一种前置处理电路、前置电路板及电涡流传感器的制作方法

1.本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种前置处理电路、前置电路板及电涡流传感器。


背景技术：

2.电涡流是指块状金属导体置于变化磁场中，或在磁场中作切割磁力线运动时，此块状金属导体内产生旋涡状感应电流的现象。利用电涡流效应制作的传感器可以实现对位移的直接测量，并可以间接测量振动、温度、应力、速度以及材料损伤等，电涡流测量方法具有非接触、不受油污光线和粉尘干扰、灵敏度高、频率响应范围宽等优点。
3.目前常见的电涡流传感器的前置处理电路设计方案主要是：用激励电路去激励电涡流传感器线圈的线圈探头，线圈探头等效为一个可变电感，由于电涡流效应，其感值和距离有对应关系。线圈和电容并联构成谐振电路，通过谐振电路使得微小的线圈感值变化转化为较大的阻抗变化信号，后级电路对此信号进行放大，然后进行幅值或相位检测，通过获得上述幅值或相位的变化计算出感值的变化，进而结合标定参数计算得到距离测量数据或其他测量信息。
4.但是现有技术还存在以下不足之处：
5.1.成本高：由于采用激励信号对谐振电路进行激励，而谐振电路的谐振频率在传感器设计好时已经固定，因此激励频率也确定下来。常见的激励信号源为正弦波，正弦波信号发生电路成本较高，如使用dds正弦波信号发生器等。且为了实现电涡流传感器较高的穿透力，以提高其探伤能力，激励信号频率一般较高，约为1～10mhz，对此高频信号进行放大和滤波均需高带宽、高成本的电路。但若采用方波或其他波形的激励信号，则除了谐振频率的谐波分量外，还含有高次谐波，这些高次谐波会降低信号的信噪比，且若想对这些高次谐波进行检测，则后级需更高带宽的电路，这样又会增加成本。
6.2.抗干扰能力弱：目前电涡流传感器一般采用电感线圈作为检测探头，在实际检测环境中，探头和激励电路、后续处理电路等常常距离较远，而检测信号为微小的信号，此微小的信号在测量过程中和长距离传输过程中很容易受到干扰。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的以上不足，本实用新型的目的在于提供一种成本低、抗干扰能力强的前置处理电路，以及基于该前置处理电路的前置电路板及电涡流传感器。
8.为了实现上述目的，本实用新型提供了下述的技术方案。
9.一种前置处理电路，用于电涡流传感器，包括谐振电路和乘法器；其中所述谐振电路包括第一电容和由所述电涡流传感器的激励线圈构成的第一电感，在输入激励信号时，所述谐振电路产生谐振信号，并将所述谐振信号或所述谐振信号的分量发送至所述乘法器的第一输入端；所述乘法器的第二输入端用于接收所述激励信号或所述激励信号的分量，所述乘法器输出所述第一输入端的输入信号和所述第二输入端的输入信号的乘积信号。
10.谐振电路在谐振时产生包含测量信息的高频信号，乘法器将该高频信号转换成包含测量信息的低频信号分量和其他高频信号分量，并同时提供信号放大功能，使其输出信号适于在较长距离上进行传送。其他高频信号分量，包括干扰信号产生的高频信号分量在后续处理时可通过低通滤波器滤除，使测量信号具有较强的抗干扰性，同时后续处理无需高频处理电路，降低了成本。
11.在一些实施方式中，所述前置处理电路还包括移相电路，所述移相电路将所述谐振电路连接至所述激励信号，使所述激励信号经过所述移相电路时产生相位差。
12.移相电路的设置可以增大乘法器输出低频信号分量的变化率，增加测量信号的信噪比，同时移相电路还起到隔离谐振电路和乘法器的第二输入端的作用。
13.在一些实施方式中，所述移相电路包括第二电容和第一电阻，所述第二电容的第一端用于连接至所述激励信号、第二端连接至所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端接地，所述第二电容的第二端还连接至所述谐振电路；所述第二电容的电容值、所述第一电阻的电阻值根据所述第一电容的电容值和所述第一电感的电感值匹配设置，使所述电涡流传感器位于线性量程的中点时所述相位差为90
°
。
14.在电涡流传感器位于线性量程的中点时，乘法器两个输入端的输入信号相位差为90
°
，此时乘法器输出的低频信号分量的直流分量近似为零，有利于提高测量信号的信噪比和线性度。本领域技术人员可以通过仿真模拟或通过有限次的试验对第二电容的电容值和第一电阻的电阻值进行设置，在电涡流传感器位于线性量程的中点时实现90
°
的移相，并在电涡流传感器的整个线性量程范围内实现接近90
°
