传感器综述及电感式位移传感器分析.docx
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传感器综述及电感式位移传感器分析
传感器综述
测量两类位移:
线位移,物位移
传感器分类：
电涡流式激光式精密
电阻式、电容式、电感式 小位移
变压器式 中位移
电位器式 大位移
电容传感器：
把位移的变化换作电容的变化进行制作的。
适合高频测量。
优点：
它具有灵敏度高、能实现非接触量的测量，而且可以在恶劣场合下工作。
缺点：
输出特性的非线性，对绝缘电阻要求比较高。
对连接线缆有很高的要求，它要有屏蔽性能；而且最好选用高频电源用来供电。
目前状况：
现在做的最好的电容式位移传感器可以测量０.0０1微米的位移，误差非常小。
电感传感器:
将测量量换作线圈自感或互感的变化的传感器。
线位移,角位移都可测。
优点：
灵敏度高；输出信号比较大,因此有利于信号的传输
缺点:
频率响应较低,不宜于高频动态测量。
常用的：
1、变气隙型中电感的变化与传感器中活动衔铁的位移相对应。
2、变面积型是用铁芯与衔铁之间重合面积的变化来反映位移。
３、螺管型是衔铁插入长度的变化导致电感变化的原理。
变压器式传感器:
线圈中感应电动势随着位移的变化而变化。
优点:
灵敏度都很高,有时都不用放大器。
缺点：
在于质量一般比较大,不应用于高频场合。
电涡流式传感器:
基于电涡流效应，它的感应参数是阻抗的变化，尽量使阻抗是位移的函数,它还与被测物体的形状跟尺寸有关。
量程一般在０ 到80毫米。
电阻式传感器：
通过测量变化的电阻值来计算位移的变化。
电位器式：
适合测量位移大、精度要求不高的场合。
应变式:
利用电阻应变效应，它具有线性度跟分辨率都比较高，失真小的优点。
电感式位移传感器分析
一、硬件组成
电感测微仪的硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。
正弦波振荡器
为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压.
正弦波振荡器 输出的信号 加到测量头中。
工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。
当衔铁处于两线圈的中间位置时,两线圈的电感量相等,电桥平衡。
当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少;若上线圈的电感量减少,下线圈的电感量则增加。
交流阻抗相应地变化,电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比,频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。
此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性。
得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号 。
A/D转换器输入到单片机。
经过数据处理进行显示。
误差分析
电感式传感器测位移时，由于线圈中的电流不为零,因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起附加误差，而且非线性误差较大；另外,外界的干扰（如电源电压频率的变化，温度的变化）也会使输出产生误差。
解决方案分析
在实际工作中常采用差动形式,这样既可以提高传感器的灵敏度,又可以减小测量误差。
两个完全相同的单个线圈的电感式传感器共用一个活动衔铁就构成了差动式电感传感器。
采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外,对外界影响,如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以相互抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小,从而减小了测量误差。
零点残余电压也是反映差动变压器式传感器性能的重要指标。
理想情况是在零点时，两个次级线圈感应电压大小相等方向相反，差动输出电压为零实际情况是两组次级线圈的不对称铁心的Ｂ-Ｈ曲线的非线性，以及激励电源存在的高次谐波等因素引起零点处U≠0知。
其数值约为零点几毫伏,有时甚至可达几十毫伏,并且无论怎样调节衔铁的位置均无法消除。
零点残余电压的存在，使传感器的灵敏度降低,分辨率变差和测量误差增大。
克服办法主要是提高次级两绕组的对称性（包括结构和匝数等）,另外输出端用相敏检测和采用电路补偿方法,可以减小零点残余电压影响。
二、基本原理
根据磁路的基本知识,线圈的自感可按下式计算
L=N２/Rm
其中N—线圈的匝数,Rm -磁路总磁阻数,在气隙厚度较小的情况下,可以认为磁场是均匀的,其中L为线圈自感,N为各段 导磁体的磁导率线圈的电感跟气隙厚度、气隙的面积、导磁体的长度等有关。
