專利名稱：渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種自動(dòng)化儀表，尤其是指一種渦流傳感器中使用的抗干 擾移頻窄帶濾波裝置。
背景技術(shù)：
渦流傳感器是五大常規(guī)無損檢測(cè)方法(渦流、超聲、磁粉、射線、滲透) 中對(duì)應(yīng)渦流無損檢測(cè)方法所使用的裝置，也是冶金行業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種檢測(cè) 裝置，主要用于鋼鐵生產(chǎn)線中的位置測(cè)量、缺陷測(cè)量等。
渦流傳感器在片企測(cè)-使用中，具有反應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、并能在高溫狀 態(tài)下正常檢測(cè)，使用時(shí)無需特殊安全防護(hù)、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地使 用在鋼鐵業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)線中，但由于渦流傳感器是與其它大功率電子設(shè)備同時(shí) 使用的，因此易被干擾，從而影響其檢測(cè)精度。例如，在連鑄高溫澆鑄生產(chǎn)中， 使用渦流傳感器測(cè)量鋼水液位，結(jié)晶器鋼水液位的精確測(cè)量檢測(cè)是鋼鐵連鑄生 產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)鋼水液位自動(dòng)控制的關(guān)鍵，也是影響成品鑄坯質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因 素，而在澆鑄時(shí)，為了同時(shí)滿足大生產(chǎn)需要，在結(jié)晶器周圍有各種各樣用途的 大功率電子設(shè)備在同時(shí)使用，如大功率鋼水等離子電加熱設(shè)備、電動(dòng)設(shè)備等， 造成渦流電子傳感器的工作被干擾，從而影響其檢測(cè)鋼水液位的精度，導(dǎo)致整 個(gè)澆鑄過程的控制、工藝與產(chǎn)品質(zhì)量受影響。例，有時(shí)為了生產(chǎn)需要，在使用 渦流傳感器的同時(shí)使用了中間包加熱的等離子設(shè)備，其電子設(shè)備功率高達(dá)2MW， 與渦流傳感器在空間上距離又較近，只要啟動(dòng)該等離子設(shè)備，就會(huì)嚴(yán)重干擾渦 流傳感器的液面測(cè)量，造成液面速度快、波幅大的干擾動(dòng)蕩，鋼水液位自動(dòng)控 制失效，嚴(yán)重影響了此狀態(tài)下的正常澆鑄生產(chǎn)。
圖1所示的是一種目前冶金行業(yè)用來檢測(cè)鋼水液位所釆用的捷克VUHZ公司 生產(chǎn)的渦流傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)的電原理框圖，它包括渦流傳感器(傳感器探頭) 1、前置放大器2和中央計(jì)算單元3。渦流傳感器1和前置放大器2安裝在現(xiàn)場(chǎng)， 中央計(jì)算單元3安裝在控制室。首先中央計(jì)算單元3給出一個(gè)813Hz/10Vrms的交流信號(hào)，經(jīng)過前置放大單元2，帶動(dòng)渦流傳感器的驅(qū)動(dòng)線圈，渦流傳感器1
的^r測(cè)線圈^r測(cè)到鋼7jc位置的變化，產(chǎn)生一個(gè);f艮小的813Hz電壓信號(hào)，由前置 放大器2轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，送中央計(jì)算單元3。中央計(jì)算單元3 根據(jù)信號(hào)的幅值和相位進(jìn)行計(jì)算，得到液位信號(hào)，通過4-20mA信號(hào)送DCS控制 系統(tǒng)，進(jìn)行液位回路自動(dòng)精確控制。中央計(jì)算單元3的輸出信號(hào)送入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 的DCS控制系統(tǒng)4。
如果在檢測(cè)液位的同時(shí)使用等離子裝置進(jìn)行中間包鋼水加熱，等離子的電 弧會(huì)向空中與鋼水中發(fā)散電磁輻射、通過中間包的交變電流會(huì)使周圍的導(dǎo)體上 產(chǎn)生感應(yīng)電壓、泄漏進(jìn)鋼水的電流也會(huì)對(duì)周圍的渦流傳感器產(chǎn)生電》茲感應(yīng)。最 后在渦流液位傳感器上會(huì)產(chǎn)生比較大的干擾。經(jīng)過測(cè)試，等離子干擾信號(hào)經(jīng)過 變換傳輸后在計(jì)算單元的入口處的幅值大約最大為1V卯，頻率從50Hz到 2. 5KHz。干擾的頻率覆蓋了工作信號(hào)的頻率。又經(jīng)過測(cè)試，上述VUHZ渴流傳感 器的信號(hào)敏感范圍從795Hz到835Hz，該頻帶以外的干擾對(duì)結(jié)果沒有影響，頻 帶內(nèi)的信號(hào)有影響，特別是對(duì)813Hz工作頻率附件的干擾影響最大。
