一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置和方法

1.本发明属于位移测量技术领域，具体涉及一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置和方法。


背景技术：

2.由交变电流驱动的线圈产生交变磁场，当线圈接近导体金属时在金属中感应出交变电流。感应交变电流产生交变磁场会阻碍线圈磁场，从而引起线圈阻抗的变化。线圈阻抗变化的大小与导体金属块的电阻率、磁导率、交变电流的频率以及二者之间的距离(也称为提离距离)有关。当距离以外的因素固定不变，可以由阻抗的变化值得到提离距离的数值，从而实现距离测量。传统的电涡流位移测量线圈通常由紧密绕制导线构成，近年在印刷线路板(pcb)上平面电涡流线圈也被广泛使用。无论绕制线圈还是平面线圈在制作完成后都需要由后续处理单元得到线圈阻抗的值。阻抗测量有电桥法和谐振法。商用电涡流传感器通常由电涡流线圈探头与前置器构成，前置器采用电桥测量原理测量电涡流线圈探头的阻抗，体积都比较大。美国德州仪器半导体公司(ti)的专用电感测量芯片ldc1001、ldc1614等实现了集成电路对阻抗的处理，原理是用电容和电涡流线圈构成振荡器产生振荡信号，通过测量振荡信号的频率计算电感量。这些方法都需要较复杂的模拟电路处理。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置和方法，通过全数字方式实现电涡流阻抗测量，从而实现位移测量。
4.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
5.本发明提供一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置，包括微控制器、直接数字频率合成器、数字相位比较器、低通滤波器、电阻、平面电涡流位移测量线圈、电容和时钟单元；
6.所述平面电涡流位移测量线圈与电容并联后一端接地，另一端与所述电阻串联；
7.所述直接数字频率合成器的输入端与所述微控制器连接，所述直接数字频率合成器的输出端与所述低通滤波器输入端连接；
8.所述低通滤波器输出端与所述电阻的一端连接，所述低通滤波器输出端还与所述数字相位比较器的第一输入端连接；
9.所述电阻的另一端与所述数字相位比较器的第二输入端连接；
10.所述数字相位比较器的输出端与所述微控制器连接；
11.所述时钟单元与所述直接数字频率合成器和所述微控制器相连；
12.所述微控制器用于，控制所述直接数字频率合成器的输入以及获取所述数字相位比较器的输出，以及根据所述输入和输出估算所述平面电涡流位移测量线圈与电容的谐振频率；基于所述谐振频率计算目标导体位移。
13.进一步的，所述直接数字频率合成器输出频率可调的方波信号，所述低通滤波器
用于对所述方波信号进行滤波得到正弦波。
14.进一步的，所述时钟单元有两个支路，一个支路用于为所述直接数字频率合成器提供工作时钟，另一个支路用于为所述为控制提供工作时钟。
15.进一步的，所述数字相位比较器由相位频率检测器和rs触发器构成；所述电阻两端均连接至所述相位频率检测器，产生up信号和down信号；所述up信号接入所述rs触发器的复位端r，所述down信号接入所述rs触发器的s端。
16.进一步的，所述直接数字频率合成器由相位累加器和正弦表构成。
17.进一步的，所述时钟单元采用晶体振荡器和分频器构成；
18.所述分频器由一组触发器构成，所述分频器用于对所述晶体振荡器产生的时钟信号进行分频，分别供给直接数字频率合成器和龙芯微控制器。
19.进一步的，所述微控制器采用龙芯微控制器。
20.本发明还提供一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置的位移测量方法，包括：
21.s1：根据电感设计值l和电容标称c估算谐振频率f0；
22.s2：设置初始频率f1、f2和误差阈值δf，所述f1为一个小于f0的值，所述f2为一个大于f0的值；
23.s3：将目标导体放置在距离所述平面电涡流位移测量线圈d处；
24.s4：设置直接数字频率合成器输出频率为f1，根据下式计算直接数字频率合成器的输入控制字，记为x
f1
，并输入至直接数字频率合成器；
25.f＝xf*f
clk
/2m；
26.其中，f表示直接数字频率合成器输出频率，xf表示直接数字频率合成器输入控制字，f
clk
为直接数字频率合成器的频率，m为直接数字频率合成器内部相位累加器的位数；
27.读取数字相位比较器的结果p1，p1应当满足p1＝1；
28.初始时，f1取值为f1；
29.s5：设置直接数字频率合成器输出频率为f2，计算输入控制字x
f2
，并输入至直接数字频率合成器；读取数字相位比较器的结果p2，p2应当满足p2＝0；