根据改变空气隙的厚度、空气隙的面积、磁体的长度来实现电感的变化，从而实现测量的作原理，自感式电感传感器可分为气隙型、截面型、螺管型。
气隙型传感器
优点：
灵敏度高，对后续测量电路的放大倍数要求低。
缺点:
非线性严重,为了限制非线性，示值范围只能较小，由于衔铁在运动方向上受铁心的限制,故自由行程小。
截面型
优点：
较好的线性，自由行程较大，制造装配比较方便。
缺点：
灵敏度较低。
螺管型
优点：
结构简单，自由行程可任意安排、制造方便。
缺点:
由于空气隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大。
图为螺管型电感式传感器的结构图。
螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。
线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。
设线圈长度为l、线圈的平均半径为ｒ、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为rａ、铁心的有效磁导率为µm，则线圈的电感量Ｌ与衔铁进入线圈的长度ｌa的关系可表示为
交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。
差动式结构可以提高灵敏度，改善线性,所以交流电桥也多采用双臂工作形式。
通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻,也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。
图二是交流电桥的几种常用形式如图3所示。
电阻平衡臂电桥如图二ａ所示。
Ｚ1、Z2为传感器阻抗。
高;Ｌ1=Ｌ2＝L;则有Z1=Z2=Z=Ｒ′+jwＬ,另有R1=R2=Ｒ。
由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时,Z1=Ｚ+△Z和Z2=Ｚ—△Ｚ,当ZL→∞时，电桥的输出电压为
当ωL>＞R’时,上式可近似为：
由上式可以看出：
交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。
变压器式电桥如图二b所示,它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组,当负载阻抗无穷大时输出电压为：
由于是双臂工作形式当衔铁下移时,Z1=Z-△Ｚ,Z2＝Z+△Z，则有:
同理，当衔铁上移时,则有：
可见,输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化,由于是交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。
三、电感测头的结构
图三是轴向式电感测头的结构图。
测头10用螺钉拧在测杆8上，测杆８可在钢球导轨7上作轴向移动。
测杆上端固定着衔铁３。
线圈4放在圆筒形磁心2中,两线圈差动使用,当衔铁过零点上移时,上线圈电感量增加，下线圈电感量减少。
两线圈输出由引线１接至测量电路。
测量时,测头10 与被测物体接触,当被测物体有微小位移时,测头通过测杆８带动衔铁３ 在电感线圈4中移动,使线圈电感值变化，通过引线接入测量电路。
弹簧5产生的力,保证测头与被测物体有效地接触。
防转销6限制测杆转动，密封套9防止灰尘进入传感器内部。
图４ 电感测头结构图
四、正弦波发生电路的设计
需要一个频率和幅值都稳定的电路,否则会造成测量不稳定及很大的误差。
正弦波作为变压器电桥的桥源,其精度对电桥的输出信号影响极大,对于其幅值和频率的稳定性都有很高的要求。
由于传感器的工作环境通常比较恶劣,窜入电源的随机干扰不可避免,因此在电路设计中应该具有自动补偿环节。
图5正弦波发生电路
传感器频响
由差动电感传感器的幅频特性可知,传感器的频率选在平坦区域偏高点（提高灵敏度）,频率波动将有可能改变传感器的工作点,引起幅值的变化。
传感器的幅颇特性另一方面，电路总体设计要求实现峰一峰采样，即采样频率和模拟信号频率应保持严格的两倍关系,这两个信号频率都由标准振荡电路给出。
正弦电压源分析
任一个信号频率的波动都会导致采不到峰值，带来的测量误差是很大的。
所以对信号源频率的要求特点是单一稳定。
对于频率单一稳定的信号发生,最理想的是石英晶体振荡器，石英的物理特性十分稳定,而且品质因数高，选频特性好,波形失真小，在-20º~60º的范围内其频率的稳定度可以达到10-7。
所以电路采用了由石英晶振和MC14060分频器构成信号源。
石英晶体振荡器产生2.4５76ＭHZ的稳定方波信号，经振荡分频器２7,和28分频（每一振增加脉冲数量,实现分频，从而使结果平滑或者精确）后产生19.208KHZ和9．604ＫHＺ的方波信号分别作为激励信号和采样的触发信号实现峰一峰值采样以及作为进入Ｉ/O作为读取波峰、波谷的参考信号。
