基于LC谐振电路的电感式传感器调理电路

基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路
技术领域
1.本发明涉及电感式传感器检测电路技术领域，具体地，涉及一种基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路。


背景技术：

2.电感式传感器是基于电磁感应定律将环境中的非电量转化为传感器感抗变化的一种机电转换装置，其还需要信号调理电路将感抗进一步转化为电压、频率等能够直接识别的信号。调理电路可根据其将感抗调制为何种信息的差别，被分为幅度调理和频率调理两种方法。幅度调理将传感器的电感线圈接入电桥或者分压电路，再将通过高频信号的分压关系将传感器的阻抗变化转化为电压值或其他电信号。而频率调理则是将传感器线圈作为谐振电感与电容组成谐振电路，电路信号的输出频率直接反应传感器的等效电感。
3.目前最常用的电压幅值调理方法即为同步检波形式，该种方法应用普遍、研究发展迅速，几乎市场上大部分商用电路都使用了该项技术。但同步检波在高分辨力测量时也受到一定限制，其需要在解调单元后，通过滤波器或频谱分析提取出解调信号中的直流分量。若使用低通滤波器对直流分量进行提取，则低通滤波的通带宽窄直接决定了滤波后余留下来的噪声大小，从而导致测量系统的动态响应与分辨率之间出现矛盾；若使用数字器件进行频谱分析，虽然能够同时保证分辨率与动态响应，但在增加额外高成本器件的同时也对a/d转换速率提出了更高的要求，进一步增加系统成本。
4.专利文献cn114440751a(申请号：cn202210067606.1)公开了脉宽检波电路及电感式位移传感器，包括振荡电路、线圈谐振电路以及调制电路；振荡电路的输出端与线圈谐振电路的输入端连接，线圈谐振电路的输出端与调制电路连接；振荡电路用于生成驱动方波信号，并将驱动方波信号输出给线圈谐振电路；线圈谐振电路用于生成与驱动方波信号频率相同的正弦波信号，并将正弦波信号输出给调制电路；调制电路用于将正弦波信号转化为脉宽与被测位移成正比的脉宽调制信号。然而该专利没有测量谐振信号的频率和幅值，无法准确得到满量程情况下的阻抗变化量。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路。
6.根据本发明提供的基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，包括lc谐振回路、有源负阻电路和信号处理电路；
7.所述lc谐振回路用于选择特定频率，保持谐振信号频率稳定；
8.所述有源负阻电路用于补充lc谐振回路中消耗的能量，维持信号谐振；
9.所述lc谐振回路与所述有源负阻电路并联后产生谐振信号，所述信号处理电路对谐振信号的幅值和频率进行测量，进而解调出传感器的阻抗变化，再根据被测量、温度的关系和传感器阻抗的关系对被测量进行更精确的测量和自适应温度补偿。
10.优选的，所述lc谐振回路包括并联的电感式传感器和电容器；
11.所述电感式传感器用于将环境中的非电量转化为传感器阻抗变化；
12.所述电容器与所述电感式传感器组成lc谐振回路，用于协助调节谐振信号的频率范围。
13.优选的，所述电感式传感器的等效串联电感为l，所述电感式传感器的等效串联电阻为r
l
，所述电容器的电容为c，所述电容器的等效串联电阻为rc，所述lc谐振回路可由阻抗变化等效为由并联电感l
p
、并联电容c
p
、并联电阻r
p
并联构成，其值如下所示：
[0014][0015][0016][0017]
式中，q
l
为电感支路的品质因数，其值为ωl/r
l
；qc为电容支路的品质因数，其值为1/ωrcc；ω为信号角频率；在谐振频率处，并联电感l
p
和并联电容c
p
的电抗将相互抵消，此时等效输出阻抗为r
p
。
[0018]
优选的，所述有源负阻电路由有源器件和电阻器组成，用于补偿lc谐振回路中电阻消耗的能量，从而使得lc谐振回路中的信号保持振荡，其中，将有源负阻电路等效成为一个负值电阻ra，当有源负阻电路与lc谐振回路并联且ra≥r
