基于光栅反馈的电涡流传感器静态校准系统开发

Development of an Automatic Static Calibration System for Eddy Current Sensors Based on Grating Feedback

摘要: 电涡流传感器静态校准装置的发展主要经历了从手动校准模式到半自动校准模式的过程，目前也逐步向自动校准模式发展。但是目前的自动校准模式存在着一定的弊端，计算机技术、虚拟仪器技术、光电技术以及电子技术的快速发展给电涡流传感器静态自动校准模式的发展提供了强大的技术支持。本文就结合计算机技术、虚拟仪器技术、光电技术以及电子技术对电涡流传感器静态自动校准装置进行研究。电涡流传感器自动静态校准装置主要由运动机构，传感器支座，控制器，驱动器、测量光栅以及计算机系统组成。工作时，计算机系统通过RS232串口发出一定的信号，信号经过控制器和驱动器，再实现运动机构的水平直线运动；由位移测量机构发出的位移测量信号经过控制器处理，再传输到计算机中，由光栅尺读取运动机构的位移；被校传感器的信号由数字电压表读得，并经过接口卡输入到计算机系统中，最终得到被测传感器的技术指标。实验验证电涡流传感器静态校准装置的最大位移行程100 mm，位移控制精度0.01 mm，位移测量精度0.003 mm，直流稳压电源的稳定度为0.1%，直流数字电压表的测量不确定度为0.1%，设计满足设计指标的要求。

Abstract: The development of static calibration devices for eddy current sensors has mainly gone through the process from manual calibration mode to semi-automatic calibration mode, and is currently gradually moving towards automatic calibration mode. However, the current automatic calibration mode has certain drawbacks. The rapid development of computer technology, virtual instrument technology, photoelectric technology and electronic technology has provided strong technical support for the development of the automatic static calibration mode of eddy current sensors. This paper studies the static automatic calibration device of eddy current sensors by combining computer technology, virtual instrument technology, photoelectric technology and electronic technology. The automatic static calibration device of eddy current sensors mainly consists of a motion mechanism, a sensor support, a controller, a driver, a measurement grating and a computer system. During operation, the computer system sends certain signals through the RS232 serial port, which are then processed by the controller and driver to achieve the horizontal linear motion of the motion mechanism; the displacement measurement signal sent by the displacement measurement mechanism is processed by the controller and then transmitted to the computer, where the grating ruler reads the displacement of the motion mechanism; the signal of the sensor to be calibrated is read by a digital voltmeter and input into the computer system through an interface card, and finally the technical indicators of the sensor under test are obtained. Experimental verification shows that the maximum displacement stroke of the static calibration device for eddy current sensors is 100 mm, the displacement control accuracy is 0.01 mm, the displacement measurement accuracy is 0.003 mm, the stability of the DC regulated power supply is 0.1%, and the measurement uncertainty of the DC digital voltmeter is 0.1%. The design meets the design requirements.

1. 引言

电涡流传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应基础之上的。根据法拉第电磁感应原理，导电金属在磁场中作切割磁力线运动时或置于变化的磁场中，导体内部将产生的感应电流，此电流称作为电涡流，以上的现象称为电涡流效应[1]。电涡流传感器就是根据电涡流效应而制成的传感器。

对于电涡流传感器的校准，主要分静态校准和动态校准。本文主要是围绕电涡流传感器的静态校准而展开的。根据国家计量检定规程JJG 644-2003可以得到，对于电涡流传感器的检定或校准，是通过以下步骤和方法实现的：先把电涡流传感器安装在静态校准仪器上，然后改变电涡流传感器的测量距离以每10%的量程作为1个测量点，在整个的量程范围内，测量包括上、下限值共11个点，再顺序地在各个测量点测量电涡流传感器的信号输出值Ui和移动距离Li，以上、下两个来回的行程为1个测量循环，一共测量3个循环。最后对信号的输出值和移动距离进行处理和分析，以核对和评估电涡流传感器的工作性能。

