本发明属于电涡流位移测量技术领域，具体涉及一种基于反函数分段校正的电涡流位移传感器线性化方法及利用此方法的电涡流位移传感器。
背景技术：
电涡流位移传感器由于具有非接触、长距离输送方便、灵敏度高、结构简单、不受非金属材料影响等众多优点，已广泛应用在各行各业的位移测量上。电涡流位移传感器通过探头线圈与被测材料间的电磁耦合，将探头线圈与被测材料间的电参数，如阻抗、电感及品质因数，转变为电信号进行输出。一般由探头、高频电缆和前置器组成。
电涡流位移传感器的输出电压会随着被测物的距离变化而发生变化。被测物的距离在一定范围内变化时，传感器输出电压会随着被测距离的变化而线性变化。但被测物的距离超出一定范围后，输出电压随被测距离的变化将不再线性变化，电涡流传感器的线性范围与探头线圈的外径有关，线性范围一般为探头线圈外径的1/3～1/5。在许多领域希望能在不增加探头大小的前提下扩大线性测量范围亦或在测量范围不变的前提下尽可能选择体积更小的探头。
为扩大电涡流传感器的线性范围，目前采用的方法主要有两种：当其一是电涡流位移传感器进入非线性区间后，测量距离改变时，将通过相应地改变高频信号激励源的幅值使得输出成线性，如在振荡电路中串入压控电阻，使得振荡产生的高频信号幅值随输出电压控制；其二是在传感器输出端串联线性化电路，如串联基于二极管伏安特性的多级修正电路，亦或串联基于三极管的指数补偿电路。第一种方法实现起来较困难，不容易匹配好谐振电路的电阻，第二种方法能取得较好效果，但目前大多数线性化电路包含较多二极管、三极管这类易受温度影响的非线性元件，依旧存在缺陷。
技术实现要素：
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于反函数分段校正的电涡流位移传感器线性化方法及利用此方法的电涡流位移传感器，提高了电涡流位移传感器输入-输出特性的线性度，同时可扩大线性区间范围。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于反函数分段校正的电涡流位移传感器线性化方法，具体方法如下：
(1)依据电涡流位移传感器的输入-输出特性，测量电涡流位移传感器的位移-电压的特性曲线，得到需要进行线性化的处理区间的反函数；
(2)构造基于反函数分段校正的线性化电路；该电路利用多个输入-输出特性为线性的电路对非线性的反函数进行分段拟合，得到基于反函数分段校正的线性化电路；
(3)将基于反函数分段校正的线性化电路串联于电涡流位移传感器的输出端，从而对电涡流位移传感器输出信号进行分段线性化补偿，使得电压输出信号与位移输入信号成线性关系。
进一步地，步骤(1)具体为：测量电涡流位移传感器的位移d-电压u的特性曲线u＝f(d)，根据u＝f(d)图象确定位移-电压特性曲线的线性区间起点d0和区间长度δd。设线性化处理区间的起点为位移-电压特性曲线线性区间的起点d0，线性化处理区间的长度为m倍位移-电压特性曲线线性区间的长度mδd，计算位移-电压特性曲线在线性化处理区间[d0,d0 mδd]内的反函数d＝f-1(u)。
进一步地，步骤(2)具体为：构造基于反函数分段校正的线性化电路，该电路的输入-输出特性为电涡流位移传感器的位移-电压特性曲线u＝f(d)的反函数u'＝f-1(u)，其中u'为线性化后的电压信号。利用多个一次函数对非线性的反函数u'＝f-1(u)在线性化处理区间[d0,d0 mδd]分多段进行拟合，每段分别设计线性化电路。
进一步地，步骤(3)具体为：将基于反函数分段校正的线性化电路串联于电涡流位移传感器的输出端后，依据u'＝f-1(u)＝f-1(f(d))＝d，基于反函数分段校正的线性化电路的输出信号u'即与位移信号d在区间[d0,d0 mδd]上成线性关系。
本发明还提供了一种利用所述方法的电涡流位移传感器，该装置包括电涡流位移传感器探头、前置器和基于反函数分段校正的线性化电路。
所述的电涡流位移传感器探头与前置器相连，其用于在前置器的高频激励作用下产生高频磁场，通过感应被测导体中电涡流所产生的交变磁场对自身内部线圈的作用，以向前置器输出包含被测导体位移信息的阻抗信号；
