[发明专利]一种差分电感式位移传感器及测量方法

权利要求书

1.一种差分电感式位移传感器的测量方法，所述方法采用一种差分电感式位移传感器，所述传感器包括：

响应电路，响应电路包括近传感线圈和远传感线圈，近传感线圈靠近靶标，远传感线圈位于近传感线圈与处理电路之间；以及

处理电路，处理电路包括模数转换器ADC、驱动逻辑模块以及处理逻辑模块；所述近传感线圈和远传感线圈分别通过连接电缆与处理电路相连；驱动逻辑模块用于周期、同步地激励响应电路的两个传感线圈；响应通过差分放大器INA输出至模数转换器ADC上；

所述连接电缆包括与近传感线圈相连的第一连接电缆和与远传感线圈相连的第二连接电缆，第一连接电缆包括串联的电阻r_wn和电感L_wn，并与电容C_pn并联；第二连接电缆包括串联的电阻r_wf和电感L_wf，并与电容C_pf并联；

处理逻辑模块通过模数转换器ADC采样差值响应电压，获取响应波形特征，计算转换为被测接近距离；

所述驱动逻辑模块通过开关管M_n和开关管M_f周期、同步地激励传感线圈；其中，开关管M_n与第一连接电缆相连，开关管M_f与第二连接电缆相连；第一连接电缆将响应输出至差分放大器INA的正向输入端上，第二连接电缆将响应输出至差分放大器INA的反向输入端上；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)建立差分IPS的检测电路：差分IPS由两个传感线圈组成对称的响应电路，近传感线圈更接近靶标，其电感分量对位移的敏感度高；远传感线圈位于近传感线圈与处理电路之间；近传感线圈和远传感线圈的电阻分量的环境温度影响相同；两个对称响应经差分、放大，输出到模数转换器ADC进行数字处理；

两个对称响应输出到模数转换器ADC进行数字处理的具体方法如下：

近传感线圈的电感分量L_in对位移的敏感度高于远传感线圈的电感分量L_if的位移敏感度；近传感线圈和远传感线圈的电阻分量r_in和r_if的环境温度影响相同；

驱动逻辑模块通过开关管M_n和M_f周期、同步地通过限流电阻R_n和R_f激励传感线圈，两个对称测量节点上的响应通过差分放大器INA输出，处理逻辑模块通过模数转换器ADC采样差值响应电压，获取响应波形特征，计算转换为被测接近距离；

以近传感线圈的等效电路为例：电感分量L_in、电阻分量r_in，电缆的等效电感分量L_wn和等效电阻r_wn构成串联电路，合并L_in+L_wn＝L_an，r_in+r_wn＝r_an；U_s为直流驱动电压，驱动逻辑周期性闭合开关管，实现对电路的阶跃激励；测量节点的电压响应波形用U_Cn(t)表示，其是等效电容C_pn的响应电压；U_Ln(t)代表L_an的响应电压；i_Ln(t)和i_Cn(t)分别表示流经L_an和C_pn的电流；

等效电路以二阶微分方程形式约束，从U_s⁺经R_n、r_an、L_an到U_s^-的电流回路和从C_pn⁺经r_an、L_an到C_pn^-电流回路对应两个独立的基尔霍夫方程，C_pn⁺即节点U_cn⁺，C_pn^-即节点U_cn^-，基尔霍夫方程如下：

代入储能元件C_pn和L_an的电压-电流条件，得到：

结合储能元件初始条件和激励信号求出二阶微分方程的通解常数A_n1和A_n2以及特解Q(t)，得到方程解为：

其中，U_S是阶跃激励高电平；

在单端结构差分IPS上增加远传感线圈，装配在近传感线圈与处理电路之间，构成差分IPS；测量节点上的响应通过差分放大器INA求差并放大、再采样，以改善响应变化量在模数转换器ADC动态范围内占比；其响应约束方程为：

其中，A是固定增益、U_s是参数固定的阶跃激励高电压、R_n和R_f是参数固定的限流电阻、C_pn和C_pf是参数固定的电缆等效电容；L_an和L_af是包含传感线圈电感分量的总等效电感，随接近距离变化而变化；R_an和R_af是包含传感线圈电阻分量的总等效电阻，随环境温度变化而变化；A_n1、A_n2、A_f1、A_f2、p_n1、p_n2、p_f1和p_f2均为中间参数，能够根据式中约束由其它参数计算；式中近和远响应回路的总等效电感和电阻L_an、L_af、R_an和R_af是未知变量；

受式(4)约束，差分IPS响应波形在激励零时刻后有唯一拐点；

(2)建立差分IPS查表算法：在响应波形唯一拐点之后，通过两次采样，建立两个独立约束关系，通过采样向量与温度和接近距离构成的环境变量之间的唯一对应关系，实现接近距离的查表计算；

(3)差分IPS查表算法的降维：将第二个采样时刻设为足够大，采样向量与接近距离和环境温度的约束关系被分离，二维查找表被拆分成若干个表头或索引，结合使用线性插值法，二维查找表被简化为两个一维查找表；

(4)差分IPS的标定：在设定标定温度下，使用精密平移台，控制传感器与靶标的接近距离在依次到达所有标定点，记录第一采样值和接近距离的对应关系，获得高温和低温查找表；

(5)临时查找表的计算简化：在标定过程中通过离线计算，将高温和低温查找表计算并存储为由M_i和N_i构成的标定算子；

(6)差分IPS的在线查表计算：检测过程中，利用标定算子和第二实时采样值计算生成临时查找表，并用第一采样值在临时查找表中检索得到被测接近距离。