對(duì)于這種情況，通常消除干擾的方法是對(duì)信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)化濾波，將工作頻率 以外的干擾信號(hào)過濾掉。由于系統(tǒng)控制過程的實(shí)時(shí)性要求較高，必須有適當(dāng)?shù)?響應(yīng)速度，響應(yīng)時(shí)間大約等于帶寬的倒數(shù)，也就是信號(hào)通過帶寬要適當(dāng)。為此 希望濾波器帶寬限定在工作頻率的大致士lHz范圍內(nèi)，將在該范圍外將干擾信號(hào) 衰減掉。
一個(gè)典型的傳統(tǒng)帶通濾波器的頻率特性如圖2所示(以衰減40dB為例)， 包括低頻截止帶(0 ~ 250Hz)，低頻過渡帶(250Hz ~ 1Mz )，低頻截止頻率 (lKHz ),通帶(lKHz ~ 5KHz )，高頻截止頻率(5KHz ),高頻過渡帶(5KHz ~ 18KHz ), 高頻截止帶(18KHz以上)。為了達(dá)到比較好的效果，過渡帶寬要盡可能窄。對(duì) 于傳統(tǒng)的濾波器，無論有源還是無源，均為線性濾波器，其過渡頻帶的帶寬寬 度與截止頻率的比值為是一個(gè)常數(shù)，該參數(shù)與濾波器的結(jié)構(gòu)、濾波器的階數(shù)有 關(guān)， 一般而言，低階濾波器的過渡頻帶的帶寬(以下簡(jiǎn)稱過渡帶寬)比較寬， 高階濾波器的過渡帶寬比較窄，但是高階受工藝約束，不是無限高階的，因此 傳統(tǒng)濾波器的過渡帶寬是比較寬的。按照-40dB帶寬的要求，低通時(shí)，典型的 濾波器的帶寬大約為截止頻率的2倍-10倍，高通時(shí)，典型的濾波器的帶寬大約為截止頻率的0. 75-0.3倍。對(duì)于抗干擾濾波器而言，中心頻率為813Hz, 過渡帶寬大約為250Hz ~ 1. 6KHz，這樣已經(jīng)大于液面計(jì)信號(hào)的敏感范圍(795Hz~ 835Hz),實(shí)在太寬，無法完成濾波功能。
為了解決過渡帶寬過寬的問題，目前業(yè)內(nèi)也有眾多公開的技術(shù)方案
1. "頻率變換裝置及窄帶濾波器的設(shè)計(jì)方法"(中國(guó)專利CN95195662. 0 ), 提供了一種使用依賴頻率的L- C元件的超窄帶濾波器。使用一個(gè)對(duì)作為頻率 函數(shù)的電感數(shù)值具有正斜率K的頻率依從L- C電路。該方法利用諧振方法獲 得濾波器的窄帶特性，通過元件選擇使帶寬變窄，本質(zhì)上依然是線性濾波，過 渡帶寬依然有一定寬度。
2. "折疊形^:帶線諧振器及其濾波器"(中國(guó)專利CN02156888.X),涉及 折疊形微帶線諧振器及其濾波器，該諧振器由依次平行排列的公共帶、內(nèi)帶和 外帶三根微帶線構(gòu)成，它的過渡帶寬依然比較寬。
3. "釆用頻率變換電感器和丌電容器的窄帶濾波器，，(中國(guó)專利 CN95195662. 0 )，是一種包括多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的帶狀線諧振器組成諧振器陣電路， 不涉及移頻，其過渡帶寬依然比較寬。
上述公開的技術(shù)方案中，由于各有其缺陷，不能真正解決上述渦流傳感器 測(cè)量鋼水液位時(shí)所存在的干擾問題。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為了解決上迷現(xiàn)有技術(shù)中用渦流傳感器測(cè)量鋼水液位 時(shí)所存在的干擾問題，提供一種能夠大幅度地抑制了干擾，工作穩(wěn)定的渦流傳 感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置，所述的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)由渦流 傳感器的信號(hào)輸出端與前置放大器的傳感器信號(hào)輸入端串聯(lián)以及中央計(jì)算單元 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與前置;^文大器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入、出端與渦流傳感器的驅(qū)動(dòng)信 號(hào)輸入端串聯(lián)組成，
此外，
還包括一濾波裝置，濾波裝置串聯(lián)于所迷前置放大器的傳感器信號(hào)輸出端與中央計(jì)算單元的傳感器信號(hào)輸入端之間。
所述的濾波裝置還進(jìn)一步包括以下單元
傳感器信號(hào)輸入單元，其輸入端與上述前置放大器的傳感器信號(hào)輸出端連
接；
基準(zhǔn)頻率輸入單元，其輸入端與所述中央計(jì)算單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端(32 ) 連接；
頻率調(diào)整及濾波單元，其輸入端分別與所述傳感器信號(hào)輸入單元、與所述
基準(zhǔn)頻率輸入單元的輸出端連接；
輸出單元，其輸入端與所述頻率調(diào)整及濾波單元的輸出端連接，其輸出端
連接到中央計(jì)算單元的傳感器信號(hào)輸入端；
控制單元，其輸入端接收用戶的指令，輸出端連接到頻率調(diào)整及濾波單元。 所述傳感器信號(hào)輸入單元進(jìn)一步包括依如下順序連接的電路 將前置放大器的傳感器信號(hào)從電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的輸入匹配電路； 對(duì)信號(hào)中的大幅值低頻信號(hào)和高頻沖擊信號(hào)進(jìn)行濾波，并使信號(hào)幅值處在
工作范圍內(nèi)的輸入預(yù)濾波電路；