p
时，r
p
和ra形成的并联电阻为无限大，l
p
和c
p
组成理想状态下的lc谐振回路，此时lc谐振回路中阻抗始终为0。
[0019]
优选的，所述有源负阻电路使用包括三极管、mos管和运算放大器在内有源器件通过考毕兹电路和交叉耦合电路的形式搭建。
[0020]
优选的，所述信号处理电路包括频率测量电路和幅值测量电路，所述频率测量电路和所述幅值测量电路为并联结构，分别对谐振信号中的频率信息和幅值信息进行测量。
[0021]
优选的，所述频率测量电路包括串联的迟滞比较器和数字频率计，所述迟滞比较器将谐振信号转化为等频率的方波信号，再输入至所述数字频率计对方波信号的频率进行测量。
[0022]
优选的，所述幅值测量电路包括串联的精密检波电路、低通滤波器、f/v转换电路或者a/d转换器，所述精密检波电路用于将谐振信号进行全波整流，所述低通滤波器用于将整流后的信号滤波为直流电压信号，所述f/v转换电路或者a/d转换器用于将直流电压信号转化为数字信号，从而实现对谐振信号的幅值的测量。
[0023]
优选的，当电容器的品质因数高于电感式传感器时且lc谐振回路工作在电流限制区时，通过谐振信号的频率f和幅值a信息反映传感器的阻抗变化，具体关系为：
[0024][0025][0026]
其中，i
bias
为有源负阻电路中设置的偏置电流。
[0027]
优选的，对电感式传感器而言，被测量x和温度t变化引起传感器阻抗l和r
l
的改变，且具有单调性，同时由式(4)和式(5)可知，当电涡流传感器的阻抗发生变化时，其谐振信号的频率f和幅值a随之单调发生变化，故测量得到的频率f和幅值a是关于被测量x和温度t的函数，用多项式表示为：
[0028][0029][0030]
逆函数表示为：
[0031][0032][0033]
其中，p
ij
、q
ij
、a
ij
、b
ij
为线性拟合系数；1≤i≤m；1≤j≤n；m为被测量变化次数；n为温度变化次数；
[0034]
由f
iaj
组成列向量由a
ij
和b
ij
组成列向量和测量过程通过和对测量结果进行补偿，为通过标定实现和的最优估计，设共得到k次测量值，则有：
[0035][0036][0037]
通过最小二乘法得到系数向量的最优估计为：
[0038][0039][0040]
其中，s为由向量组成的矩阵。
[0041]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0042]
本发明将电感式传感器作为电感器与电容器组成lc谐振回路，并接入有源负阻电路产生正弦谐振信号，通过测量谐振信号的频率和幅值能够准确得到满量程情况下的阻抗变化量，该方法无需高成本器件，且能够实现高分辨力测量。
附图说明
[0043]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0044]
图1为本发明的系统整体框图；
[0045]
图2a和图2b分别为本发明所涉及的一种谐振电路及其等效模型；
[0046]
图3为本发明所设计的一种信号处理电路。
具体实施方式
[0047]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明
的保护范围。
[0048]
实施例1：
[0049]
本发明提供了一种基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，包括lc谐振回路、有源负阻电路和信号处理电路；所述lc谐振回路用于选择特定频率，保持谐振信号频率稳定；所述有源负阻电路用于补充lc谐振回路中消耗的能量，维持信号谐振；所述lc谐振回路与所述有源负阻电路并联后产生谐振信号，所述信号处理电路对谐振信号的幅值和频率进行测量，进而解调出传感器的阻抗变化，再根据被测量、温度的关系和传感器阻抗的关系对被测量进行更精确的测量和自适应温度补偿。
[0050]
所述lc谐振回路包括并联的电感式传感器和电容器；所述电感式传感器用于将环境中的非电量转化为传感器阻抗变化；所述电容器与所述电感式传感器组成lc谐振回路，用于协助调节谐振信号的频率范围。
