1000数字式电感传感器，运用自制的不匀称的PCB线圈，
产生LC振荡电路。

当有金属物体沿着电感线圈做直线运动时，由于磁场作用，在金属物体的表面将形成电涡流，电涡流将会产生次级磁场，反作用于原来的磁场，引起LDC1000中的LC振荡电路的频率发生变化。

LDC1000将会感知这个变化，将其转换为28位的数字量输出。

由于自制的PCB线圈分布是不匀称的，当物体
移动到不同的位置时，产生的频率变化是不同的，以此来感测物体的直线位移。

1 系统设计理论
1.1 LDC1000工作原理
LDC1000的基本工作原理基于电磁感应，如图1所示。

当右边的线圈通交流电后，将会产生LC振荡，在它的附近将会产生磁场。

当金属物靠近该磁场时，磁场产生的部分能量将会传递给金属物体，在金属物的表面形成电流，一般将其称为涡流。

这些电流将会产生一个次级磁场，反作用于原来的磁场。

使原磁场减弱。

涡流的大小是距离、材质、大小的函数。

图1中所示Ls和Rs是原线圈的电感和寄生串联
电阻[5-8]。

L(d)是与距离成函数关系的电感量，是目标金属物耦合给右边线圈的
电感量，R(d)是与距离成函数关系的电阻量，是涡流给右边线圈产生的寄生电阻。

图1 互感模型
由于电感和电容都是储能元件，并不消耗能量，因此，能量都消耗在电阻上了。

将图1右边所示电路进行等效变化，得到图2所示电路。

图2 电感传感器等效电路
在图2中Rp(d)通过式(1)计算。

(1)
式中:Ls和Rs为原来线圈的电感和电阻;Ld和Rd为产生的寄生电感和电阻。

1.2 自制电感线圈设计
自制电感线圈如图3所示。

整个线圈长为100 mm，宽为15 mm，共22圈，在PCB制板时，用0.2 mm的细铜线制作而成，上下两层。

整个线圈等间距分布，
右边的线圈密度要大于左边。

右边的磁场强度的要远大于左边的磁场强度，因此，感应磁场主要由右边的线圈决定。

图3 矩形电感线圈结构图
当金属物体在线圈上方移动时，如图4所示。

图4 金属物在线圈上方移动图
图4中金属物体的长度一定要能够完全覆盖线圈的宽度，选择为25 mm，金属物体的宽度不宜过宽，选择为14 mm。

金属物体从线圈的最左边开始移动，直到最右边，相对于最左边的移动距离为dx，从线圈的左下角开始。

金属物体从左向右
移动时，磁场感应强度主要由右边的线圈决定，且磁场强度不断增强。

在制作PCB线圈时，要注意选择合适的电感量L，并配置合适的电容C，使得形
成的LC振荡电路的振荡频率在500 kHz～10 MHz之间，这与线圈的匝数、粗细、材质都有关。

另外，还要使得损耗电阻Rp的范围为1～128 kΩ。

对其范围的设
置通过LDC1000内部的两个寄存器RP_MIN和RP_MAX进行。

1.3 分辨率的计算
LDC1000能够将电感的变化转换为数字量的输出，当金属物体从dx=0向
dx=100移动时，数字量的变化量用式(2)计算。

(2)
式中:ΔD为数字量的变化量;TR为采样周期;FCLK为LDC1000的时钟频率，设计
中选择最高频率6 MHz;F0为dx=0 mm时线圈的共振频率;F100为dx=100 mm 时线圈的共振频率。

2 硬件电路设计
2.1 系统设计框图
系统设计框图如图5所示，图中L代表自制电感线圈，测得线圈的电感量L后，
配置上合适的电容C，就可形成LC振荡电路。

振荡频率通过式(3)计算[6-10]。

根据前面所述原理，在检测目标金属物时，由于电磁感应，不仅会产生寄生电感LS，而且会产生寄生电容CS，引起频率的变化，通过式(4)计算。

LDC1000会将这个
变化量转换为数字量，数字量通过式(5)计算，该数字量通过SPI接口传送给
STM32F103ZET6进行处理。

同时STM32还产生LDC1000需要的6 MHz的时
钟信号。

(3)
(4)
(5)
图5 硬件系统设计框图
2.2 STM32F103ZET6
STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3的嵌入式芯片,是32位的微处理器，
主频是72 MHz[10-13]。

具有8个定时器，其中定时器TIM3经过12分频，产
生LDC1000所需的6 MHz的时钟频率。

STM32有3个硬件SPI接口，设计中
选择SPI2连接LDC1000,如图6所示，为提高数据采集速度，采用硬件SPI接口与STM32相连，其中SCLK连接到PB13(SPI2_SCLK),SDI连接到
PB15(SPI2_MOSI)，SDO连接到PB14(SPI2_MISO),CSB连接到
PB12(SPI2_NSS)。