對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，提高信號(hào)在處理過程中的信噪比的放大調(diào)整電路；以及 修正信號(hào)在處理過程中的相位變化的相位0 ~ 180°調(diào)整電路。 所述基準(zhǔn)頻率輸入單元還包括依如下順序連接的電路 對(duì)來自中央計(jì)算單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波，消除干擾的輸入濾波電路；
以及
對(duì)輸入濾波電路的輸出信號(hào)進(jìn)行90。相位調(diào)整，構(gòu)成所述兩路互相垂直的 基準(zhǔn)頻率FO、 Fl的相位90"調(diào)整電路。
5 、如權(quán)利要求2所述的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置，其特征在于， 所述頻率調(diào)整及濾波單元還包括
由A相下變頻電路、低通濾波A電路、A相上變頻電路串接以及B相下變 頻電路、低通濾波B電路、B相上變頻電路串接，并該兩個(gè)串接的電路的輸出端 均連接到恢復(fù)有用信號(hào)相位的加權(quán)均衡器。
所述輸出單元由以下電路串聯(lián)組成
輸出濾波電路，將所述頻率調(diào)整及濾波單元輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，消除工作信號(hào)中的直流分量；以及
輸出驅(qū)動(dòng)電路，將電壓信號(hào)變化成為電流信號(hào)輸出。
所述控制單元還包括單片機(jī)控制器和存儲(chǔ)器，單片機(jī)控制器與存儲(chǔ)器雙向 連接，單片機(jī)控制器輸入端接收用戶設(shè)定，輸出端接到頻率調(diào)整及濾波單元的 低通濾波器B、低通濾波器A。
本實(shí)用新型的有益效果
本實(shí)用新型的濾波裝置是一種抗干擾移頻窄帶濾波裝置，可以對(duì)渦流傳感 器的千擾信號(hào)進(jìn)行非常窄帶地濾波，從而將其它傳統(tǒng)濾波器不能消除掉的干擾 信號(hào)過濾掉，同日t保證有用信號(hào)的各種特性不變。從冶金行業(yè)的連鑄現(xiàn)場(chǎng)的實(shí) 際運(yùn)行情況和實(shí)^r數(shù)據(jù)分析，在渦流傳感器中利用本實(shí)用新型所提供的濾波裝 置，可以在等離子大功率加熱的情況下，大幅度地抑制了干擾，可以將渦流傳 感器的原先15隨比較大幅度的干擾降低到5mm的水平，達(dá)到能夠正常使用的水 平。
本實(shí)用新型的移頻窄帶濾波裝置不僅可以用于渦流傳感器，也可以用于其 他需要非常窄帶濾波的場(chǎng)合，包括通信、測(cè)量、控制等。它具有工作穩(wěn)定性高 的特點(diǎn)，能夠滿足工業(yè)測(cè)量的嚴(yán)格要求。
為進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的上述目的、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和效果，以下將結(jié)合附圖 對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖1為傳統(tǒng)的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的電原理框圖； 圖2為傳統(tǒng)帶通濾波器的頻率特性圖； 圖3為直流附近低通濾波器的頻率特性圖； 圖4為本實(shí)用新型的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的電原理框圖之一； 圖5為本實(shí)用新型的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的電原理框圖之二 圖6A、 6B、 6C、 6D為本實(shí)用新型的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置的電子 線3各實(shí)施例圖，其中
圖6A是傳感器信號(hào)輸入單元與頻率調(diào)整及濾波單元的電路原理圖； 圖6B是基準(zhǔn)頻率輸入單元的電路原理圖；圖6C是控制單元的電路原理圖； 圖6D是輸出單元的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置的具體實(shí)施 方式進(jìn)行詳細(xì)說明。
為了解決過渡帶寬過寬的問題，本實(shí)用新型提出一種窄帶濾波裝置，用移 頻技術(shù)，將傳感器信號(hào)的工作頻率轉(zhuǎn)移到直流，以直流作為中間頻率，利用帶 寬與截止頻率的比值相對(duì)固定的特性，在直流處進(jìn)行低通濾波，實(shí)現(xiàn)最窄的過 渡帶寬特性，在設(shè)定截止頻率為lHz處，過渡帶只有約1-2Hz寬。在這個(gè)中間 頻率處，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行最大限度地濾波，然后將中間頻率信號(hào)恢復(fù) 到工作頻率處。