[0051]
所述电感式传感器的等效串联电感为l，所述电感式传感器的等效串联电阻为r
l
，所述电容器的电容为c，所述电容器的等效串联电阻为rc，所述lc谐振回路可由阻抗变化等效为由并联电感l
p
、并联电容c
p
、并联电阻r
p
并联构成，其值如下所示：
[0052][0053][0054][0055]
式中，q
l
为电感支路的品质因数，其值为ωl/r
l
；qc为电容支路的品质因数，其值为1/ωrcc；ω为信号角频率；在谐振频率处，并联电感l
p
和并联电容c
p
的电抗将相互抵消，此时等效输出阻抗为r
p
。
[0056]
所述有源负阻电路由有源器件和电阻器组成，用于补偿lc谐振回路中电阻消耗的能量，从而使得lc谐振回路中的信号保持振荡，其中，将有源负阻电路等效成为一个负值电阻ra，当有源负阻电路与lc谐振回路并联且ra≥r
p
时，r
p
和ra形成的并联电阻为无限大，l
p
和c
p
组成理想状态下的lc谐振回路，此时lc谐振回路中阻抗始终为0。
[0057]
所述有源负阻电路使用包括三极管、mos管和运算放大器在内有源器件通过考毕兹电路和交叉耦合电路的形式搭建。
[0058]
所述信号处理电路包括频率测量电路和幅值测量电路，所述频率测量电路和所述幅值测量电路为并联结构，分别对谐振信号中的频率信息和幅值信息进行测量。所述频率测量电路包括串联的迟滞比较器和数字频率计，所述迟滞比较器将谐振信号转化为等频率的方波信号，再输入至所述数字频率计对方波信号的频率进行测量。所述幅值测量电路包括串联的精密检波电路、低通滤波器、f/v转换电路或者a/d转换器，所述精密检波电路用于将谐振信号进行全波整流，所述低通滤波器用于将整流后的信号滤波为直流电压信号，所述f/v转换电路或者a/d转换器用于将直流电压信号转化为数字信号，从而实现对谐振信号的幅值的测量。
[0059]
当电容器的品质因数高于电感式传感器时且lc谐振回路工作在电流限制区时，通过谐振信号的频率f和幅值a信息反映传感器的阻抗变化，具体关系为：
[0060][0061][0062]
其中，i
bias
为有源负阻电路中设置的偏置电流。
[0063]
对电感式传感器而言，被测量x和温度t变化引起传感器阻抗l和r
l
的改变，且具有单调性，同时由式(4)和式(5)可知，当电涡流传感器的阻抗发生变化时，其谐振信号的频率f和幅值a随之单调发生变化，故测量得到的频率f和幅值a是关于被测量x和温度t的函数，用多项式表示为：
[0064][0065][0066]
逆函数表示为：
[0067][0068][0069]
其中，p
ij
、q
ij
、a
ij
、b
ij
为线性拟合系数；1≤i≤m；1≤j≤n；m为被测量变化次数；n为温度变化次数；
[0070]
由f
iaj
组成列向量由a
ij
和b
ij
组成列向量和测量过程通过和对测量结果进行补偿，为通过标定实现和的最优估计，设共得到k次测量值，则有：
[0071][0072][0073]
通过最小二乘法得到系数向量的最优估计为：
[0074][0075][0076]
其中，s为由向量组成的矩阵。
[0077]
实施例2：
[0078]
实施例2为实施例1的优选例。
[0079]
本发明提出一种基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路设计方法，所述的电感传感器调理电路包含lc谐振回路、有源负阻电路、信号处理电路组成，能够产生谐振信号并对谐振信号的幅值a和频率f进行精确测量，其中幅值a和频率f都能精确反应电感式传感器等效串联电感l和等效串联电阻r
l
的变化，从而能够对被测量x进行精确的测量和自适应温度补偿。
[0080]
如图1所示，将电感式传感器作为电感器与电容器组成谐振回路，并接入有源负阻电路产生正弦谐振信号。谐振信号一方面直接输入到频率测量电路中测量频率f，另一方面通过精密检波、v-f转换后输入到频率测量电路中测量幅值a。通过测量谐振信号的频率和幅值能够准确得到满量程情况下的阻抗变化量，该方法无需高成本器件，且能够实现高分