2. 电涡流传感器静态校准系统组成

电涡流传感器静态自动校准装置的总体设计理念是用计算机控制取代人工操作来实现数据的测量、记录、处理并保存，其中对于数据的测量包括对位移数据的测量和对电涡流传感器输出信号的测量。所以总体的设计思路是首先由用户根据电涡流传感器的技术指标在上位机软件中设置一定的参数，其次上位机软件根据界面的设置生成并发送相应的指令至下位机测控系统中，然后由下位机测控系统根据指令产生相应的命令，控制机械零部件的运动并读取位移数据和电涡流传感器信号数据，再把经过处理后的数据返回至上位机软件中，最终上位机软件处理并保存所读取的数据，完成整个自动校准过程[1]。电涡流传感器静态校准系统组成如图1所示。

Figure 1. Overall structural block diagram of the static calibration system for eddy current sensors

图1. 电涡流传感器静态校准系统总体结构框图

3. 电涡流传感器静态校准系统各模块的设计

根据电涡流传感器静态校准系统的总体结构组成，校准系统主要包括机械机构设计，基于FPGA测控系统设计，以及基于LabVIEW的上位机软件设计。

3.1. 电涡流传感器静态自动校准装置的机械结构

根据机械结构的运动特点以及所需完成的功能特点，机械结构部分的设计(图2)主要是实现使感应盘和传感器探头作相对直线运动以及实现电涡流传感器的准确安装。

Figure 2. Mechanical components of the static calibration system

图2. 静态校准系统机械机构组成

要实现感应盘和传感器探头作相对直线运动，需要设计的机械结构实质上为一个一维的运动机构。合理的结构，优良的设计以及精密的加工和装配是保证运动机构无晃动，无偏转，无回程间隙以及定位精度高，速度快，承载大，使用寿命长的关键因素。按照功能特点来划分这个运动机构至少应包括直线导向部件，运动驱动部件以及整个机械结构的基座。而整个装置的性能也关键在于直线导向部件，运动驱动部件和基座的设计，加工，以及整体的装配。

要实现电涡流传感器的准确安装，需要设计一个多功能的电涡流传感器安装夹具，以便安装不同型号和不同大小的电涡流传感器，同时还需要设计一个电涡流传感器零点位置的调节机构，以便于零点位置的正确选取。

此外，还需要设计一些辅助的机构和零部件，以保证机械部分的使用功能更完整，工作性能更可靠。

3.2. 电涡流传感器静态自动校准装置的测控系统

电涡流传感器静态自动校准装置测控系统的设计目的主要是下位机根据上位机的指令来完成相应的控制命令。按照功能和内容来展开分析，测控系统的任务主要包括对运动机构的控制，对位移信号和电涡流传感器输出信号的采集，对所采集数据的处理分析，以及实现与上位机的通讯。

Figure 3. Composition of the static calibration and control system for eddy current sensors

图3. 电涡流传感器静态校准测控体统组成

电涡流传感器静态校准部分下位机控制系统(图3)主要完成步进电机的控制和被校准传感器位移测量。步进电机的控制完成电涡流传感器静态校准运动控制的核心，也是实现对电涡流传感器位移精确测量的前提，因此步进电机控制模块的设计非常重要。同时被校准传感器的位移作为其静态校准的重要参数，对其采集模块的设计同样需要给予高度重视。

(1) 步进电机控制模块

在电涡流传感器动静态一体化自动校准装置的设计中，步进电机主要用于在静态校准中驱动被校准传感器按照国家计量检定规程JJG 644-2003规定的运动规律做直线运动。步进电机控制模块是通过对步进电机驱动器的控制来实现运动控制的。步进电机驱动器的控制信号为步进脉冲信号、方向控制信号和电机使能信号[2]。电机使能信号在电机上电后一直有效，因此只需对步进脉冲信号和方向信号进行控制来实现对驱动器的控制。