為了保證渦流傳感器的正常工作，必須保證整個(gè)處理過程的頻率、幅值、 相位的足夠穩(wěn)定。本實(shí)用新型利用現(xiàn)有的渦流傳感器的驅(qū)動(dòng)頻率作為基準(zhǔn)頻率， 進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，保證傳感器信號(hào)的頻率不會(huì)變化。在信號(hào)的處理過程中采用線 性電路，以及增益校準(zhǔn)電路，保證傳感器信號(hào)的幅值不變。將傳感器信號(hào)分成 互相垂直的2路，保留了相位信息，復(fù)原時(shí)再進(jìn)行均衡調(diào)整，保證信號(hào)的相位 不變。這樣就可以在過濾掉干擾信號(hào)的同時(shí)保證傳感器正常信號(hào)的信息沒有任 何畸變。
本實(shí)用新型的濾波裝置，放置在渦流傳感器(含前置放大器)與中央計(jì)算 單元(二次儀表)之間，依靠本身非常窄的過渡帶特性，將通過傳感器進(jìn)入系 統(tǒng)的干擾信號(hào)盡可能地過濾掉一些，同時(shí)保持有用信號(hào)的幅值和相位信息不變。
本實(shí)用新型采用模擬電路技術(shù)，沒有數(shù)字技術(shù)的量化噪聲，通過將有用信 號(hào)的頻率移動(dòng)到直流，在濾波裝置過渡特性最窄的狀態(tài)下進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn) 最佳的濾波特性，完成濾波后將有用信號(hào)恢復(fù)到工作頻率，實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)的復(fù) 原
為清楚說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，先說明信號(hào)變換的原理。 如前所述，傳統(tǒng)的濾波器在工作頻率比較高時(shí)，如圖2所示其過渡頻帶比 較寬，如果在低頻或者直流處，如圖3所示，圖3為直流附近低通濾波器的頻率特性圖，濾波器的過渡頻帶就會(huì)比較窄，所以將信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)移到直流，并 且進(jìn)行低通濾波，再轉(zhuǎn)移到原始工作頻率就會(huì)獲得最佳的濾波特性。基本原理
如下
1. 由于任何一個(gè)周期信號(hào)S均滿足如下條件
其中 a" 正弦頻率分量系數(shù)
6" 余弦頻率分量系數(shù) 對(duì)于固定頻率的信號(hào)，只要2個(gè)相位正交的同頻基準(zhǔn)頻率加權(quán)疊加就可以 進(jìn)行復(fù)原。
2. 對(duì)任何有用的一個(gè)分量信號(hào)S-"sin(w)，根據(jù)三角函數(shù)^^式，它同基準(zhǔn) 頻率6^sin(0相乘，有如下特性
=%"*cos(0)-a*cos(2— (2)
高頻分量被過濾掉，只有低頻分量，即
"、=^ (3)
該信號(hào)如果同另外一個(gè)正交的基準(zhǔn)頻率52 wos(M)相乘，那么有
S "2 =會(huì)("* sin( 0) + a * sin( 2W)) (4)
高頻分量^^皮過濾掉，只有低頻分量，即
"^=0 (5)
也就是工作信號(hào)經(jīng)過乘法器的下變頻處理，分量信息被同相位的正交 的基準(zhǔn)頻率通道所保留，對(duì)另外一個(gè)分量沒有影響，兩個(gè)通道之間沒有耦合。
3.對(duì)任何一個(gè)干擾信號(hào)S"^in(叫)，根據(jù)三角函數(shù)公式，它同基準(zhǔn)頻率 S^sin(紐)相乘，有如下特性
S * S=丄(cos(( _- cos(( + 0)0) (6)濾除高頻信號(hào)后有 <formula>formula see original document page 11</formula>(7)
也就是信號(hào)的頻率下移了同樣的頻率數(shù)。
4. 在直流附近進(jìn)行濾波，獲得非常窄的過渡特性；
5. 在恢復(fù)原始信號(hào)的過程中，只要按照公式(2)，將每個(gè)通道的分量a和 b同2個(gè)相位正交的基準(zhǔn)頻率相乘，然后再簡(jiǎn)單相加即可。
本實(shí)用新型是在圖1所示的現(xiàn)有的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中將渦流傳感器 (含前置放大器)的傳感器信號(hào)輸出端與中央計(jì)算單元(二次儀表)的傳感器 信號(hào)輸入端之間的電纜斷開后，在之間以串接方式增加本實(shí)用新型的抗干擾移 頻窄帶濾波裝置，如圖4和圖6A、 6B、 6C、 6D所示，圖4為本實(shí)用新型的渦流 傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的電原理框圖之一；圖5為本實(shí)用新型的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng) 的電原理框圖之二；圖6A、 6B、 6C、 6D為本實(shí)用新型的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的 濾波裝置的電線路實(shí)施例圖。
本實(shí)用新型的濾波裝置是采用模擬電路對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，同時(shí)保證有 用的傳感器信號(hào)不變。