所述的前置器用于产生高频激励信号以及对包含被测导体位移信息的阻抗信号进行检波和滤波，还串联有一个加法电路和比例放大电路，最终将阻抗信号转换为包含被测导体位移信息的直流电压信号。
所述的基于反函数分段校正的线性化电路对前置器输出的包含被测导体位移信息的直流电压信号进行线性化处理，具体处理过程如下：
(1)依据电涡流位移传感器的输入-输出特性，测量电涡流位移传感器的位移-电压的特性曲线，得到需要进行线性化的处理区间的反函数；
(2)构造基于反函数分段校正的线性化电路；该电路利用多个输入-输出特性为线性的电路对非线性的反函数进行分段拟合，得到基于反函数分段校正的线性化电路；
(3)将基于反函数分段校正的线性化电路串联于电涡流位移传感器的输出端，从而对电涡流位移传感器输出信号进行分段线性化补偿，使得电压输出信号与位移输入信号成线性关系。最终输出与被测导体位移在区间[d0,d0 mδd]上成线性关系的直流电压信号。
进一步地，电涡流位移传感器探头包括自粘线圈、非金属传感器骨架、探头保护套、传感器固定套和同轴电缆，其中，电涡流位移传感器探头通过同轴电缆与前置器连接。所述的非金属传感器骨架安装于传感器固定套的内孔中，所述的自粘线圈绕制于非金属传感器骨架露出固定套的一端，非金属传感器骨架露出传感器固定套的部分通过探头保护套包裹，自粘线圈与探头保护套之间以及非金属传感器骨架与传感器固定套之间均采用胶水粘合固定。
进一步地，所述的非金属传感器骨架为轴状且轴向开有通孔，所述的同轴电缆以非金属传感器骨架为轴，同轴电缆一端与自粘线圈连接，另一端从非金属传感器骨架的通孔引出与前置器电气相连。
进一步地，所述的前置器包括高频激励信号发生电路和阻抗变换及检测电路；其中：
所述的高频激励信号发生电路与阻抗变换及检测电路均与电涡流位移传感器探头相连，高频激励信号发生电路用于为电涡流位移传感器探头施加激励电流(频率为1mhz)；阻抗变换及检测电路用于将电涡流位移传感器探头自粘线圈的阻抗信号转换为包含位移信息的电压信号。
进一步地，所述的基于反函数分段校正的线性化电路包括开关驱动信号发生电路、多选一开关电路和反函数多路分段线性拟合电路，其中：
所述的开关驱动信号发生电路根据前置器输出信号的大小产生用于控制多选一开关电路的开关驱动信号；
所述的多选一开关电路根据开关驱动信号将前置器输出信号送至反函数多路分段线性拟合电路的其中一路；
所述的反函数多路分段线性拟合电路利用多个一次函数对非线性的反函数u'＝f-1(u)在线性化处理区间[d0,d0 mδd]分多段进行拟合，每段分别设计线性化电路。配合多选一开关电路将前置器输出信号在相应的线性化电路进行线性化补偿。
本发明的有益效果：本发明的线性化方法基于反函数分段校正理论，设计的线性化电路不包含二极管、三极管这类性能受温度影响较大的非线性元件，同时能修正电涡流位移传感器位移-电压输出特性的线性度，也能将测量范围扩大为原来的m倍(1＜m≤3)。线性化电路成本低，性能稳定，操作简单。
附图说明
图1为本发明电涡流位移传感器整体结构示意图。
图2为本发明电涡流位移传感器探头结构示意图。
图3为本发明基于反函数分段校正的线性化电路的结构示意图。
图4为本发明反函数分段线性拟合示意图。其中图4中的a为未经线性化处理的电涡流位移传感器位移-电压曲线；图4中的b中实线为所述未经线性化处理的电涡流位移传感器位移-电压曲线的反函数，虚线为对所述反函数进行分段拟合的多个一次函数。
图5为本发明反函数多路分段线性拟合电路的基本电路单元。
图6为本发明当分段数n＝4时多选一开关电路的结构示意图。
图7为本发明未经线性化处理的电涡流位移传感器在区间[d0,d0 2δd]的输入-输出特性曲线u＝f(d)。
图8为本发明经线性化处理电涡流位移传感器在区间[d0,d0 2δd]的输入-输出特性曲线u'＝f(d)。
图9为未经线性化处理和经线性化处理的电涡流位移传感器在区间[d0,d0 2δd]输入-输出特性曲线线性误差百分比曲线。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提供了一种基于反函数分段校正的电涡流位移传感器线性化方法，具体步骤如下：
