電子積分器積分漂移抑制措施分析

顏 鵬 賈健明 王 迅

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164)

電子積分器積分漂移抑制措施分析

顏 鵬 賈健明 王 迅

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164)

電子積分器常用于弱磁通檢測(cè)，分析了電子積分器積分漂移的原因，提出綜合解決措施，并給出了軟件補(bǔ)償算法。通過(guò)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)證明，改進(jìn)了積分器精度，達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的微磁通測(cè)量精度要求。

電子積分器;積分漂移;磁通;補(bǔ)償;運(yùn)算放大器

0 引言

弱磁性材料的靜態(tài)磁滯回線測(cè)量多采用線圈測(cè)量法進(jìn)行，所謂線圈測(cè)量法，是指將變化的磁場(chǎng)在線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，然后采用電子積分器進(jìn)行對(duì)其進(jìn)行積分，就可得到與磁場(chǎng)變化量成正比的輸出信號(hào)，從而推算出被測(cè)樣品的磁特性。電子積分器的工作原理如下，當(dāng)線圈的匝數(shù)N和截面積S一致時(shí)變化的磁場(chǎng)B引起磁通量Φ的變化，從而進(jìn)一步在積分器的感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)e1

由于感生電動(dòng)勢(shì)過(guò)于微弱，所以采用放大器對(duì)其進(jìn)行放大K倍，放大后的信號(hào)采用積分電路(見(jiàn)圖1)對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行積分，在0-T1時(shí)間段內(nèi):

將(1)式代入(2)式內(nèi)，可以得出積分電路輸出的電壓e2與磁通變化量ΔΦ成正比:

式中ΔΦ是指在0-T1時(shí)間內(nèi)線圈磁通變化量;只要確定RC，就可以通過(guò)輸出電壓e2計(jì)算出磁通變化量。［1］

1 干擾產(chǎn)生原因

電子積分器的干擾主要來(lái)自積分漂移，積分漂移是指積分器在零輸入情況下，積分電容上會(huì)累計(jì)電荷，從而導(dǎo)致輸出從0一直到飽和，之所以產(chǎn)生積分漂移，主要來(lái)自運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓Vos。

圖1 積分電路圖

2 抗干擾措施

1)采用輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流都很小的集成運(yùn)算放大器。ICL7650斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器是INTERSIL公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度功放，有輸入偏置小，失調(diào)小，高增益，共模抑制能力強(qiáng)，響應(yīng)快，漂移低，性能穩(wěn)定和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。其中失調(diào)電壓為 INV＜5 μV，而偏置電流僅為60 pA，滿足積分器的設(shè)計(jì)要求。［3］

2)積分電容兩端并聯(lián)合適電阻。根據(jù)所測(cè)量的磁通量變化類型、特性等，在積分電容兩側(cè)合理并聯(lián)電阻值(見(jiàn)圖1)，降低系統(tǒng)靈敏度，增加抗干擾性。如果不加電阻值，整個(gè)電路相對(duì)于直流信號(hào)而言是開(kāi)路，這樣任何很小失調(diào)電壓，結(jié)果輸出很大，最終便會(huì)導(dǎo)致電容飽和，直至輸出飽和。［4］加入負(fù)反饋電阻進(jìn)行鉗位是理想的抗干擾措施，但是這樣會(huì)導(dǎo)致原有的單純積分電路數(shù)學(xué)模型發(fā)生變化，輸出電壓Vo與變化的磁通之間不再是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。忽略掉失調(diào)電壓和偏置電流所引起的誤差，可以得出以下公式:

RF是并聯(lián)在電容兩側(cè)的電阻，解微分方程。得出:

C1是積分常數(shù)。輸出電壓與輸入電壓之間不再簡(jiǎn)單積分關(guān)系，也就是與變化的磁通ΔΦ之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，傳統(tǒng)積分器對(duì)此采取的辦法是忽略，對(duì)于變化緩慢的磁通，忽略后導(dǎo)致偏差較大。［5］如果要精確測(cè)量變化磁通，可以采用軟件補(bǔ)償?shù)霓k法，對(duì)式(6)兩邊積分，積分時(shí)間從0到T1:

K2是積分常數(shù)，由于輸入電壓與變化磁通之間存在以下關(guān)系:

