Синхронный детектор для мостового вихретокового преобразователя

В работах [1,2,3] рассматриваются характеристики, свойстваи особенности мостовых вихретоковых преобразователей. Ранее, в работе [4] рассматривалась схема лабораторной установки для исследования частотных свойств мостового ВТП. В этой установке, в качестве детектора выходного напряжения ВТП, использовался дифференциальный амплитудный детектор [5,6].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Наиболее простая реализация амплитудного детектора была представлена в [3], схема первого варианта детектора представлена на рис. 1.

На рис. 1, на компонентах L1-L4 собран мостовой ВПТ, причем катушки L1 и L4 индуктивно связанны, и на них воздействует объект контроля (ОК) на расстоянии ∆l . Катушки L2и L3 индуктивно связаны, и не взаимодействуют с ОК и являются опорными для мостовой схемы. Сигнал с выхода ВТП поступает на два амплитудных диодных детектора, построенных по классической схеме, работающих на общую нагрузку R2 и C1. Для устранения явления смещения нуля, вызванного не идентичностью характеристик катушек моста и диодов, используется резистор R1.

При кажущейся простоте схемотехническое решение, представленное на рисунке 1, обладает таким недостатком, как чувствительность

Ворох Дмитрий Александрович, аспирант.

схемы к изменению температуры окружающей среды. Особенно сильно это эффект проявляется при «установке нуля» резисторомR1, что приводит к разбалансу плеч детектора.

В ходе проведения экспериментального исследования было установлено, что при установке диодов с идентичными характеристиками (VD1, VD2) и их работе на аналогичную нагрузку(выбрано центральное положение движка R1), чувствительность схемы к изменению температуры окружающей среды резко снижается. В результате чего, была предложена схема, изображенная на рисунке 2. В этой схеме применены резисторы R1’, с допуском 1%, и диодная матрица VD1 (содержащая идентичные диоды VD1.1 иVD1.2).

После проведения экспериментального исследования были получены следующие значения температурной нестабильности схемы детектора, отраженные в выводах.

Выводы:

• 1)    При реализации дифференциального амплитудного детектора по схеме предложенной на рисунке 1, следует ожидать температурной нестабильности не менее 2мв/С^о, при установке движка переменного резистора в пределах ±5%среднего положения.

• 2)    При реализации дифференциального амплитудного детектора по схеме предложенной на рисунке 2, следует ожидать температурной нестабильности порядка 0,09мв/С^о.

• 3)    Одной из особенностей дифференциального амплитудного детектора, является неполное использование выходного напряжения получаемого с ВТП.

Для устранения неполного использования выходного напряжения ВТП- третьего недостатка дифференциального амплитудного де-

Рис. 1. Схемотехническая реализация дифференциального амплитудного детектора, вар. 1

Рис. 2. Схемотехническая реализация дифференциального амплитудного детектора, вар. 2

тектора, предлагается использовать принцип синхронного детектирования. Схема ключевого (синхронного) детектора представлена на рисунке 3. Здесь на компонентах L1-L4 собран мостовой ВТП, аналогичный описанному выше. Генератор G1 вырабатывает прямоугольные импульсы заданной частоты, на двух противофазных выходах. Далее сигнал с прямого выхода генератора поступает на мостовой ВТП. Под действием объекта контроля происходит разбалансировка моста, и между выходными диагональными клеммами моста возникает разность напряжений. Сигнал с выхода ВТП поступает на 4 ключа, которые соединены в определённом порядке (см. рис. 3)и управляются автоматически от генератора G1.

Далее сигнал поступает на два фильтра низких частот Z1 и Z2. После выделения сочетаний полуволн и их фильтрации в фильтрах низкой частоты Z1 и Z2 сигнал поступает на вычитающее устройство. Так же на вычитающее устройство поступает напряжение Uсм, которое необходимо для устранения явления смещения нуля, вызванного неидентичностью характеристик катушек моста и другими эффектами. С выхода вычитающего устройства сигнал поступает на компоненты R2 и C1, которые предназначены для дополнительной фильтрации выходного сигнала. На рисунке 4 представлены диаграммы, поясняющие принципы работы ключевого детектора. В качестве одного из недостатков предлагаемого синхронного детектора, можно выделить зависимость выходного напряжения одновременно от фазировки и амплитудных значений информационного сигнала.

Возможным способом устранения указанного недостатка синхронного детектора, является его совместное использование с фазовым детектором, изображенным на рис. 5. Фазовый детектор построен по классической схеме, и измеряет разность фаз напряжений между плечами моста. Компараторы D1 и D2 преобразуют синусоидальное напряжение в прямоугольный сигнал. После преобразования прямоугольные сигналы с двух плеч моста поступают на элемент «исключающее ИЛИ» D3, который сравнивает сигналы без учета знака. Результат сравнения поступает

Рис. 4. Временные диаграммы, поясняющие принципы работы ключевого детектора на ФНЧ Z1, где преобразуется в постоянное напряжение.

Следует отметить, что схемотехнически фазовый детектор реализуется добавлением одной микросхемы типа 74LV86, к существующей схеме синхронного детектора.

ВЫВОДЫ

К достоинствам предложенной схемы следует отнести:

• 1)    Полное использование амплитуды выходного сигнала ВТП;

• 2)    Возможность линейного детектирования сигнала при малых амплитудах информационного сигнала;

• 3)    Возможность перестройки (сканирования) в широких приделах частоты генератора G1, без изменений в схеме ключевого детектора.

• 4)    Раздельное измерение фазировки и амплитудных значений информационного сигнала.

К недостаткам можно отнести: более сложную схемотехническую реализацию детектора.

В качестве дальнейшего развития предложенного способа детектирования сигналов мостовых ВТП, можно предложить использование в схеме переключаемых конденсаторов, что позволит объединить функции блоков Z1,Z2 и SM1 в одном устройстве.