步进电机的步进脉冲信号的频率决定了步进电机的转速，其数量决定了步进电机的进给量。电涡流传感器静态校准对传感器的位置精度要求十分严格，因此对步进脉冲信号的控制是步进电机控制模块设计的关键。由之前的分析，步进电机需要达到高精度，必须对其进行细分。XNQ240MA驱动器具有细分功能，其最大的细分数为64，结合传动部件滚珠丝杠的2 mm导程和步进电机的0.9˚的步距角，运动机构的最小进给量达到0.078 μm。步进电机驱动器的细分功能大大提高了步进电机的运行平稳性和运转精度[3]。考虑到步进电机为一开环驱动设备，结合机械系统设计时选择光栅尺作为位移测量元件，因此设计了以光栅尺测量的位移信号作为反馈的闭环控制系统，其具体实现方法是，首先通过上位机将位移指令赋予给计数比较器，作为位移控制的一个参考量，在被校准传感器移动过程中，计数比较器会比较位移测量数据和位移命令数据，判断两者的差值是否在所需控制的范围内，从而控制脉冲信号和方向信号的发送，其控制示意图如图4所示。同时在进行电涡流传感器时对不同量程的电涡流传感器的校准，步进电机需要选择不同的转速，因此需要设计一个分频器对步进电机的运转速度进行控制。根据国家计量检定规程在进行传感器静态校准时需要对11个点进行3次循环测量，同时在每个测量点处需要停留一定时间完成信号采集，因此分别设计了一个计数器和计时器来完成以上任务。因此将步进电机控制模块的设计分为计数比较器中、分频器、计数器和计时器的设计，其组成如图5所示。

Figure 4. Lower-level computer control flowchart of the static calibration system for an eddy current sensor with grating feedback

图4. 给予光栅反馈的电涡流传感器静态校准系统下位机控制流程图

Figure 5. Control flowchart of the stepper motor control module

图5. 步进电机控制模块的控制流程图

(2) 移信号测量模块

被校准传感器的位移信号是其实现校准的主要参数，同时需要作为步进电机控制模块的反馈信号，因此对其精度具有较高的要求，本设计中选用了本设计中选用了Renishaw公司位移分辨率为0.1 μm的直线光栅传感器，可以满足本装置中5 μm的位置控制精度和3 μm的位移测量精度要求。

1) 位移方向判别原理

直线光栅传感器的典型输出是两路相位相差90˚的A、B两相方波信号，当直线光栅传感器的动尺相对于定尺向一个方向运动时，A相方波信号超前B相方波信号90˚；当动尺相对于定尺向相反的方向运动时，A相方波信号滞后B相方波信号90˚。在一个周期内，A、B两相信号的电平发生4次相对变化。在一个运动方向上，A相方波信号超前B相方波信号，电平相对变化的规律为00$\to$ 10$\to$ 11$\to$ 01，在相反的运动方向上，A相方波信号滞后B相方波信号，电平的相对运动规律为00$\to$ 01$\to$ 11$\to$ 10 [4]。在下位机控制系统中将A、B两相信号的前一种状态保存下来与1/4周期后的当前状态进行比较，判断电平变化符合那种变化规律，从而实现位移方向的判别。

2) 位移测量的软件实现

在位移测量模块对位移的测量主要完成方向判别和对位移脉冲的加减计数，同时为了提高位移测量的精度，在控制程序中对光栅信号进行了四倍频。根据光栅传感器位移方向判别原理，控制程序通过四个触发器和相应的逻辑门电路，判断A、B两相信号的电平状态的相对变化规律，确定校准装置运动机构的运动方向。对位移脉冲信号的加减计数的运算由方向判别信号控制，当判断A、B两相信号的电平状态的相对变化规律符合正向运动的规律时，对计数器进行+1操作，反之，对计数器进行−1操作。光栅信号的四倍频是通过四个触发器和逻辑门电路对相位相差90˚的A、B两路方波信号进行反向，获得$\overline{\text{A}}$和$\overline{\text{B}}$信号，然后在四路方波信号的每一个上升沿处，各产生一个脉冲信号，就获得了四倍频信号。四倍频后的光栅尺分辨率才能达到0.1 μm [5]。光栅传感器进行位移测量的具体过程如下：