30.初始时，f2取值为f2；
31.s6：设置直接数字频率合成器输出频率为f3，f3＝0.5(f1+f2)，计算输入控制字x
f3
，并输入至直接数字频率合成器；读取数字相位比较器的结果p3；
32.如果p3＝1，则令f1＝f3，进入s7；如果p3＝0，则令f2＝f3，进入s7；
33.s7：如果f2-f1》δf，则转至s6；如果f2-f1《δf，得到谐振频率fx＝f2；
34.s8：根据预先标定的谐振频率fx与位移d的关系曲线得到当前位移d；
35.所述谐振频率fx与位移d的关系曲线标定方式为：
36.测量不同位移下的阻抗得到阻抗-位移曲线；
37.基于谐振频率和阻抗的关系对所述阻抗-位移曲线进行换算，得到谐振频率-位移曲线。
38.进一步的，所述f1＝0.95f0，f2＝1.5f0。
39.本发明的有益效果：
40.本发明提供一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置，通过全数字方式实现
电涡流阻抗测量，从而实现位移测量，可以在通用可编程逻辑器件上实现测量电路和微控制器的集成，实现小型化乃至微型化电涡流位移测量。
附图说明
41.图1为平面电涡流位移测量线圈结构及测量原理图；
42.图2为本发明提供的电涡流位移测量装置结构图；
43.图3为本发明的一个实施例中提供的基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置结构。
具体实施方式
44.下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
45.平面电涡流位移测量线圈结构及测量原理如图1所示，平面上同心的n圈螺旋线，每圈的半径分别为ri，线宽wi，通过相同大小的电流，方向为顺时针或者逆时针。它在自由空间阻抗z0表达为：
[0046][0047]
其中，dk＝s
krk
j1(ark)，sk表示第k段螺旋线中的电流方向，顺时针为sk＝1，逆时针为sk＝-1，j1(
·
)是1阶第一类贝塞尔函数，j是虚数单位，ω是工作角频率，μ是磁导率。理论上z0是纯虚数，仅有电抗分量，即z0＝jx0＝jωl0。
[0048]
当一个电导率为σ，磁导率为μ的平面导体靠近线圈时，产生电涡流效应，导致线圈阻抗变化，线圈与导体的位移为d时线圈的阻抗变化量为δz，线圈在电涡流作用下的阻抗变成z＝z0+δz，δz表达为：
[0049][0050]
其中，
[0051][0052]
通过对阻抗z的实部r或者虚部x的测量可以得到目标导体与线圈的位移d。电涡流位移测量的关键是阻抗测量。一般来说，阻抗的虚部x变化率大于实部r的变化率，可测量x得到位移d。
[0053]
基于上述的平面电涡流位移测量线圈，本发明提供一种电涡流位移测量装置，参见图2，包括微控制器、直接数字频率合成器、数字相位比较器、低通滤波器、电阻r、平面电涡流位移测量线圈l、电容c以及时钟单元。
[0054]
具体的，平面电涡流位移测量线圈l与电容c并联后一端接地，另一端与电阻r串联。
[0055]
直接数字频率合成器的输入端与微控制器连接，输入端的数值由微控制器控制。直接数字频率合成器输出端与低通滤波器输入端连接，直接数字频率合成器输出频率可调的方波信号，经低通滤波器滤出谐波得到正弦波。
[0056]
低通滤波器输出端与电阻r的一端连接，低通滤波器输出端还与数字相位比较器的第一输入端连接。
[0057]
电阻r的另一端与数字相位比较器的第二输入端连接。数字相位比较器输出逻辑
‘0’
表示其第二输入端相位滞后于其第一输入端，输出逻辑
‘1’
表示其第二输入端相位超前于其第一输入端。
[0058]
数字相位比较器的输出端与微控制器连接，被微控制器感知。
[0059]
直接数字频率合成器的工作时钟由时钟单元的一个支路提供，频率为fclk。微控制器的工作时钟由时钟单元的另一个支路提供，可以与频率fclk不同。
[0060]
直接数字频率合成器内部相位累加器的位数为m，输入端的数值为x，输出方波信号频率为f＝xf*fclk/2m。
[0061]
微控制器具体用于，采用二分法测量lc的实际谐振频率，进而计算目标导体位移。
[0062]
测量原理如下：
[0063]
直接数字频率合成器的方波信号从低于f0的频率f1(比如f1＝0.95f0)逐步增加到f0，此时lc并联部分呈现感性，数字相位比较器第二输入端的信号相位从超前于第一输入端，相位差逐步减小，当频率到达某一频率(lc实际谐振频率)后相位差为零。继续增加频率到大于f0的f2(比如f2＝1.05f0)，此时lc并联部分呈现容性，数字相位比较器第二输入端的信号相位滞后于第一输入端，相位差逐步增大。利用上述相位关系测量得到谐振频率。
[0064]
基于上述的电涡流位移测量装置，本发明提供一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量方法，具体如下：