步骤(1)：测量电涡流位移传感器的位移d-电压u的特性曲线u＝f(d)，根据u＝f(d)图象确定位移-电压特性曲线的线性区间起点d0和区间长度δd。设线性化处理区间的起点为位移-电压特性曲线线性区间的起点d0，线性化处理区间的长度为m倍位移-电压特性曲线线性区间的长度mδd，计算位移-电压特性曲线在线性化处理区间[d0,d0 mδd]内的反函数d＝f-1(u)。
步骤(2)：构造基于反函数分段校正的线性化电路，该电路的输入-输出特性为电涡流位移传感器的位移-电压特性曲线u＝f(d)的反函数u'＝f-1(u)，其中u'为线性化后的电压信号。利用多个一次函数对非线性的反函数u'＝f-1(u)在线性化处理区间[d0,d0 mδd]分多段进行拟合，每段分别设计线性化电路。
步骤(3)：将基于反函数分段校正的线性化电路串联于电涡流位移传感器的输出端后，依据u'＝f-1(u)＝f-1(f(d))＝d，基于反函数分段校正的线性化电路的输出信号u'即与位移信号d在区间[d0,d0 mδd]上成线性关系。
如图1所示，本发明还提供了一种利用所述方法的电涡流位移传感器，包括电涡流位移传感器探头、前置器和基于反函数分段校正的线性化电路。
如图2所示，本发明电涡流位移传感器探头由自粘线圈1、探头保护套2、传感器固定套3、非金属传感器骨架4、同轴电缆5构成，自粘线圈1位于非金属传感器骨架4的前端，自粘线圈1用探头保护套2进行保护，并用胶水固定，非金属传感器骨架4安装在传感器固定套3的孔内并用胶水固定，自粘线圈1与同轴电缆5的一端连接而被引出，同轴电缆5的另一端连接与前置器相连。
如图1所示，能够将探头自粘线圈的阻抗信息转化为电压信号的前置器包括高频信号发生电路、阻抗变换及检测电路。探头内的自粘线圈1通过同轴电缆5与前置器中的高频信号发生电路、阻抗变换及检测电路相连。前置器将输入的阻抗信息经过一系列信号处理之后输出与被测距离d在线性区间[d0,d0 δd]内成线性的电压信号u。基于反函数分段校正的线性化电路对前置器输出的电压信号u进行线性化处理后输出在线性化处理区间[d0,d0 mδd]成线性的电压信号u'。1＜m≤3，为便于描述，本实施方式中取m＝2。
如图3所示，本发明基于反函数分段校正的线性化电路结构包括：反函数多路分段线性拟合电路、开关驱动信号发生电路和多选一开关电路。前置器输出的未经线性化的电压信号u输入至反函数多路分段线性拟合电路和开关驱动信号发生电路，反函数多路分段线性拟合电路对前置器电压输出信号u进行线性化处理，开关驱动信号依据前置器电压输出信号u的大小，产生多位二进制开关驱动信号，多选一开关电路根据多位二进制开关驱动信号相应地开通多路通道中的一路通道同时关断其他所有通道。即基于反函数分段校正的线性化电路可依据前置器输出的未经线性化的电压信号u大小自动地选择相应的线性化电路对其进行线性化处理。
如图4所示，本发明反函数多路分段线性拟合电路的原理如下：首先测量未经线性化处理的电涡流位移传感器位移-电压曲线。依据所测曲线，绘制其反函数，并用多段一次函数对反函数进行分段拟合。图4中的a为未经线性化处理的电涡流位移传感器位移-电压曲线；在图4中的b中，可对反函数分n段进行拟合，为便于表述，取分段数n＝4，分段节点依次为(u1,d1)、(u2,d2)、(u3,d3)，每段一次函数的表达式依次为d＝k1u b1、d＝k2u b2、d＝k3u b3、d＝k4u b4。每个分段依次设计输入-输出关系为d＝knu bn(n＝1,2,3,4)的电路，再将这n个电路进行整合，即可构造出输入-输出关系为未经线性化处理的电涡流位移传感器位移-电压曲线反函数的电路。
反函数多路分段线性拟合电路由n个图5所示的反函数多路分段线性拟合电路的基本电路单元构成，每个单元包含2个运放、4个电阻、1个电位计。4个电阻阻值分别为r1n、r2n、r3n、r4n，电位计触头端电压为u0n。其输入-输出特性为：
根据此表达式，对反函数多路分段线性拟合电路中各个分段进行电路的搭建，只需要对每个基本单元中的r1n、r2n、r3n、r4n、u0n选取合适的值，使其满足如下等式即可：
