基于电涡流传感器的厚度测量

JIANGXINORMALUNIVERSITY传感器课程设计报告题目：基于电涡流传感器的厚度测量Title:Thicknessmeasurementbasedoneddycurrentsensor院系名称：物理与通信电子学院专业：电子信息工程成员：熊文强、徐亚军、史晋肖卫兴、童培林、潘豫指导老师：刘刚完成时间：2017年6月基于电涡流传感器的测量1摘要本设计是基于电涡流传感器测量厚度的设计。电涡流传感器,具有灵敏度高、频响范围宽、可实现非接触式测量及适用性强等特点。此种传感器在金属镀层、板材厚度测量及材质鉴别中应用广泛。电涡流传感器有两种类型:低频透射式和高频反射式。其中低频透射式适于测量较薄的金属镀层或板材的厚度。高频反射式适于测量较厚板材的厚度。关键词：电涡流传感器，测量厚度基于电涡流传感器的测量2目录摘要......................................................................................................................1一、设计要求.....................................................................................................3二、范围参数.....................................................................................................3三、测量原理.....................................................................................................33.1测厚原理.............................................................................................33.2电涡流传感器工作原理.....................................................................4四、总体设计.....................................................................................................54.1电涡流传感器...................................................................................64.2电源模块...........................................................................................64.3AD转换显示框图..............................................................................64.4AD转换及数据处理部分:................................................................7五、误差分析...................................................................................................11六、方案对比...................................................................................................12七、方案总结...................................................................................................17八、成员分工...................................................................................................18参考文献...........................................................................................................19附录....................................................................................................................201.HZ891YT系列电涡流传感器............................................................202.程序链接...........................................................................................22基于电涡流传感器的测量3一、设计要求利用电涡流传感器测量金属厚度。二、范围参数1、测量厚度范围：5～15mm2、精度：0.5mm3、激励频率：1MHz4、输入电压：12V5、介质温度:-50℃～250℃6、表面的粗糟度:0.4μm～0.8μm7、线性误差：＜±5%8、工作温度：探头：工作温度-50～+175°C温漂≤0.05%/°C延长电缆（-20～120）℃前置器：工作温度-50～+120°C温漂≤0.05%/°C9、频率响应：0～10KHz三、测量原理3.1测厚原理测板厚时，金属板材厚度的变化相当于线圈与金属表面间距离的改变，根据输出电压的变化即可知线圈与金属表面间距离的变化，即板厚的变化。