[0065]
步骤1：根据电感设计值l和电容标称c估算谐振频率f0，
[0066][0067]
步骤2：设置初始频率f1、f2和误差阈值δf；其中，f1为一个小于f0的值，f2为一个大于f0的值；需要说明的是，δf为预设值，是容许的误差限；
[0068]
步骤3：将目标导体放置在距离所述平面电涡流位移测量线圈d处；
[0069]
步骤4：设置直接数字频率合成器输出频率为f1，根据下式计算直接数字频率合成器的输入控制字，记为x
f1
，并输入至直接数字频率合成器；
[0070]
f＝xf*f
clk
/2m；
[0071]
其中，f表示直接数字频率合成器输出频率，xf表示直接数字频率合成器输入控制字，f
clk
为直接数字频率合成器的频率，m为直接数字频率合成器内部相位累加器的位数；
[0072]
读取数字相位比较器的结果p1；
[0073]
需要说明的是，初始时，f1取值为f1，初始时p1应当满足p1＝1；
[0074]
步骤5：设置直接数字频率合成器输出频率为f2，按上述方式计算其输入控制字x
f2
，并输入至直接数字频率合成器；
[0075]
读取数字相位比较器的结果p2；
[0076]
需要说明的是，初始时，f2取值为f2，初始时p2应当满足p2＝0；
[0077]
步骤6：设置直接数字频率合成器输出频率为f3＝0.5(f1+f2)，按上述方式计算其输入控制字x
f3
，并输入至直接数字频率合成器；
[0078]
读取数字相位比较器的结果p3，
[0079]
如果p3＝1，则令f1＝f3，进入步骤7；如果p3＝0，则令f2＝f3，进入步骤7；
[0080]
步骤7：如果f2-f1》δf，则转至步骤6；如果f2-f1《δf，停止二分法测量，得到实际谐振频率fx＝f2。
[0081]
步骤8：根据预先得到的fx与位移d的关系曲线得到当前位移d。
[0082]
需要说明的是，谐振频率-位移曲线预先标定得到，标定过程为：
[0083]
测量不同位移下的阻抗得到阻抗-位移曲线；
[0084]
基于谐振频率和阻抗的关系对阻抗-位移曲线进行换算，得到谐振频率-位移曲线。
[0085]
优选的，f1＝0.95f0，f2＝1.5f0。
[0086]
本发明的一个实施例中，提供一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置,包括微控制器、直接数字频率合成器、数字相位比较器、低通滤波器、电阻r、平面电涡流位移测量线圈l、电容c以及时钟单元，各元件连接关系与图2的电涡流位移测量装置相同。
[0087]
参见图3，本实施例中，直接数字频率合成器由相位累加器和正弦表构成。
[0088]
数字相位比较器由相位频率检测器(pfd)和rs触发器构成。
[0089]
微控制器采用龙芯1c103。
[0090]
时钟单元采用晶体振荡器和分频器构成。
[0091]
分频器由一组触发器构成，对晶体振荡器产生的时钟信号进行分频处理，供给直接数字频率合成器和龙芯微控制器。
[0092]
本实施例中，分频器、龙芯微控制器、直接数字频率合成器、数字相位比较器全部集成在一片可逻辑器件中。
[0093]
优选地，晶体振荡器频率为80mhz，分频器得到40mhz和8mhz，分别提供给直接数字频率合成器和龙芯微控制器。
[0094]
本实施例中，龙芯微控制器给相位累加器写入频率控制器，在正弦表中存放数字化的正弦波形，取其最高比特位输出，经低通滤波器得到同频正弦波。
[0095]
电阻两端的信号送给相位频率检测器，产生up/down信号。up信号接rs触发器的复位端r，down信号接rs触发器的s端。当相位频率检测器的第一输入端超前于第二输入端，rs触发器输出0；当相位频率检测器的第一输入端滞后于第二输入端，rs触发器输出1。
[0096]
龙芯微控制器感知到数字相位比较器输出，并按照上述二分法测量lc的实际谐振频率，实现位移d的测量。
[0097]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置，其特征在于，包括微控制器、直接数字频率合成器、数字相位比较器、低通滤波器、电阻、平面电涡流位移测量线圈、电容和时钟单元；所述平面电涡流位移测量线圈与电容并联后一端接地，另一端与所述电阻串联；所述直接数字频率合成器的输入端与所述微控制器连接，所述直接数字频率合成器的输出端与所述低通滤波器输入端连接；所述低通滤波器输出端与所述电阻的一端连接，所述低通滤波器输出端还与所述数字相位比较器的第一输入端连接；所述电阻的另一端与所述数字相位比较器的第二输入端连接；所述数字相位比较器的输出端与所述微控制器连接；所述时钟单元与所述直接数字频率合成器和所述微控制器相连；所述微控制器用于，控制所述直接数字频率合成器的输入以及获取所述数字相位比较器的输出，以及根据所述输入和输出估算所述平面电涡流位移测量线圈与电容的谐振频率；基于所述谐振频率计算目标导体位移。