辨力测量。
[0081]
如图2a，为其中一种谐振电路的具体设计。电感式传感器使用螺线管式电感位移传感器，等效串联电感变化范围为700uh-1400uh，等效串联电阻为20ω；谐振电容器选值为1nf，品质因数高于10000；t
1-t4构成互补耦合电路，t
5-t6和限流电阻r1构成电流源，为互补交叉耦合电路提供偏置电流，共同构成有源负阻电路，与谐振回路并联后其等效模型可以等效为图2b中形式，其中负阻ra的值约为：其中，g
mn
为两个nmos的跨导，g
mp
为两个pmos的跨导。
[0082]
如图3，为其中一种信号处理电路的具体设计。上述谐振电路产生的差分谐振信号由仪表放大器放大后，一方面直接由迟滞比较转化为方波后输入到数字频率计中进行频率测量，另外一方面经过加密全波整流、低通滤波、v-f转换后再输入到数字频率计中得到一个与幅值正相关的频率值。其中v-f转换是为了精简器件，进一步节约成本，也可以更换为更高精度的a/d器件；光耦器件为数模隔离所用，有助于更好的信噪比。附图3中，仪表放大器采用芯片ad810，迟滞比较器使用芯片lm311，全波整流及低通滤波器采用芯片opa2277，光耦隔离采用芯片6n137，v-f转换芯片为lm331，频率计数器使用fpga设计，具体型号为cyclone iv ep4ce6系列。经过测量，信号频率为73khz-122khz，幅值等效频率为21khz-100khz。
[0083]
自适应线性补偿即使用测得的频率f和幅值a对待测值x和温度t进行拟合，在标定过程中选择位移拟合次数为m＝2，温度拟合次数为n＝1，使用温箱和精密位移平台不断改变位移及温度，每次记录对应情况的位移x，温度t，频率测量值f和幅值测量值a，通过最小二乘法得到拟合参数的最优估计和测量过程中计算位移为也可以估计温度为
[0084]
以上实例具有优良的性能，其测量非线性误差为0.08％fs，温度漂移为681.2ppm/℃。
[0085]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0086]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，其特征在于，包括lc谐振回路、有源负阻电路和信号处理电路；所述lc谐振回路用于选择特定频率，保持谐振信号频率稳定；所述有源负阻电路用于补充lc谐振回路中消耗的能量，维持信号谐振；所述lc谐振回路与所述有源负阻电路并联后产生谐振信号，所述信号处理电路对谐振信号的幅值和频率进行测量，进而解调出传感器的阻抗变化，再根据被测量、温度的关系和传感器阻抗的关系对被测量进行更精确的测量和自适应温度补偿。2.根据权利要求1所述的基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，其特征在于，所述lc谐振回路包括并联的电感式传感器和电容器；所述电感式传感器用于将环境中的非电量转化为传感器阻抗变化；所述电容器与所述电感式传感器组成lc谐振回路，用于协助调节谐振信号的频率范围。3.根据权利要求2所述的基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，其特征在于，所述电感式传感器的等效串联电感为l，所述电感式传感器的等效串联电阻为r
l
，所述电容器的电容为c，所述电容器的等效串联电阻为r
c
，所述lc谐振回路可由阻抗变化等效为由并联电感l
p
、并联电容c
p
、并联电阻r
p
并联构成，其值如下所示：并联构成，其值如下所示：并联构成，其值如下所示：式中，q
l
为电感支路的品质因数，其值为ωl/r
l
；q
c
为电容支路的品质因数，其值为1/ωr
c
c；ω为信号角频率；在谐振频率处，并联电感l
p
和并联电容c
p
的电抗将相互抵消，此时等效输出阻抗为r
p