如下图所示。为克服金属板移动过程中上下波动及带材不够平整的影响，常在板材上下两侧对称放置两个特性相同的传感器L1与L2。由图1可知，板厚d＝D－（x1+x2）工作时，两个传感器分别测得x1和x2。板厚不变时，(x1+x2)基于电涡流传感器的测量4为常值；板厚改变时，代表板厚偏差的(x1+x2)所反映的输出电压发生变化。测量不同厚度的板材时，可通过调节距离D来改变板厚设定值，并使偏差指示为零。这时，被测板厚即板厚设定值与偏差指示值的代数和。图13.2电涡流传感器工作原理如图2所示，在金属板一侧的电感线圈中通以高频激励电流I1时线圈将产生高频磁场由于集肤效应高频磁场作用于金属板表面薄层并在这薄层中产生涡流涡流I2会产生交变磁通Φ2反过作有于线圈使得线圈中的磁通Φ1发生变化而引起自感量变化在线圈中产生感应电势电感的变化随涡流而变而涡流又随线圈与金属板间距X而变化因此可以用高频反射式涡流传感器来测量位移X的变化。图2回路方程：基于电涡流传感器的测量5受涡流影响后线圈的等效阻抗为：线圈阻抗只与L1L2M有关而L1L2M都与J有关即Z=fJ因此如固定传感器的位置当间距J发生变化时Z就发生变化从而达到以传感器阻抗变化值来检测被测金属位移量的值。图3电涡流传感器等效电路四、总体设计针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次设计用电涡流传感器进行厚度测量，将测得的距离变化转换为电信号，通过A/D转换，转换为能供单片机直接识别的数字信号，单片机将得到的信号进行处理并显示。图4设计流程图基于电涡流传感器的测量64.1电涡流传感器在之前介绍的原理中可知，这利用HZ891YT系列电涡流传感器进行测量。当被测金属与电涡流传感器探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压(电流)变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压(电流)。（选型集体具体参数见附页）4.2电源模块电路原理图如下图5所示。图5电源原理图4.3AD转换显示框图AD转换具体流程如下：基于电涡流传感器的测量7图6AD转换流程图降压电路:由于测量模块输出的模拟电压范围是0V~5V，利用精密电阻对输出电压进行降压处理使其输出范围(vref-)~3.3V(vref+)。4.4AD转换及数据处理部分:本模块采用的主控MCU是stm32f103c8t6，该MCU自带ADC转换输入通道。1.相关介绍如下：自带12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。它有多达18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。ADC的输入时钟不得超过14MHz，它是由PCLK2经分频产生。2.MCU自带ADC主要特征：※12位分辨率※转换结束、注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断※单次和连续转换模式※从通道0到通道n的自动扫描模式※自校准基于电涡流传感器的测量8※带内嵌数据一致性的数据对齐※采样间隔可以按通道分别编程※规则转换和注入转换均有外部触发选项※间断模式※双重模式(带2个或以上ADC的器件)※ADC转换时间：STM32F103xx增强型产品：时钟为56MHz时为1μs(时钟为72MHz为1.17μs)※ADC供电要求：2.4V到3.6V※ADC输入范围：VREF-≤VIN≤VREF+※规则通道转换期间有DMA请求产生3.具体应用如下：PA0端口可以复用为ADC12(该MCU自带的ADC1和ADC2)的通道0输入端口，如下图7所示：图7ADC转换复用引脚由于只需要一个ADC，所以将该输入端口配置为单次转换模式，其中vref+为电源电压3.3V，vref-为地即0V。通过对输入的模拟电压连续测量，取其平均值为最后电压。具体的初始化及其它程序参见附录。4.对多个标准厚度钢材的样本测量校正：取出厚度范围是5mm~15mm的钢材，起始厚度为5mm，以0.1mm的厚度递增，达到15mm时，接着以0.1mm递减，测量正反行程3次，得到相对应的线性关系：u=k*x+d(u是输出电压，x是测量的厚度)。通过△u=k*△x的比例关系，测量得到△u即可以得基于电涡流传感器的测量9到△x(金属板材厚度)的具体大小。5.计算处理及显示部分：定义测量的电压值的变量为全局外部变量，且前后两个电压值存储在同一个数组中。通过对两个的数组求和，将其转化为两段距离X1、X2，板材厚度为D-X1-X2。显示的方式为OLED(有机二极管)液晶显示。OLED模块如下图8所示：图8OLED液晶屏显示模块在该设计中，对液晶的大小要求不是很大，精致小巧的oled更适合在此应用。它具有如下特点：※OLED为自发光材料，不需用到背光板，同时视角广、画质均匀、反应速度快、较易彩色化、用简单驱动电路即可达到发光、制程简单、可制作成挠曲式面板，符合轻薄短小的原则，应用范围属于中小尺寸面板。※主动发光、视角范围大；响应速度快，图像稳定；亮度高、色彩丰富、分辨率高。※驱动电压低、能耗低，可与太阳能电池、集成电路等相匹配。具体接口电路应用：GND：电源负极基于电涡流传感器的测量10VCC：电源正极(+5V)RES：复位端DC：IIC模式从机地址选择端（DC为‘1’时，地址为0x7aDC为‘0’时，地址为0x78）CS：片选端，低电平有效D0和D1：当选择通信模式为IIC时，D0是SCL(时钟线)，D1是SDA(数据线)当选着SPI通信模式时，D0是CLK(时钟线)，D1是MOSI(数据线)。SPI模式下，MCU引脚复用如下图9所示：图9SPI模式下引脚复用由于该模块默认SPI接口通信，如需改为IIC通信方式，需对电路进行改造。如下图10所示：