2.根据权利要求1所述的一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置，其特征在于，所述直接数字频率合成器输出频率可调的方波信号，所述低通滤波器用于对所述方波信号进行滤波得到正弦波。3.根据权利要求1所述的一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置，其特征在于，所述时钟单元有两个支路，一个支路用于为所述直接数字频率合成器提供工作时钟，另一个支路用于为所述为控制提供工作时钟。4.根据权利要求1所述的一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置，其特征在于，所述数字相位比较器由相位频率检测器和rs触发器构成；所述电阻两端均连接至所述相位频率检测器，产生up信号和down信号；所述up信号接入所述rs触发器的复位端r，所述down信号接入所述rs触发器的s端。5.根据权利要求1所述的一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置，其特征在于，所述直接数字频率合成器由相位累加器和正弦表构成。6.根据权利要求1所述的一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置，其特征在于，所述时钟单元采用晶体振荡器和分频器构成；所述分频器由一组触发器构成，所述分频器用于对所述晶体振荡器产生的时钟信号进行分频，分别供给直接数字频率合成器和龙芯微控制器。7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置，其特征在于，所述微控制器采用龙芯微控制器。8.基于权利要求1至7任意一项所述的基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置的位移测量方法，其特征在于：包括：s1：根据电感设计值l和电容标称c估算谐振频率f0；s2：设置初始频率f1、f2和误差阈值δf，所述f1为一个小于f0的值，所述f2为一个大于f0的值；s3：将目标导体放置在距离所述平面电涡流位移测量线圈d处；s4：设置直接数字频率合成器输出频率为f1，根据下式计算直接数字频率合成器的输
入控制字，记为x
f1
，并输入至直接数字频率合成器；f＝x
f
*f
clk
/2
m
；其中，f表示直接数字频率合成器输出频率，x
f
表示直接数字频率合成器输入控制字，f
clk
为直接数字频率合成器的频率，m为直接数字频率合成器内部相位累加器的位数；读取数字相位比较器的结果p1，p1应当满足p1＝1；初始时，f1取值为f1；s5：设置直接数字频率合成器输出频率为f2，计算输入控制字x
f2
，并输入至直接数字频率合成器；读取数字相位比较器的结果p2，p2应当满足p2＝0；初始时，f2取值为f2；s6：设置直接数字频率合成器输出频率为f3，f3＝0.5(f1+f2)，计算输入控制字x
f3
，并输入至直接数字频率合成器；读取数字相位比较器的结果p3；如果p3＝1，则令f1＝f3，进入s7；如果p3＝0，则令f2＝f3，进入s7；s7：如果f2-f1>δf，则转至s6；如果f2-f1<δf，得到谐振频率fx＝f2；s8：根据预先标定的谐振频率fx与位移d的关系曲线得到当前位移d；所述谐振频率fx与位移d的关系曲线标定方式为：测量不同位移下的阻抗得到阻抗-位移曲线；基于谐振频率和阻抗的关系对所述阻抗-位移曲线进行换算，得到谐振频率-位移曲线。9.根据权利要求8所述的位移测量方法，其特征在于，所述f1＝0.95f0，f2＝1.5f0。

技术总结
本发明公开了一种基于龙芯微控制器的电涡流位移测量装置和方法，该装置包括微控制器、直接数字频率合成器、数字相位比较器、低通滤波器、电阻、电涡流线圈、电容以及时钟单元。微控制器控制直接数字频率合成器产生不同的频率，通过数字相位比较器测量电涡流线圈产生的相移，从而测量LC的谐振频率，进而得到位移。微控制器采用二分相位法测量LC的实际谐振频率，根据预先标定的频率位移曲线得到实际位移。本发明通过全数字方式实现电涡流阻抗测量，从而实现位移测量，可以在通用可编程逻辑器件上实现测量电路和微控制器的集成，实现小型化乃至微型化电涡流位移测量。型化乃至微型化电涡流位移测量。型化乃至微型化电涡流位移测量。


技术研发人员：李建霓 花再军 张云飞 胡鹤轩 刘颜君 余宇峰 余霖 邓劲柏
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.08.15
技术公布日：2023/9/23