本實(shí)用新型中的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)由渦流傳感器1 (以下簡(jiǎn)稱"傳感器 1")的信號(hào)輸出端11與前置放大器2的傳感器信號(hào)輸入端21串聯(lián)以及中央計(jì) 算單元3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端31與前置放大器2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入、出端24、 22 與傳感器1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端12串聯(lián)組成。
本實(shí)用新型中的濾波裝置100是串聯(lián)于上述前置放大器2的傳感器信號(hào)輸 出端與中央計(jì)算單元3的傳感器信號(hào)輸入端31之間。
上述濾波裝置IOO按功能分為傳感器信號(hào)輸入單元5、基準(zhǔn)頻率輸入單元6、 頻率調(diào)整及濾波單元7、輸出單元8和控制單元9共五個(gè)單元。下面對(duì)該五個(gè) 單元的結(jié)構(gòu)及其功能進(jìn)行詳細(xì)說明。
傳感器信號(hào)輸入單元5:
傳感器信號(hào)輸入單元5的輸入端與上述前置放大器2的傳感器信號(hào)輸出端 23連接，接收經(jīng)前置放大器2放大的傳感器1的信號(hào)并進(jìn)行調(diào)整(將前置放大 器2的傳感器信號(hào)從電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)以及對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放 大、修正相位)。傳感器信號(hào)輸入單元5由輸入匹配電路51、輸入預(yù)濾波電路52、放大調(diào)整電路53以及相位0~ 180°調(diào)整電路54串聯(lián)組成。輸入匹配電路 51將來自前置放大器2的傳感器信號(hào)(電流信號(hào))轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)耦合到裝置 內(nèi)部，由輸入預(yù)濾波電路52對(duì)信號(hào)中的大幅值低頻信號(hào)進(jìn)行濾波，使信號(hào)幅值 處在工作范圍內(nèi)，放大調(diào)整電路53對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，改善處理過程的信噪比， 相位0 ~ 180。調(diào)整電路54用于修正信號(hào)在處理過程中的相位變化。 參見圖6A的傳感器信號(hào)輸入單元5的實(shí)施例
上述輸入匹配電路51由匹配電阻R29和接插件J2組成，由接插件J2傳送 來的前置》i大器2的電流信號(hào)(傳感器信號(hào))通過電阻R29轉(zhuǎn)變成為電壓信號(hào)；
上述輸入預(yù)濾波電路52采用電阻R27、 R28、 R26和電容C14、 C15、 C16、 C17組成，該電路對(duì)來自輸入匹配電路51的信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波，將離工作頻率比 較遠(yuǎn)的干擾信號(hào)預(yù)先過濾掉，特別是將幅值比較大的低頻信號(hào)和高頻沖擊信號(hào) 過濾掉；
上述放大調(diào)整電路53由儀表放大器U9、電阻R34和電位器P2組成，它可 以將來自輸入預(yù)濾波電路52的弱信號(hào)放大到接近10V,從而在進(jìn)行后續(xù)處理時(shí) 保證良好的信噪比；
上述相位0~ 180。調(diào)整電路54由電位器P5、電阻R9、 RIO、 R24,電容C12， 運(yùn)算放大器U2A組成，其中R9、 R10和U2A對(duì)來自放大調(diào)整電路53的信號(hào)進(jìn)行 反相，電容C12和電位器P5進(jìn)行相位選擇，為了提高效果，該相位0~180°調(diào) 整電路54還設(shè)置一個(gè)反相》文大電路R7、 R8和放大器U2B。
基準(zhǔn)頻率輸入單元6:
基準(zhǔn)頻率輸入單元6的輸入端與所述中央計(jì)算單元3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端32 連接，將上述驅(qū)動(dòng)傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為本渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率輸 入到本裝置中?；鶞?zhǔn)頻率是工作信號(hào)進(jìn)行頻率移動(dòng)的標(biāo)尺，傳感器頻率的變化 以它為基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)頻率輸入單元6由輸入濾波電路61與相位90。調(diào)整電路62 串聯(lián)組成。首先，由輸入濾波電路61對(duì)來自中央計(jì)算單元3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(基準(zhǔn) 頻率)進(jìn)行預(yù)濾波，消除干擾；然后由相位90°調(diào)整電路62對(duì)輸入濾波電路61 的輸出信號(hào)進(jìn)行90。相位調(diào)整，構(gòu)成兩路互相垂直的基準(zhǔn)頻率FO、 Fl輸出，互 相垂直的基準(zhǔn)頻率FO、 Fl可以描述相位信息。