如表1所示，开关驱动信号发生电路的真值表表述了该电路输入-输出的逻辑关系。开关驱动信号发生电路由n-1个比较器电路组建而成，n-1个比较器门限电压分别为u1、u2、…、un-1。
表1
如图6所示，多选一开关电路由多个单刀双掷模拟开关组成，可选取cd405x系列芯片组成多选一开关电路。两者工作过程如下(以n＝4为例)：
真值表中a(u3)表示比较器a的门限电压为u3、b(u3)表示比较器b的门限电压为u2、c(u3)表示比较器c的门限电压为u3。当开关驱动信号abc＝11x时(x＝0或1)，多选一开关电路开通①通道关闭其他通道；当开关驱动信号abc＝01x时，多选一开关电路开通②通道关闭其他通道；当开关驱动信号abc＝x10时，多选一开关电路开通③通道关闭其他通道；当开关驱动信号abc＝x11时，多选一开关电路开通④通道关闭其他通道。
所述基于反函数分段校正的线性化电路的工作过程如下：
当u≤u1时，比较器a、比较器b、比较器c输出分别为0、0、0，此时仅有④通道开通，前置器输出电压u由输入-输出特性为d＝k1u b1的电路进行线性化处理；当u1＜u≤u2时，比较器a、比较器b、比较器c输出分别为0、0、1，此时仅有③通道开通，前置器输出电压u由输入-输出特性为d＝k2u b2的电路进行线性化处理；当u2＜u≤u3时，比较器a、比较器b、比较器c输出分别为0、1、1，此时仅有②通道开通，前置器输出电压u由输入-输出特性为d＝k3u b3的电路进行线性化处理；当u3＜u时，比较器a、比较器b、比较器c输出分别为1、1、1，此时仅有①通道开通，前置器输出电压u由输入-输出特性为d＝k4u b4的电路进行线性化处理。最终由多选一开关电路输出经过线性化处理的电压信号u'。
如图7所示，未经线性化处理的电涡流位移传感器输出电压和测量位移之间的关系在0<d<0.70mm范围内成线性，当d>0.70mm时，不再成线性。经过采用上述基于反函数分段校正的线性化技术，最后得到的电涡流位移传感器输出电压和测量位移之间的关系如图8所示，在0<d<1.40mm范围内，其关系有很好的线性度。两条输出电压和测量位移之间的关系曲线的线性误差百分比如图9所示，其中，考虑到0<d<0.70mm为未经线性化处理的电涡流位移传感器输出电压和测量位移之间的关系的线性区间，故该曲线用一次函数u＝8.17d 0.16拟合；而0<d<1.40mm为经线性化处理的电涡流位移传感器输出电压和测量位移之间的关系的线性区间，故此曲线用一次函数u＝6.57d拟合。拟合误差百分比计算公式为：(真实值-拟合值)/真实值×100％。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
1.一种基于反函数分段校正的电涡流位移传感器线性化方法，其特征在于：具体方法如下：
(1)依据电涡流位移传感器的输入-输出特性，测量电涡流位移传感器的位移-电压的特性曲线，得到需要进行线性化的处理区间的反函数；
(2)构造基于反函数分段校正的线性化电路；该电路利用多个输入-输出特性为线性的电路对非线性的反函数进行分段拟合，得到基于反函数分段校正的线性化电路；
(3)将基于反函数分段校正的线性化电路串联于电涡流位移传感器的输出端，从而对电涡流位移传感器输出信号进行分段线性化补偿，使得电压输出信号与位移输入信号成线性关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于反函数分段校正的电涡流位移传感器线性化方法，其特征在于：步骤(1)具体为：测量电涡流位移传感器的位移d-电压u的特性曲线u＝f(d)，根据u＝f(d)图象确定位移-电压特性曲线的线性区间起点d0和区间长度δd。设线性化处理区间的起点为位移-电压特性曲线线性区间的起点d0，线性化处理区间的长度为m倍位移-电压特性曲线线性区间的长度mδd，计算位移-电压特性曲线在线性化处理区间[d0,d0 mδd]内的反函数d＝f-1(u)。