的移相。实际设计时，实现约为90
°
的移相即可，事实上70
°
到90
°
的移相都可实现很好的信噪比。
15.在一些实施方式中，所述前置处理电路还包括第二电阻、第三电容、第四电容；其中所述第二电阻的第一端用于连接至所述激励信号，所述第二电阻的第二端连接至所述第三电容的第一端，所述第三电容的第二端连接至所述第四电容的第一端，所述第四电容的第二端接地；所述第三电容的第二端还连接至所述第二输入端，使所述第三电容和所述第四电容构成第一分压电路，为所述第二输入端提供所述激励信号的分量；所述谐振电路还包括第五电容，所述第一电容和所述第五电容串联后和所述第一电感并联构成所述谐振电路；所述第一电容和所述第五电容的连接端还连接至所述第一输入端，使所述第一电容和所述第五电容构成第二分压电路，为所述第一输入端提供所述谐振信号的分量。
16.第一分压电路和第二分压电路用于调整乘法器的两个输入信号的幅值，以充分利用乘法器的工作幅值范围。
17.在一些实施方式中，所述前置处理电路还包括低通滤波器，所述乘法器的输出信号连接至所述低通滤波器的输入端；所述低通滤波器用于对所述乘法器的输出信号进行低通滤波，所述低通滤波器的滤波参数根据被测对象的振动频率范围匹配设置。
18.将低通滤波器也设置于前置处理电路内时，仅需在较长距离上传输低频信号，可以降低传输线的成本。电涡流传感器用于测量静态位移或者用于无损探伤时，包含测量信息的信号为直流信号；测量动态位移如振动时，包含测量信息的信号为信号最高频率与测量对象最高振动频率一致的低频信号。因此可以根据位移测量场景确定低通滤波器的滤波参数。
19.在一些实施方式中，所述前置处理电路还包括低频放大器和激励信号电路；所述
低通滤波器的输出信号连接至所述低频放大器的输入端；所述低频放大器用于对所述低通滤波器的输出信号进行放大，所述激励信号电路用于产生所述激励信号。
20.将低频放大器也设置于前置处理电路内时，可以进一步提高信号传输时的抗干扰性。多谐振荡器无需对信号进行滤波整形，因此成本较低，同时可通过少量元器件实现，从而可布置于电涡流传感器探头的有限空间内，同时节省了电涡流传感器电缆内的高频导线。激励信号电路既可以是产生正弦波的振荡器，也可以是更为简单的多谐振荡器。
21.在一些实施方式中，所述激励信号电路为方波振荡器。
22.方波振荡器是结构最简单的多谐振荡器，而且带载能力强、输出稳定。
23.在一些实施方式中，所述前置处理电路还包括电压跟随器，所述激励信号经过所述电压跟随器后对所述谐振电路提供激励。
24.电压跟随器可采用最简单的源极跟随器实现，用于提供谐振电路和乘法器的第二输入端之间的隔离。
25.本技术还提供了一种前置电路板，用于电涡流传感器，包括pcb基板和前述的任一种前置处理电路，所述前置处理电路设置于所述pcb基板上；所述pcb基板适于安装至所述电涡流传感器的探头，并使所述激励线圈位于所述探头的头部。
26.将前置处理电路预先设置于pcb基板上再安装至电涡流传感器的探头内，有利于进行批量生产、控制产品质量。
27.本技术还提供了一种电涡流传感器，包括探头，还包括前述的任一种前置处理电路，所述激励线圈位于所述探头的头部；所述前置处理电路直接设置于所述探头内，或，所述前置处理电路设置于pcb基板上且所述pcb基板安装于所述探头内。
28.本实用新型的各个实施例具有以下技术效果中的至少一种：
29.1.通过乘法器使谐振信号和激励信号相乘后得到包含测量信息的低频信号，使后续处理时仅需滤除高频信号并对此低频信号进行处理，降低了硬件成本。
30.2.乘法器同时起到了放大器的作用，使后续信号传输或处理过程具有更高的抗干扰能力。
31.3.通过乘法器和低通滤波器可以仅提取有用信号，而滤除不相关信号和干扰信号，提高了电涡流传感器的抗干扰能力。
32.4.通过第一分压电路和第二分压电路的设置，可以方便地设置乘法器的两路输入信号的幅值范围，例如根据不同的应用场景独立地调整两路输入信号的幅值，优化乘法器的输出信号。
33.5.通过移相电路的设置，使电涡流传感器线性量程的中点对应的乘法器输出信号中包含测量信息的低频信号分量幅值接近零，有利于改善电涡流传感器的线性度和乘法器输出信号的信噪比。
34.6.通过乘法器提取信号的功能使激励信号电路仅需采用简单的多谐振荡器，从而使激励信号电路也可集成至前置处理电路中，同时使电涡流传感器电缆无需传送高频信号，进一步降低成本。
附图说明
35.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本实用新型的上述特