PC9产生6 MHz的时钟，输入给LDC1000的CLK。

GND要共地，VCC接3.3 V。

图6 STM32与LDC1000连接图
2.3 LDC1000
LDC1000是数字式电感传感器，适合作为电感感测传感器。

可实现对金属物的线性位置、角位置、位移、运动、压缩、金属成分、振动等的高精度测量。

适合应用于潮湿、油污、灰尘等恶劣环境。

3 测试
实验平台的搭建如图7所示，图中用电机带动丝杆做直线运动。

在丝杆上方固定有矩形自制线圈，矩形线圈会随着丝杆做往复直线运动[14-15]。

线圈的正上方悬挂有金属物体，金属物体固定不动。

金属物体与矩形线圈之间的空气间隙用D表示。

实验中D的距离可调。

图7 实验平台的搭建
图7中的金属物体选用铝块，长和宽分别为25 mm和14 mm。

矩形电感相对于金属物体从左向右移动，取dx=0 ～100 mm，间隙D为1 、2、3 mm测得的数据曲线如图8所示。

图8 测试数据
对图8进行分析，当金属物体从dx=0 mm移动到dx=100 mm时，整个曲线可以分为3个阶段。

第一曲线段为0～20 mm,在这个阶段，金属物体进入感应线圈，距离从0～20 mm移动，但是这个阶段的电感量的变化并不明显。

比如当金属物从dx=5.0 mm
移动到dx=5.5 mm,间隙D=1 mm时，电感量的变化从94.547 μH变化到
95.544 μH，变化量只有0.003 μH。

第二曲线段为20 ～90 mm,这个阶段，电感量变化明显，可准确得到金属物的移
动距离。

例如在空气间隙D=1 mm时，金属物从dx=50.0 mm移动到dx=50.5 mm时，电感量的变化从91.636 μH变化到91.565 μH，变化量是0.071 μH。

平均电感量的变化率是0.142 μH/mm。

第三段曲线为90～100 mm，在这个阶段电感量突然增大，该段数据不可用。

整体而言，直线位移从dx=0～100 mm曲线段内，90～100 mm曲线段突然递增，很难处理，不予采用。

0～20 mm曲线段内，因为电感量的变化率太小，不
利于整个系统精度的提高，不予采用。

剩下的从20～90 mm曲线段可用，变化
率较明显，软件编程时可将其线性化，易于处理，而且精度较高。

因此，整个曲线段有70%的曲线可用。

表1给出了从dx=0～90 mm电感率的变化。

表1 电感量的变化率空气间隙D/mm电感量的变化/(μH·mm-1)dx=0～20 mmdx=20～90 mm1-0.026 5-0.128 52-0.017 3-0.084 33-0.012 2-0.056 8
从表1可以看出，当dx为20～90 mm时，电感量的变化率明显，从0～20 mm 时，不明显，而且距离越近，变化越明显，精度越高，处理越方便。

根据式(2)和
式(5)对其进行数字化处理，可使测量距离的精度达到0.03 mm。

4 结论
文中研究了新型数字电感传感器LDC1000的工作原理。

采用密度不同的矩形电感线圈，可检测金属物体的直线位移。

并搭建了实验平台，进行了数据采集和分析，得到了对应的曲线。

最终确定了70%的曲线段是可用曲线，并对其进行了线性化。

可准确测量金属物体的直线位移，精度达到了0.03 mm。

可应用在潮湿、灰尘、
油污等恶劣环境中，具有一定的实用价值。

参考文献：
【相关文献】
[1] 黄健.一种新型数字电感传感器的设计与应用[J].计算机测量与控制,2015,23(7):2597-2599
[2] 黄健.基于ARM的数字电感传感器设计[J].宇航计测技术,2015,35(5):57-60
[3] 黄健，张善文.基于LDC1614的精密刻度盘设计[J].深圳大学学报(理工版),2017,34(2):188-194
[4] 司开波，黄健，吕林涛.多通道数字电感传感器设计[J].宇航计测技术,2016，36(1):62-68
[5] 陈治,朱洪程,胡晓东,等.基于相位相关技术的MEMS旋转角度高分辨力测量[J].光学精密工
程,2009， 17(8):1884-1888
[6] 周武,胡跃明,刘屿.基于投影和重采样技术的目标旋转角度测量方法[J].光学技
术,2010,36(6):860-865.
[7] 陈玉娇,王晓蕊,于硕.旋转角度装配误差对成像质量影响的定量分析[J].西安电子科技大学学报(自然科学版),2014,41(3):145-151.
[8] 胡晓东,李晓俊,孙彬,等.MEMS微结构旋转角度的快速测量方法[J].纳米技术与精密工程,2009，7(4):328-332.
[9] 钟金钢，梁智强，李仕萍.激光自混合干涉角度测量参数优化及旋转方向判别[J].光学精密工程,2016,24(5):1001-1008.
[10] 罗元,聂俊齐,张毅.基于Fourier-Mellin变换和相位相关的MEMS旋转角度的测量[J].半导体光电,2013,34(2)：346-350.
[11] 宋永献,马娟丽,贺乃宝,等.基于TMS320F2812的智能循迹小车控制系统设计[J].计算机测量与控制，2011,19(9):2128-2130.
[12] 李艳红，李自成,孙仕琪.基于STM32单片机的金属物体探测定位器系统的设计与实现[J].仪表技术与传感器,2016(4):63-66.
[13] 王丽君,马龙升,钟皇平,等.可自主移动的金属物体探测定位仪设计及开发[J].实验技术与管
理,2015,32(5):107-110.
[14] Texas Instruments.LDC1612 Multi-Channel 28-Bit Inductance to Digital
Converter(LDC)for Inductive Sensing[M].上海，2014，12.
[15] 郭玉,李彦梅,王鹏.基于电涡流传感器的硬币辨伪系统的设计[J].传感技术学报，
2012,25(4):557-560.。