。4.根据权利要求3所述的基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，其特征在于，所述有源负阻电路由有源器件和电阻器组成，用于补偿lc谐振回路中电阻消耗的能量，从而使得lc谐振回路中的信号保持振荡，其中，将有源负阻电路等效成为一个负值电阻r
a
，当有源负阻电路与lc谐振回路并联且r
a
≥r
p
时，r
p
和r
a
形成的并联电阻为无限大，l
p
和c
p
组成理想状态下的lc谐振回路，此时lc谐振回路中阻抗始终为0。5.根据权利要求4所述的基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，其特征在于，所述有源负阻电路使用包括三极管、mos管和运算放大器在内有源器件通过考毕兹电路和交叉耦合电路的形式搭建。6.根据权利要求1所述的基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，其特征在于，所述信号处理电路包括频率测量电路和幅值测量电路，所述频率测量电路和所述幅值测量电路为并联结构，分别对谐振信号中的频率信息和幅值信息进行测量。7.根据权利要求6所述的基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，其特征在于，所述频率测量电路包括串联的迟滞比较器和数字频率计，所述迟滞比较器将谐振信号转化为等
频率的方波信号，再输入至所述数字频率计对方波信号的频率进行测量。8.根据权利要求6所述的基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，其特征在于，所述幅值测量电路包括串联的精密检波电路、低通滤波器、f/v转换电路或者a/d转换器，所述精密检波电路用于将谐振信号进行全波整流，所述低通滤波器用于将整流后的信号滤波为直流电压信号，所述f/v转换电路或者a/d转换器用于将直流电压信号转化为数字信号，从而实现对谐振信号的幅值的测量。9.根据权利要求3所述的基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，其特征在于，当电容器的品质因数高于电感式传感器时且lc谐振回路工作在电流限制区时，通过谐振信号的频率f和幅值a信息反映传感器的阻抗变化，具体关系为：频率f和幅值a信息反映传感器的阻抗变化，具体关系为：其中，i
bias
为有源负阻电路中设置的偏置电流。10.根据权利要求9所述的基于lc谐振电路的电感式传感器调理电路，其特征在于，对电感式传感器而言，被测量x和温度t变化引起传感器阻抗l和r
l
的改变，且具有单调性，同时由式(4)和式(5)可知，当电涡流传感器的阻抗发生变化时，其谐振信号的频率f和幅值a随之单调发生变化，故测量得到的频率f和幅值a是关于被测量x和温度t的函数，用多项式表示为：表示为：逆函数表示为：逆函数表示为：其中，p
ij
、q
ij
、a
ij
、b
ij
为线性拟合系数；1≤i≤m；1≤j≤n；m为被测量变化次数；n为温度变化次数；由f
i
a
j
组成列向量由a
ij
和b
ij
组成列向量和测量过程通过和对测量结果进行补偿，为通过标定实现和的最优估计，设共得到k次测量值，则有：的最优估计，设共得到k次测量值，则有：通过最小二乘法得到系数向量的最优估计为：通过最小二乘法得到系数向量的最优估计为：其中，s为由向量组成的矩阵。

技术总结
本发明提供了一种基于LC谐振电路的电感式传感器调理电路，通过将电感传感器作为电感器与电容器组成谐振回路，接入有源负阻电路产生正弦谐振信号，并通过信号处理电路测得谐振信号的频率和幅值，由于谐振回路中的电容器品质因数远高于电感式传感器，故谐振信号的频率和幅值能够准确反应电感式传感器的阻抗值。本发明能够通过以上方式准确测量出电感传感器的阻抗变化，同时使用测得数据和算法实现传感器的自温度补偿。器的自温度补偿。器的自温度补偿。


技术研发人员：王坤东 李佰明 袁杰 雷华明 蔡萍
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/24