參見圖6B的基準(zhǔn)頻率輸入單元6的實(shí)施例上述輸入濾波電^各61由電阻R15、 R32、 R33、 R35、 R36,電容C13、 C22、 C23、 C24、 C25和運(yùn)算放大器U13B、 U13C組成，其中電阻R36接收由接插件J2 輸入的來自中央計(jì)算單元3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(基準(zhǔn)頻率)。U13B和R32、 R33、 C22、 C23組成高通濾波器，U13C和R15、 R35、 R36、 C24、 C25、 C13組成低通濾波器。 該輸入濾波電路61完成了基準(zhǔn)頻率的濾波功能。
上述相《立90。調(diào)整電路62由電位器P7、電阻R13、 R14、 R31,電容C21, 運(yùn)算放大器U13D組成。R13、 R14和U13D對(duì)輸入濾波電路61的輸出信號(hào)進(jìn)行 反相，電容C21和電位器P7進(jìn)行相位選擇。該相位90。調(diào)整電路62把一個(gè)基 準(zhǔn)頻率MainFreqO (以下簡(jiǎn)稱"FO")移相，成為一對(duì)正交的A相和B相基準(zhǔn)頻 率MainFreqO ( FO )和MainFreql (以下簡(jiǎn)稱"F1")，其中設(shè)FO為A相,設(shè)Fl 為B相。
頻率調(diào)整及濾波單元7:
頻率調(diào)整及濾波單元7的輸入端分別與所述傳感器信號(hào)輸入單元5與所述 基準(zhǔn)頻率輸入單元6的輸出端連接，實(shí)現(xiàn)使傳感器信號(hào)輸入單元(5 )輸出的工 作信號(hào)移頻濾波的功能。頻率調(diào)整及濾波單元7如圖4所示，由低通濾波電路 72/75、下變頻電路71/74、上變頻電路73/76串接組成，由于基準(zhǔn)頻率輸入單 元6的輸出端輸出一對(duì)正交的A相和B相基準(zhǔn)頻率，因此如圖5所示，本實(shí)用 新型的頻率調(diào)整及濾波單元7又如圖5所示，由A相下變頻電路71、低通濾波 A電路72、 A相上變頻電路73串接以及B相下變頻電路74、低通濾波B電路 75、 B相上變頻電路76串接，并該兩個(gè)串接的電路的輸出端連接到加權(quán)均衡器 77的電路組成。首先，分別由A相、B相下變頻電路71、 74將工作信號(hào)頻率降 低到直流，該A相、B相下變頻電路71、 74由乘法器組成，基準(zhǔn)頻率分別來自 傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)FO、 Fl，所以與傳感器1的4全測(cè)信號(hào)頻率相同，該A相、B 相下變頻電路71、 74輸出為直流，原信號(hào)的相位和幅值關(guān)系體現(xiàn)在直流信號(hào)中； 然后分別由低通濾波A、 B電路72、 75對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，該低通濾波A、 B電路 72、 75為可編程濾波器，其工作頻率由控制單元8設(shè)定；A相、B相上變頻電 路73、 76分別將低通濾波A、 B電路72、 75濾波后的有用信號(hào)恢復(fù)到原始頻率， 它也是由乘法器構(gòu)成。加權(quán)均衡器77恢復(fù)了有用信號(hào)的相位。
參見圖6A頻率調(diào)整及濾波單元7的實(shí)施例上述A相下變頻電路71由乘法器U6、調(diào)零電位器P3和濾波電容C9組成； B相下變頻電路74由乘法器U5、調(diào)零電位器P6和濾波電容Cll組成。其中P3 和P6進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，乘法器U6和U5分別將傳感器信號(hào)輸入單元5的輸出信號(hào) (工作信號(hào))與A相基準(zhǔn)頻率FO (MainFreqO)、 B相基準(zhǔn)頻率Fl (MainFreql) 相乘，實(shí)現(xiàn)下變頻。
上述低通濾波A電路72由5階可編程濾波器芯片U7、電阻R19、 R23，電 容C5、 C7組成；低通濾波B電路75由5階可編程濾波器芯片U8、電阻R21、 R22,電容C6、 C8組成。來自控制單元8的控制信號(hào)FilterClocki (以下簡(jiǎn)稱 "FC")分別輸出到低通濾波A、 B電路72、 75中，對(duì)該兩電路的截止頻率進(jìn)行 設(shè)定。另夕卜，電阻R25、 R12和電容CIO進(jìn)行驅(qū)動(dòng)頻率的隔直，滿足芯片U8的 輸入要求。
上述A相上變頻電路73由乘法器U4組成；B相上變頻電路76由乘法器U3 組成。乘法器U4和U3分別將將低通濾波A電路72、低通濾波B電路75的輸 出信號(hào)(工作信號(hào))與A相基準(zhǔn)頻率FO( MainFreqO )、B相基準(zhǔn)頻率Fl( MainFreql ) 相乘，實(shí)現(xiàn)上變頻。
上述加^=又均〗軒器77由電阻R17、 R18和電位器P1組成。經(jīng)過A相、B相上 變頻電路73、 76復(fù)原后的2路正交的頻率分量信號(hào)，經(jīng)過該加權(quán)均衡器77復(fù) 原成1路工作信號(hào)，該工作信號(hào)與傳感器輸入信號(hào)的相位相同。
輸出單元8:
輸出單元8的輸入端與所述頻率調(diào)整及濾波單元7的輸出端連接。輸出單 元8由輸出濾波電路81與輸出驅(qū)動(dòng)電路82串聯(lián)組成。首先，由輸出濾波電路 81將所述頻率調(diào)整及濾波單元7的輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，把不必要的干擾 信號(hào)過濾掉；然后，通過輸出驅(qū)動(dòng)電路82將電壓信號(hào)變化成為電流信號(hào)，向中 央計(jì)算單元3的傳感器信號(hào)輸入端31提供工作信號(hào)。該中央計(jì)算單元3的輸出 信號(hào)送入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的DCS控制系統(tǒng)4。
參見圖6D的輸出單元8的實(shí)施例
上述輸出濾波電路81由電阻R16、 R20、電容C3、 C4、電位器P4和運(yùn)算》文 大器U1A組成，其中U1A的輸入電阻R16的另一端連接上述加權(quán)均衡器77的輸 出端，此時(shí)，上述加權(quán)均衡器77等效于濾波電路81中的1個(gè)電阻，該輸出濾波電路81實(shí)現(xiàn)有源濾波，其中的電位器P4可消除輸出信號(hào)中的直流分量。
上述輸出驅(qū)動(dòng)電路82由電阻R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R11電容C1、 C2、 功率三極管Tl、 T2、嵌位二極管T3和運(yùn)算放大器U1B組成。它將電壓信號(hào)進(jìn) 行適當(dāng)濾波，并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。
控制單元9:
控制單元9由單片機(jī)控制器91和存儲(chǔ)器92串接組成。單片機(jī)控制器91通 過串行接口電路與用戶設(shè)定單元10連接，接收用戶的指令，單片機(jī)控制器91 設(shè)定低通濾波A、 B電路72、 75的截止頻率FC;存儲(chǔ)器92是Flash存儲(chǔ)器， 記錄用戶的設(shè)定數(shù)值，待裝置上電啟動(dòng)時(shí)，裝載該數(shù)據(jù)。
參見圖6C的控制單元9的實(shí)施例
上述存儲(chǔ)器92由存儲(chǔ)器U12構(gòu)成， 一般為串行接口的Flash。用于存儲(chǔ)用 戶設(shè)定的濾波裝置截止頻率。
上述單片機(jī)控制器91由電阻R30,電容C18、 C19、 C20、晶振X1、單片機(jī) Ull、接口電路U10組成。單片機(jī)U11為核心芯片，R30和C20構(gòu)成復(fù)位電路， 電容C18、 C19和晶振X1提供了時(shí)鐘信號(hào)，接口芯片U10為RS485接口芯片， 也可以為RS232接口芯片。單片機(jī)l)ll通過接口電路1)10獲得用戶設(shè)定的低通 濾波A、 B電路72、 75截止頻率，并且存放在存儲(chǔ)器92中，并且對(duì)低通濾波A、 B電路72、 75中的濾波器芯片U7、 U8進(jìn)行控制，使它們工作在設(shè)定的截止頻 率處。單片機(jī)控制器91與串行口 93連接。
除了上述電路外，本專利申請(qǐng)的裝置中還包括相應(yīng)的電源電路、旁路電容 等必須的常規(guī)附屬單元，在此不作詳細(xì)描述。
經(jīng)過上述電路的處理，本實(shí)用新型的濾波裝置100成為一種抗干擾移頻窄 帶濾波裝置，可以將原先在渦流傳感器工作頻率處的千狀/f言號(hào)大幅度地過濾掉， 使傳感器的輸出信號(hào)穩(wěn)定，解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。
本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本 實(shí)用新型的目的，而并非用作對(duì)本實(shí)用新型的限定，只要在本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì) 范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本實(shí)用新型的權(quán)利要求的范 圍內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置，所述的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)由渦流傳感器(1)的信號(hào)輸出端(11)與前置放大器(2)的傳感器信號(hào)輸入端(21)串聯(lián)以及中央計(jì)算單元(3)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端(32)與前置放大器(2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入、出端(24、22)與渦流傳感器(1)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端(12)串聯(lián)組成，其特征在于，還包括一濾波裝置(100)，濾波裝置(100)串聯(lián)于所述前置放大器(2)的傳感器信號(hào)輸出端(23)與中央計(jì)算單元(3)的傳感器信號(hào)輸入端(31)之間。