幅值补偿
正弦波信号的幅值将直接影响传感器的输出,为保证正弦波信号幅值的稳定性,在电路设计上采用了稳幅电路进行自动补偿。
稳幅电路的基本思路是将输出的变化量取出，补偿到输入端。
当输出增大时，补偿的作用是负反馈，使输入信号被减少，当输出减少时,补偿的作用使输入信号增大,从而保持输出不变。
在实际的测试电路中,主要有直流比较（如图6所示）和交流比较（如图７所示）两种典型电路。
所示直流比较电路中,输出信号经衰减和精密整流之后，与标准直流信号进行比较，误差值经放大后去控制乘法器的放大增益，从而改变放大电路的输入幅度,使输出稳定。
这种电路由于有积分环节,当标准信号与输出有偏差时,通过积分最后消除输出误差，所以直流标准信号与交流输出之间的线性极好,其缺点是对积分放大环节引起的波形失真没有补偿。
所示交流比较电路中，输出的交流信号衰减后与给定的标准交流信号进行比较,误差直接交流放大后与标准交流信号相加减,从而稳定输出。
这种电路线路相对比较简单,由于是交流瞬时值的比较，还可补偿功率放大的波形失真,缺点是:
标准交流信号与交流输出信号之间有静差，因此线性比较差。
为保证正弦波的精度,我们选择直流比较电路来提高波形精度。
五、零点残余电压的调整
零点残余电压
对于变压器电桥，从理论上来说,当Z1＝Z2时,电桥平衡,输出电压为零,但实际制作时要满足两电感线圈的等效参数完全相等是很难达到的,因此,即便是衔铁位于平衡位置时，仍然存在有一定的电压输出，称为零点残余电压。
零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，也对传感器的线性度有一定的影响，给测量带来误差,此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。
所以在对变压器电桥的设计和制作时有必要采用一定的措施。
差动变压器的输出特性曲线如图八所示.图中
E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势,
E2为差动输出电动势x表示衔铁偏离中心位置的距
离。
其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线
部分表示实际的输出特性。
E0为零点残余电动势，
这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位
置等因素所赞成的。
为了减小零点残余电动势可采取以下方法：
1、 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称。
磁性材料要经过处理,消除内部的残余应力,使其性能均匀稳定。
２、 选用合适的测量电路,如采用相敏整流电路。
既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。
3、采用补偿线路减小零点残余电动势。
在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时,可使零点残余电动势减小。
六、交流放大电路
在许多需要A／Ｄ转换和数字采集的单片机系统中，很多情况下,传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大,才能满足Ａ/D转换器对输入信号电平的要求，这种情况下,就必须选择一种符合要求的放大器。
仪表器的选型很多,我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器,其实就是典型的差动放大器。
它只需三个廉价的普通运算放大器和几只电阻器,即可构成性能优越的仪表用放大器。
误差分析
主要由于集成运放的输入偏置电流、失调电流和失调电压以及温漂等参数不为零，电阻器阻值随温度的变化，外部电网电压、温度和负载电流的选择运放和电阻器，合理地进行布线和安装元器件,对运放仔细调零等。
图10 放大电路
七、相敏检波电路
在精密测量中,进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外,还往往有各种噪声。
而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务。
为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋以一定特征，这就是调制的主要功用。
在将测量信号调制，并将它和噪声分离,再经放大等处理后,还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号,这一过程称为解调。
调制
对测量信号赋以一定的特征，使已调信号的频带在以载波信号频率为中心的很窄的范围内,而噪声含有各种频率，即近乎于白噪声。
这时可以利用选频放大器、滤波器等，只让以载波频率为中心的一个很窄的频带内的信号通过，就可以有效地抑制噪声。
采用载波频率作为参考信号进行比较,也可抑制远离参考频率的各种噪声。