① 通过通讯模块将上位机指令发送至此模块中，从而对脉冲计数清零。

② 在运动机构运动时，光栅尺根据A、B两相信号的电平状态的相对变化规律，判断其运动方向，并据此完成对加减计数器的加减操作。

③ 将加减计数器中的数据实时地与上位机发送的位移指令对比，计算两者的偏差。

④ 当发送的位移数据与位移指令的偏差在控制精度范围内，将此时的测量数据传送给FPGA，并通过通讯模块返回到上位机，完成位移信号的测量。

3.3. 电涡流传感器静态自动校准装置的上位机软件

根据电涡流传感器动静态一体化自动校准装置的工作原理，上位机软件需要完成以下工作内容：

(1) 数据的发送。在传感器静动态校准中上位机需要针对不同型号的传感器设置的参数，并以一系列指令的形式发送给下位机来控制校准装置的运动状态、控制系统的工作状态等。

(2) 接收数据。接收下位机采集的位移和传感器输出信号，进而完成对电涡流传感器静动态校准的信号采集。

(3) 测量数据修正。为了保证校准装置的测量精度，需要通过标准仪器对校准装置测试信号进行修正，通过比较标准仪器与校准装置测试结果，在上位机软件中对校准装置的测试结果进行补偿。

(4) 数据处理。上位机软件需要对采集的位移信号和电涡流传感器输出信号按照国家计量检定规程中规定的电涡流传感器动静态校准所需检定的指标进行处理并保存。上位机软件的总体结构如图8所示。

为了方便下位机控制程序对上位机控制指令的读取，在设计时，将动态校准指令位数设置的与静态校准相同，由于电涡流传感器动态校准中的控制指令相对简单，因此在动态校准的控制指令中添加了一个空指令，从而使得两种工作模式下给下位机控制程序的指令位数一致。表1为静态校准的通讯协议指令。

Figure 8. Overall structure of the host computer software

图8. 上位机软件的总体结构

Table 1. Static calibration communication protocol instructions

表1. 静态校准通讯协议指令

功能块	静态校准	位移量	循环次数	上行程点数	下行程点数
	F0	0~100 mm 000000-FFFFFF	0-15 0-F	0-256 00-FF	0-256 00-FF
数据位	88~95	64~87	60~63	52~59	44~51
功能块	设定电压	运动状态	传感器类型	运动方向	位移模式
	0~24 V 000000-FFFFFF	开始F	电流型0F	上行3	辅助模式3
		停止0	电压型F0		中点模式5
		暂停6	电流/压型FF	下行C	端点模式C
					电压模式9
数据位	20-43	16-19	8-15	4-7	0-3

4. 实验验证

完成电涡流传感器静态校准系统的搭建后，对校准系统的精度进行实验。试验采用绝对法进行检验，分别采用电涡流传感器静态校准系统测量位移和电压，通过电涡流传感器校准系统和激光测距仪测量的数据如表2和表3所示。