性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
36.图1是一个实施例的前置处理电路图。
37.图2是另一个实施例的前置处理电路图。
38.图3是另一个实施例的前置处理电路图。
39.图4是另一个实施例的前置处理电路图。
40.附图标号说明：
41.100.前置处理电路，101.谐振电路，102.移相电路，103.第一分压电路，200.激励信号源，300.后续信号处理电路，1011.第二分压电路，a1.低频放大器，c1.第一电容，c2.第二电容，c3.第三电容，c4.第四电容，c5.第五电容，f1.低通滤波器，l1.第一电感，m1.乘法器，s1.激励信号电路，t1.电压跟随器。
具体实施方式
42.为了更清楚地说明本实用新型的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
43.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
45.如图1所示，本技术提供的前置处理电路100的一个实施例包括谐振电路101和乘法器m1；用于设置于电涡流传感器的探头内，在测量时产生测量信号并进行前置处理，使其输出信号适于传输。例如其输出信号可通过电涡流传感器的电缆传输至后续信号处理电路，如数据采集装置中进行进一步处理得到测量数据。其中谐振电路101包括由电涡流传感器的激励线圈构成的第一电感l1和第一电容c1，谐振电路101通过电压跟随器t1连接至激励信号源200，并同时连接至乘法器m1的第一输入端，激励信号输入至谐振电路101后，谐振电路101产生谐振信号，并将谐振信号发送至乘法器m1的第一输入端。乘法器m1的第二输入端连接至激励信号源200，乘法器m1的输出信号为第一输入端的输入信号和第二输入端的输入信号的乘积信号，经过后续信号处理后可获得电涡流传感器的测量值。此处应当注意区分激励线圈的双重角色，一方面激励线圈在激励信号源200或者前置处理电路100内集成设置的激励信号电路的高频激励信号的激励下发生谐振，另一方面其谐振信号又输出至被测对象，穿透至被测对象内部，激励被测对象产生涡旋状电流。该涡旋状电流同时又对谐振电路101产生反馈，使谐振电路101的阻抗发生变化，从而使谐振信号发生幅值和相位变化，
产生和测量对象的状态相关的测量信号。
46.假设谐振电路101的谐振角频率为ω0，激励信号包含角频率为ω0的谐波分量和另一个谐波分量则谐振电路101对角频率为ω0的激励信号谐波分量产生谐振，输出为其中a
m0
、a
m1
、a
m2
分别为相应信号的幅值，分别为相应信号的相位角。由乘法电路的特性可知，
[0047][0048][0049]
同样道理，当乘法器m1的第一输入端有角频率不是ω0的干扰信号时，也可类似地计算乘法器m1输出的相关信号分量。由上述计算结果可知，乘法器m1的输出信号经低通滤波后，能保留与谐振电路101的谐振角频率ω0相同的包含测量信息的信号，同时剔除全部与谐振电路101的谐振角频率ω0不同的分量。当激励线圈或前置处理电路100的其他部分受到干扰时，经乘法器m1和后续低通滤波可以滤除和谐振电路101的谐振角频率为ω0不一致的干扰信号，因此通过乘法器m1的设置极大地提高了前置处理电路100的抗干扰能力。
[0050]
在电涡流传感器进行测量时，测量距离的变化使谐振信号相位角和幅值a
m2
发生变化，谐振信号和激励信号的乘积包括低频分量和高频分量，后续信号处理滤除高频分量后仅需对低频分量进行处理，不仅提高了电路的抗干扰能力，而且不需要现有技术中的高频传输线和高频处理电路，降低了成本。本实施例的前置处理电路100不包括激励信号源200和后续信号处理电路300；电压跟随器t1可通过一个晶体管实现，使本实施例占用空间少，可用于小型化的电涡流传感器。激励信号源200和后续信号处理电路300可设置于配套的数据采集装置中。
[0051]
如图2所示，在一个实施例中，前置处理电路100还包括移相电路102，移相电路102用于将谐振电路101连接至激励信号源200，使激励信号经过移相电路102时产生相位差。移相电路102包括第二电容c2和第一电阻r1，第二电容c2的第一端连接至激励信号源200、第二端连接至第一电阻r1的第一端，第一电阻r1的第二端接地，第二电容c2的第二端还连接至谐振电路101的第一电感l1和第一电容c1。
[0052]