图１1是一个采用了带相敏整流的交流电桥。
差动电感式传感器的两个线圈作为交流电桥相邻的两个工作臂,指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。
ﻫ
ﻫ 图11 带相敏整流的交流电桥
设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z２。
当衔铁处于中间位置时，Ｚ1=Ｚ２＝Z，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点地位,电表指示为零。
当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z＋△Z，则下部线圈阻抗减少,Z2＝Z-△Z。
如果输入交流电压为正半周，则A点电位为正,B点电位为负，二极管Ｖ１、V４导通，V２、Ｖ3截止。
在A-E－Ｃ-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-Ｄ-B支中中,Ｄ点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高,所以D点电位高于Ｃ点电位,直流电压表正向偏转。
ﻫ 如果输入交流电压为负半周，A点电位为负,Ｂ点电位为正，二极管Ｖ2、V3导通,V１、V4截止,则在Ａ-Ｆ-C-B支中中,C点电位由于Ｚ2减少而比平衡时降低（平衡时,输入电压若为负半周，即B点电位为正,A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Ｚ2减少时，Ｃ点电位更负）;而在A－Ｅ-D-B支路中,D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位,电压表正向偏转。
同样可以得出结果：
当衔铁下移时,电压表总是反向偏转，输出为负。
ﻫ 可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。
八、A/D转换及显示电路
在测量出信号之后送入单片机时要经过A/D转换。
Ａ/D转换器是测控系统中将模拟信号转换成数字信号的重要器件。
A/Ｄ转换的技术主要有：
计数式A/D转换；逐次逼近型A/D转换;双积分式Ａ/D转换;并行A／D、串/并行A/Ｄ转换及V/Ｆ变换等。
在这些转换中，主要区别是速度、精度和价格。
A/Ｄ转换器的主要技术指标有分辨率、量程、精度、转换时间。
分辨率它是表示转换器对微小输入量变化的敏感程度,通常用转换器输出数字量的位数来表示,目前常用芯片有8位、10位、12位、1４位等。
转换时间是指从发出启动转换命令到转换结束获得整个数字信号为止所需的时间间隔。
我们常用的集成A／D芯片有AＤC08０9，它具有8路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换。
本设计只有一路信号输入，因此地址A、B、C直接接地
图12ＡDC0809引脚图
ＡＤC0809外部引脚示于图12，其引脚功能为:
IN7～IN0:
8路模拟量输入端，在多路开关控制下,任一时刻只能有一路模拟量实现A/D转换。
A、B、C:
多路开关地址选择输入端，当取值０00~1１１时与A／D转换对应的通道为IN0～IN7。
AＬE:
地址锁存输入线,该信号的上升沿可将地址选择信号Ａ、B、C锁入地址寄存器。
SＴART：
启动转换输入线，其上升沿用以清除Ａ/D内部寄存器，其下降沿用以启动内部控制逻辑，开始Ａ/D转换工作。
ＥOＣ：
转换完毕输出线,其上出现高电平时表示A/D转换结束。
2-1～2-8（D7~D0）:
为8位数据输出端,可直接接入微型机的数据总路线。
OE：
允许输出控制端，高电平有效。
低电平时，数据输出端为高阻态；高电平时，将Ａ／Ｄ转换后幕的8位数据送出。
CLＯCＫ:
转换定时脉冲输入端。
它的频率决定了A/D转换器的转换速度。
使用频率小于等于6４0KＨz,对应转换速度大于等于1００us。
Ref（+）,ref（－）（ＶREF（＋）和ＶREＦ（-））:
是内部Ｄ/A转换器的参考电压输入线。
ＶCC为+5V，ＧNＤ为地。
下图为ADC０809与单片机的接口电路ADＣ0809与单片机的接口比较简单,图3.3为ＡDC０809与8０３1的典型接口电路。
图1３中虚线为查询连接方式,当系统主频为6MHｚ时，ALＥ为1MHz，则应将其经过2分频后与ADC０809的CＬＯCK连接。
图13ADC0８09与8051接口电路
ADＣ0８09的启动控制线STAＲＴ和A／D转换结束状态线EOＣ分别接P3.0和Ｐ3.1,采用位控方式工作。
当系统主频为６MＨz时，ALＥ的频率为１ＭＨｚ,则需经过二分频变为５00KHｚ才能向ＡＤC08０９提供CLOＣK信号。
上电后单片机将AＤC０8０9采集的电压经转换处理后送显示电路。
如图14所示。
图14 显示电路
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