[发明专利]一种差分电感式位移传感器及测量方法

说明书

本发明公开了一种差分电感式位移传感器及测量方法，包括响应电路和处理电路，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；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，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。

【技术领域】

本发明属于传感器领域，涉及一种差分电感式位移传感器及测量方法。

【背景技术】

制造加工、冶金化工、电力交通、生物医疗到航空航天的运行控制过程中都需要检测传动部件的位置和行程，因此，位移传感器的研究受到业界的普遍关注和重视，并成为持续发展的热点；其中，电感式位移传感器(差分IPS)其无机械接触、安全、耐用、可靠、环境适应性强等优点，而获得广泛应用，特别是在高要求的航空领域上的应用；随着航空器向大型化和自动化的发展，传动部件目标位置的监测需求变得越来越多，飞行器外侧的监测点处于粉尘、油污、水雾、结冰、声光干扰以及巡航中的低温等恶劣环境中，从而对位移传感器的环境适应性提出了很高要求。航空位移检测的环境温度范围为-55～+125℃，差分IPS检测传感线圈和靶标的相对位置变化是角度或直线变化。角度变化检测范围通常为0～30度，通常要求0.2～0.5度测量精度；直线变化范围通常为1～5mm，一般要求0.2～1.0mm测量精度；不断改进的差分IPS用于飞机起落架、舱门、翼片和发动机反推等动态控制，差分IPS采用全封闭结构，抗污染和恶劣环境，对于机载机电部件运动定位的检测起到了不可或缺的作用。

然而，由于空间环境的特殊性，通用工业型的差分IPS难以满足航空领域的指标要求：

航空可靠性要求限制计算密集型算法，避免使用过程控制组件，例如单片机(MCU)和数字信号处理器(DSP)，因为该类部件包含大量寄存器单元，任何逻辑状态出错均会导致控制失效；航空器上的机动位移检测点越来越多，测点之间又多数属于因果工作关系，过程控制组件导致失效概率增大，常见的基于相位检测方法测量电感量的高精度工业差分IPS使用MCU或DSP类过程控制部件，难以确保航空整机性能指标(要求平均无故障工作小时(MTBF)在200000h以上)。

航空机载设备环境要求对射频能量发射的测试标准比同类普通工业通用电磁兼容标准的限制更严格、频率范围更宽；普通工业差分IPS无法满足该测试标准要求，如磁阻式接近传感器，使用大于500mA的大电流驱动传感线圈，利用磁阻变化，产生与距离相关的开关量输出，进而得到被测接近距离。由于传感线圈的开放磁路中存在电磁震荡，无法满足射频能量发射的限制。

传感线圈由耐高温漆包线(无氧铜)绕制，温度系数3950ppm/℃，在航空电子设备的工作温度范围(-55–+125℃)，对应电阻分量的总温漂大于71％，导致较大测距误差。

通用差分IPS数字检测法，是对传感线圈施加正弦激励，采集传感线圈的响应电压(电流)波形，由波形的相位和幅值差异，分离差分IPS传感线圈的电阻和电感分量，对比设定阈值或查表法得到被测接近距离，通过抑制线圈的电阻温漂，改善测距精度，可以定量输出、。因有复杂的控制过程，需要MCU或DSP类部件，功耗和硬件开销大，MTBF性能难以达标。

通用差分IPS模拟检测法，是对传感线圈施加阶跃激励，比较固定时刻响应值与设定阈值的大小，可得被测接近距离与设定阈值的大小关系(定性测量)，电路简单，可用定制热敏电阻补偿，但工作温度范围窄，测距精度较低，模拟元件温参数漂移，稳定性受到限制。