KC04030107m06学习辅导电感式位移传感器.docx

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电感式位移传感器

电感式位移传感器的基本原理

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。

气隙型传感器灵敏度高，对后续测量电路的放大倍数要求低，它的缺点是非线性严重，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。

截面型具有较好的线性，自由行程较大，制造装配比较方便，但灵敏度较低。

螺管型则结构简单，制造装配容易:

由于空气隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大;此外，螺管型还具有自由行程可任意安排、制造方便等优点，在批量生产中的互换性较好，这给测量仪器的装配、调试、使用带来很大的方便，尤其在使用多个测微仪组合测量形状的时候。

因为螺管型的这些优点，所以我们采用螺管型差动式电感测头。

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。

前面已提到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

3.3电感测头的结构

图三是轴向式电感测头的结构图。

测头10用螺钉宁在测杆8上，测杆8可在钢球导轨7上作轴向运动。

测杆上端固定在衔铁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，侧头带动测杆8带动衔铁3在电感圈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

3.4正弦波发生电路的设计

我设计及测试系统时，很多时候需要正弦波信号。

在电感式位移传感测量电路中，我需要一个频率和幅值都稳定的电路，否则会造成测量部稳定及很大的误差。

正弦波作为变压器的桥源，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。

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。

而图2.16传感器的幅频特性另一面，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。

显然，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，最理想的事石英晶体振荡器，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

的范围内气频率的稳定度可以达到

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2.4567MHZ的稳定方波信号和采样的触发信号实现峰-----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。

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，补偿的作用使输出信号增大，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。

在图5所示的直流比较电路中，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值，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。

在图六所示的交流比较电路中，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。

3.5零点残余电压的调整

对于变压器电桥，从理论来说，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，任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表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。

即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。

3.6交流放大电容

在许多需要A/D转换盒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专函其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。

它只需要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。

交流放大电路的误差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。

3.7相敏检波电路

在精密测量中，进行测量电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪音。

而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从耗油噪音的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务。

为了便于区别信号和噪声，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放映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。

通过调制，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。

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。

如果输入交流电压为正半周，则A点电位为正，B点为负，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。

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。

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。

3.8A/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；并进行A/D、串/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变率、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

ADC0809外部引脚示于图12，其引脚功能为：

IN7̶IN0:

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。

~

（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（-）（

（+）和

（-））：

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分频后于ADC0809的CLOCK连接。

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。