3.根据权利要求1所述的一种基于反函数分段校正的电涡流位移传感器线性化方法，其特征在于：步骤(2)具体为：构造基于反函数分段校正的线性化电路，该电路的输入-输出特性为电涡流位移传感器的位移-电压特性曲线u＝f(d)的反函数u'＝f-1(u)，其中u'为线性化后的电压信号。利用多个一次函数对非线性的反函数u'＝f-1(u)在线性化处理区间[d0,d0 mδd]分多段进行拟合，每段分别设计线性化电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于反函数分段校正的电涡流位移传感器线性化方法，其特征在于：步骤(3)具体为：将基于反函数分段校正的线性化电路串联于电涡流位移传感器的输出端后，依据u'＝f-1(u)＝f-1(f(d))＝d，基于反函数分段校正的线性化电路的输出信号u'即与位移信号d在区间[d0,d0 mδd]上成线性关系。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述方法的电涡流位移传感器，其特征在于：该装置包括电涡流位移传感器探头、前置器和基于反函数分段校正的线性化电路。
所述的电涡流位移传感器探头与前置器相连，其用于在前置器的高频激励作用下产生高频磁场，通过感应被测导体中电涡流所产生的交变磁场对自身内部线圈的作用，以向前置器输出包含被测导体位移信息的阻抗信号；
所述的前置器用于产生高频激励信号以及对包含被测导体位移信息的阻抗信号进行检波和滤波，还串联有一个加法电路和比例放大电路，最终将阻抗信号转换为包含被测导体位移信息的直流电压信号。
所述的基于反函数分段校正的线性化电路对前置器输出的包含被测导体位移信息的直流电压信号进行线性化处理，具体处理过程如下：
(1)依据电涡流位移传感器的输入-输出特性，测量电涡流位移传感器的位移-电压的特性曲线，得到需要进行线性化的处理区间的反函数；
(2)构造基于反函数分段校正的线性化电路；该电路利用多个输入-输出特性为线性的电路对非线性的反函数进行分段拟合，得到基于反函数分段校正的线性化电路；
(3)将基于反函数分段校正的线性化电路串联于电涡流位移传感器的输出端，从而对电涡流位移传感器输出信号进行分段线性化补偿，使得电压输出信号与位移输入信号成线性关系。最终输出与被测导体位移在区间[d0,d0 mδd]上成线性关系的直流电压信号。
6.根据权利要求5所述的电涡流位移传感器，其特征在于：电涡流位移传感器探头包括自粘线圈、非金属传感器骨架、探头保护套、传感器固定套和同轴电缆，其中，电涡流位移传感器探头通过同轴电缆与前置器连接。所述的非金属传感器骨架安装于传感器固定套的内孔中，所述的自粘线圈绕制于非金属传感器骨架露出固定套的一端，非金属传感器骨架露出传感器固定套的部分通过探头保护套包裹，自粘线圈与探头保护套之间以及非金属传感器骨架与传感器固定套之间均采用胶水粘合固定。
7.根据权利要求6所述的电涡流位移传感器，其特征在于：所述的非金属传感器骨架为轴状且轴向开有通孔，所述的同轴电缆以非金属传感器骨架为轴，同轴电缆一端与自粘线圈连接，另一端从非金属传感器骨架的通孔引出与前置器电气相连。
8.根据权利要求6所述的电涡流位移传感器，其特征在于：所述的前置器包括高频激励信号发生电路和阻抗变换及检测电路；其中：
所述的高频激励信号发生电路与阻抗变换及检测电路均与电涡流位移传感器探头相连，高频激励信号发生电路用于为电涡流位移传感器探头施加激励电流；阻抗变换及检测电路用于将电涡流位移传感器探头自粘线圈的阻抗信号转换为包含位移信息的电压信号。
9.根据权利要求5所述的电涡流位移传感器，其特征在于：所述的基于反函数分段校正的线性化电路包括开关驱动信号发生电路、多选一开关电路和反函数多路分段线性拟合电路，其中：
所述的开关驱动信号发生电路根据前置器输出信号的大小产生用于控制多选一开关电路的开关驱动信号；
所述的多选一开关电路根据开关驱动信号将前置器输出信号送至反函数多路分段线性拟合电路的其中一路；
所述的反函数多路分段线性拟合电路利用多个一次函数对非线性的反函数u'＝f-1(u)在线性化处理区间[d0,d0 mδd]分多段进行拟合，每段分别设计线性化电路。配合多选一开关电路将前置器输出信号在相应的线性化电路进行线性化补偿。
技术总结