將式(9)代入式(8)

進(jìn)一步積分，得出

式中K3是積分常數(shù)，ΔΦ可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)Vo進(jìn)行積分以及與CVo之和獲得。

3 應(yīng)用案例

DWY-1型鋼鐵材料磁特性檢測(cè)裝置是常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院研制的新型鋼鐵件材料磁特性檢測(cè)裝置，在本裝置中利用電子積分器測(cè)量電磁軛中弱磁通量的變化，磁通量變化后在測(cè)量線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，感生電動(dòng)勢(shì)變化經(jīng)過(guò)放大后經(jīng)過(guò)積分電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng);在本系統(tǒng)中，首先采用ICL7650斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器作為前級(jí)放大，有效降低了輸入失調(diào)電壓和偏置電流。［6］經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和計(jì)算，在積分電容兩端并聯(lián)1兆歐電阻，提高其抗干擾性。對(duì)于并聯(lián)電阻后引起的誤差，采用軟件補(bǔ)償?shù)霓k法消除。積分算法采用常見(jiàn)的梯形算法，算法核心是將積分函數(shù)橫坐標(biāo)區(qū)分成若干相等的步長(zhǎng)，取步長(zhǎng)兩端坐標(biāo)函數(shù)值，以直線代替函數(shù)曲線，將這些梯形面積累加，代替函數(shù)積分值，詳細(xì)圖形見(jiàn)圖2。定時(shí)器每次中斷后，由中斷程序完成積分計(jì)算工作，Jifen代表積分值，單片機(jī)主程序和中斷程序見(jiàn)圖3、圖4。在程序中，步長(zhǎng)設(shè)置為定時(shí)器定時(shí)時(shí)間值。

圖2 積分算法圖

圖3 單片機(jī)積分計(jì)算主程序流程圖

圖4 單片機(jī)定時(shí)器中斷服務(wù)程序

4 結(jié)論

采取以上措施后，采用伏秒標(biāo)定法對(duì)積分器進(jìn)行標(biāo)定，［1］所謂伏秒標(biāo)定，就是在積分器輸入端輸入一組標(biāo)準(zhǔn)電壓模擬磁通輸入，然后對(duì)比積分器輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓值，得出積分器精度。從量綱上講，由于1 VS(伏秒)=108Mx(麥可思偉)= 1 Wb(韋伯)，所以采用“伏秒”直接轉(zhuǎn)換成磁通量，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量的精密測(cè)量。在標(biāo)定環(huán)境25度，積分器加電12分鐘后，標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1。

表1 新舊標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比表

根據(jù)多次標(biāo)定，結(jié)果表明，測(cè)量系統(tǒng)精度大于1%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3567-1983規(guī)定的磁通測(cè)量誤差小于2%的要求，相對(duì)改進(jìn)前提高7倍以上。

［1］ 王濤，等.數(shù)字積分器在電子式電流互感器中的作用［J］.電氣應(yīng)用，2006(5):21-23.

［2］ 柴書(shū)罡，等.電子積分器在微磁通測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電測(cè)與儀表，2008(1):37-39.

［3］ 李向陽(yáng)，等.一種高精度低飄逸電子積分器的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2007(6):67-69.

［4］ 盧容德，熊俊俏.談?wù)劮e分電路的分析方法［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，1998(4):22-25.

［5］ 徐順利.一種新的無(wú)漂移磁通測(cè)量方法［J］.南京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001(5):56-58.

［6］ 王志斌，姜衛(wèi).一種多功能數(shù)字式磁通計(jì)［J］.華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1995(4):72-74.

Analysis of Measures Used to Restrain Integration Drift in Electronic Integrator

YAN Peng JIA Jian-ming WANG Xun
(Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China)

Electronic integrator is used to measure micro-power magnetic flux，This article analyzes the reasons of integration drift in electronic integrator，provides some solutions and gives soft compensation.The actual measure data proves that the measurement accuracy of the electronic integrator has been enhanced to reach to the national standard of magnetic flux measurement accuracy.

electronic integrator;integration drift;magnetic flux;compensation;operational amplifier

TM 936

A

1672-2434(2011)06-0025-03

2011-05-13

顏 鵬(1979-)，男，工程師、講師，從事研究方向:電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)