Table 2. Experimental test data of the displacement measurement module

表2. 位移测量模块实验测试数据

位移设定值(mm)	上行程				下行程
	激光测量值 (mm)	装置测量值 (mm)	控制误差 (μm)	测量误差 (μm)	激光测量值 (mm)	装置测量值 (mm)	控制误差 (μm)	测量误差 (μm)
5	5.0003	4.9998	−0.3	0.5	4.9985	5.0001	1.5	−1.6
10	9.9987	9.9990	1.3	−0.3	9.9984	10.0004	1.6	−2.0
15	14.9988	14.9997	1.2	−0.9	14.9986	15.0003	1.4	−1.7
20	19.9986	19.9990	1.4	−0.4	19.9988	20.0001	1.2	−1.3
25	24.9978	24.9989	2.2	−1.1	24.9979	25.0004	2.1	−2.5
30	29.9978	29.9995	2.2	−1.7	29.9980	30.0003	2.0	−2.3
35	34.9990	34.9997	1.0	−0.7	34.9991	35.0003	0.9	−1.2
40	40.0002	39.9996	−0.2	0.6	40.0001	40.0004	−0.1	−0.3
45	45.0020	44.9993	−2.0	2.7	45.0019	45.0003	−1.9	1.6
50	50.0015	49.9999	−1.5	1.6	50.0015	49.9999	−1.5	1.6

从表2的位移测量模块实验测试数据可以看出电涡流传感器静态校准系统的位移测量模块的测量误差小于3 μm，位移控制误差小于3 μm，说明静态校准装置位移测量模块和位移控制模块的精度达到了预先的技术指标和精度要求。

表3为电压测量模块两个数据采集通道测量的电压值和Agilent-34410A测量的电压数据，分别计算两者的相对误差，误差值都小于0.1%，说明静态校准部分电压测量模块测量精度达到了预先的技术指标和精度要求。

Table 3. Voltage measurement tables for Agilent-34410A and voltage measurement module

表3. Agilent-34410A和电压测量模块的电压测量表

电压参考值(V)	Agilent(V)	测量模块CH1 (V)	误差%	测量模块CH2 (V)	误差%
1	1.0034	1.0033	−0.0100	1.0032	−0.0199
2	2.0031	2.0030	−0.0050	2.0028	−0.0150
3	3.0042	3.0041	−0.0033	3.0039	−0.0100
4	4.0019	4.0018	−0.0025	4.0017	−0.0050
5	5.0054	5.0053	−0.0020	5.0051	−0.0060
6	6.0017	6.0015	−0.0033	6.0014	−0.0050
7	7.0074	7.0073	−0.0014	7.0072	−0.0029
8	8.0023	8.0024	0.0012	8.0020	−0.0037
9	9.0037	9.0038	0.0011	9.0035	−0.0022
10	10.0074	10.0072	−0.0020	10.0070	−0.0040
11	11.0056	11.0057	0.0009	11.0054	−0.0018
12	12.0065	12.0063	−0.0017	12.0062	−0.0025
13	13.0032	13.0030	−0.0015	13.0029	−0.0023
14	14.0014	14.0011	−0.0021	14.0011	−0.0021
15	15.0045	15.0043	−0.0013	15.0042	−0.0020
16	16.0062	16.0059	−0.0019	16.0058	−0.0025
17	17.0019	17.0017	−0.0012	17.0016	−0.0018
18	18.0056	18.0057	0.0006	18.0057	0.0006
19	19.0070	19.0069	−0.0005	19.0069	−0.0005
20	20.0041	20.0042	0.0005	20.0038	−0.0015
21	21.0085	21.0086	0.0005	21.0082	−0.0014
22	22.0076	22.0078	0.0009	22.0074	−0.0009
23	23.0047	23.0050	0.0013	23.0045	−0.0009
24	24.0025	24.0029	0.0017	24.0027	0.0008

5. 结论

通过搭建电涡流传感器静态校准系统，进行电涡流传感器静态校准装置的设计、控制系统的设计以及测量模块的设计，实现了对电涡流传感器的静态自动校准。可实现运动控制和位移测量。对校准装置的位移控制精度和位移测量精度进行了研究，验证了静态校准装置的位移控制误差小于3 μm，精度达到5 μm设计要求，位移测量误差小于3 μm，精度达到3 μm设计要求，电压测量精度达到0.1%，设计满足设计指标的要求。