本实施例通过最简单的rc移相电路完成移相，通过调节第一电阻r1的阻值以及第二电容c2的电容值，可实现在电涡流传感器的线性量程的中点时，移相电路102两侧信号的相位差为90
°
。此时移相电路102还起到隔离通向乘法器m1的第二输入端的信号和谐振信号的作用，因此可省去电压跟随器t1，使电路更加简单。此时有同时在电涡流传感器的线性量程范围内，该式的计算结果也较小，可改善测量的线性度，并便于后续放大和处理；同时乘法器m1的输出信号经低通滤波后的信号的信噪比也较高。当然作为本实施例的变化方式，移相电路也可通过其他方式实现，例如通过rl移相电路实现。但rl移相电路一般体积较大，而且移相效果不如rc电路。采用一级移相电路难以实现90
°
的移相时，还可设置两级rc移相电路或更多级rc移相电路。
[0053]
如图3所示，在一些实施例中，前置处理电路100还包括第二电阻r2、第三电容c3、
第四电容c4；其中第二电阻r2的第一端连接至激励信号源200，第二电阻r2的第二端连接至第三电容c3的第一端，第三电容c3的第二端连接至第四电容c4的第一端，第四电容c4的第二端接地；第三电容c3的第二端还连接至乘法器m1的第二输入端；第三电容c3和第四电容c4构成第一分压电路103，通过设置第三电容c3和第四电容c4可以调整乘法器m1的第二输入端的信号幅值，例如前面计算公式中的a
m0
和a
m1
。谐振电路101还包括第五电容c5，第一电容c1和第五电容c5串联后和第一电感l1并联构成谐振电路101，第一电容c1和第五电容c5的连接端还连接至乘法器m1的第一输入端，使第一电容c1和第五电容c5构成第二分压电路1011，用于调整乘法器m1的第一输入端的信号幅值，例如前面计算公式中的a
m2
。由于乘法器m1还具有放大功能，因此第一分压电路103和第二分压电路1011起到了调整乘法器m1的输入和输出信号幅值的功能，防止输出信号失真；并可通过独立调整第一输入端和第二输入端的信号幅值，优化输出信号，例如可以适当调高第一输入端的信号幅值，以使输出信号包含更多带有测量信息的信号分量。
[0054]
如图4所示，在一个实施例中，前置处理电路100还包括低通滤波器f1、低频放大器a1和激励信号电路s1，乘法器m1的输出信号连接至低通滤波器f1的输入端，低通滤波器f1的输出信号连接至低频放大器a1的输入端，激励信号电路s1用于产生激励信号。低频放大器a1输出的信号进行后续信号处理可获得电涡流传感器的测量值；低通滤波器f1的滤波参数与被测对象的振动频率范围匹配。由于乘法器m1具有放大信号的功能，在一些实施例中，低频放大器a1也可不设置。激励信号电路s1为多谐振荡器，更具体地，激励信号电路s1为方波振荡器。由于本技术的前置处理电路100的特点，不需要通过复杂的放大器和反馈回路构成精确的方波振荡器，只需要结构简单的方波振荡器即可满足测量要求，例如可通过晶振和两个晶体管构成最简单的方波振荡器即可，使之可随前置处理电路100设置于电涡流传感器的探头内或接近探头的位置。本实施例的谐振电路101的谐振频率为1mhz，相应地，激励信号电路s1的激励信号频率亦为1mhz。将激励信号电路s1设置于前置处理电路100时，可以省去电涡流传感器电缆中的高频导线，进一步降低成本。
[0055]
在本技术提供的前置电路板的一个实施例中，将前述任一实施例的前置处理电路100设置于pcb基板上，pcb基板在用于设置电路元件和印制线的同时，还用于固定至电涡流传感器的探头内，并使激励线圈位于探头的头部。前置电路板可单独批量生产或者委托专业厂家生产，有利于大批量生产时降低成本、提高产品质量稳定性。
[0056]
在本技术提供的电涡流传感器的一个实施例中，电涡流传感器的探头内设置有前述的任一实施例的前置处理电路100，前置处理电路100的元器件相互连接后通过环氧树脂封装或其他技术手段固定至探头内，并使激励线圈位于探头的头部。在一些实施例中，电涡流传感器包括探头和前述的前置电路板，前置电路板固定于探头内，激励线圈同样位于探头的头部。前置处理电路100的供电、信号输入和信号输出通过电涡流传感器的电缆实现。
[0057]
上述仅为本技术的较佳实施例及所运用的技术原理，在不脱离本技术构思的情况下，还可以进行各种明显的变化、重新调整和替代。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点和功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神的情况下进行各种修饰或改变。在不冲突的情况下，以上实施例及实施例中的特征可以相互组合。