2、 如權(quán)利1所述的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置， 其特征在于，所述的濾波裝置還進(jìn)一步包括以下單元傳感器信號(hào)，lr入單元(5),其輸入端與上述前置放大器(2)的傳感器信號(hào) 輸出端(23)連接；基準(zhǔn)頻率輸入單元(6 ),其輸入端與所述中央計(jì)算單元(3 )的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸 出端(32)連接；頻率調(diào)整及濾波單元(7 ),其輸入端分別與所述傳感器信號(hào)輸入單元(5 )、 與所述基準(zhǔn)頻率輸入單元(6)的輸出端連接；輸出單元(8),其輸入端與所述頻率調(diào)整及濾波單元(7)的輸出端連接， 其輸出端連接到中央計(jì)算單元(3)的傳感器信號(hào)輸入端(31);控制單元(9)，其輸入端接收用戶的指令，輸出端連接到頻率調(diào)整及濾波 單元(7 )。
3、 如權(quán)利要求2所述的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置，其特征在于， 所述傳感器信號(hào)輸入單元(5)進(jìn)一步包括依如下順序連接的電路 將前置放大器(2 )的傳感器信號(hào)從電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的輸入匹配電路(51);對(duì)信號(hào)中的大幅值低頻信號(hào)和高頻沖擊信號(hào)進(jìn)行濾波，并使信號(hào)幅值處在工作范圍內(nèi)的輸入預(yù)濾波電路(52 );對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，提高信號(hào)在處理過程中的信噪比的放大調(diào)整電路(53);以及修正信號(hào)在處理過程中的相位變化的相位0 ~ 180°調(diào)整電路(54 )。
4、如權(quán)利要求2所述的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置，其特征在于， 所述基準(zhǔn)頻率輸入單元(6)還包括依如下順序連接的電路 對(duì)來自中央計(jì)算單元(3 )的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波，消除干擾的輸入濾波電 路(61 );以及對(duì)輸入濾波電路(61)的輸出信號(hào)進(jìn)行90。相位調(diào)整，構(gòu)成所述兩路互相 垂直的基準(zhǔn)頻率FO、 Fl的相位90°調(diào)整電路(62 )。
5 、如權(quán)利要求2所述的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置，其特征在于， 所述頻率調(diào)整及濾波單元(7)還包括由A相下變頻電路(71 )、低通濾波A電路(72 )、 A相上變頻電路(73 ) 串接以及B相下變頻電路(74)、低通濾波B電路(75)、 B相上變頻電路(76) 串接，并該兩個(gè)串接的電路的輸出端均連接到恢復(fù)有用信號(hào)相位的加權(quán)均衡器 (77)。
6、如權(quán)利要求2所述的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置，其特征在于， 所述輸出單元(8)由以下電路串聯(lián)組成輸出濾波電路(81)，將所述頻率調(diào)整及濾波單元(7)輸出的電壓信號(hào)進(jìn) 行濾波，消除工作信號(hào)中的直流分量；以及輸出驅(qū)動(dòng)電路(82)，將電壓信號(hào)變化成為電流信號(hào)輸出。
7 、如權(quán)利要求2所述的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置，其特征在于 所述控制單元(9)還包括單片機(jī)控制器(91)和存儲(chǔ)器(92)，單片機(jī)控 制器(91)與存儲(chǔ)器(92)雙向連接，單片機(jī)控制器(91)輸入端接收用戶設(shè) 定，輸出端接到頻率調(diào)整及濾波單元(7 )的低通濾波器B ( 75 )、低通濾波器A (72)。
專利摘要一種渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的濾波裝置，為了解決過渡帶寬過寬的問題，本實(shí)用新型提出一種窄帶濾波裝置，該濾波裝置是串聯(lián)于傳統(tǒng)的渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的前置放大器的傳感器信號(hào)輸出端與中央計(jì)算單元的傳感器信號(hào)輸入端之間，包括傳感器信號(hào)輸入單元；基準(zhǔn)頻率輸入單元；頻率調(diào)整及濾波單元；輸出單元；控制單元。本實(shí)用新型的濾波裝置可以對(duì)渦流傳感器的干擾信號(hào)進(jìn)行非常窄帶地濾波，從而將其它傳統(tǒng)濾波器不能消除掉的干擾信號(hào)過濾掉，同時(shí)保證有用信號(hào)的各種特性不變。本實(shí)用新型的濾波裝置工作穩(wěn)定性高，適用于冶金行業(yè)的連鑄現(xiàn)場(chǎng)以及其他需要非常窄帶濾波的場(chǎng)合，包括通信、測(cè)量、控制領(lǐng)域等。
文檔編號(hào)G01F23/22GK201229197SQ200820060039
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者俞曉光, 勇 夏, 方志宏, 朱克強(qiáng) 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司