差動(dòng)式電感傳感器及前置調(diào)理電路的研究

差動(dòng)式電感傳感器及前置調(diào)理電路的研究

1.小誤差位移傳感器本文開(kāi)發(fā)了一種低動(dòng)態(tài)電壓試驗(yàn)和預(yù)緊理解的小型功率傳感器和調(diào)理電路。介紹了傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理及前置電路組成和工作原理,并對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果表明,在常溫常壓條件下,傳感器及前置電路的測(cè)量系統(tǒng)的綜合誤差小于0.1%。這種位移傳感器響應(yīng)快,靈敏度高,耐用和高性價(jià)比等特點(diǎn),適合于微小位置的測(cè)量場(chǎng)所。位移傳感器主要分霍爾傳感器,光電式傳感器,變磁阻電式,變電容式等幾大類。其中電感式傳感器在機(jī)械加工測(cè)量應(yīng)用較多,這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是,工作中沒(méi)有活動(dòng)的點(diǎn)接觸頭,因而工作壽命長(zhǎng)。電感式傳感器(變磁阻式傳感器)又分三大類,一是差動(dòng)電感式傳感器,適合于微量位移測(cè)量場(chǎng)合,大多應(yīng)用在小于1㎜的測(cè)量范圍,二是差動(dòng)變壓器式傳感器,一般應(yīng)用在測(cè)量范圍較大的場(chǎng)所,三是渦流式傳感器,大多用在非接觸測(cè)量的場(chǎng)合,測(cè)量精度較前二者低,穩(wěn)定性稍差。前二者的優(yōu)點(diǎn)是:分辨率高,線性好,重復(fù)性好,適于精密測(cè)量的要求。2.電感式傳感器的特點(diǎn)由磁感應(yīng)原理可知,線圈中的電感L計(jì)算式為:式中:S為氣隙面積;δ為氣隙厚度;w為線圈匝數(shù);μ0為空氣導(dǎo)磁率;如下圖所示,當(dāng)銜鐵產(chǎn)生位移時(shí),氣隙厚度δ或氣隙面積S產(chǎn)生變化,因而使線圈中的電感L和線路中的電流發(fā)生變化。電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理,它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式(包括可變磁阻式與渦流式)和互感式(差動(dòng)變壓器式)兩種。電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移,壓力,流量,振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化,再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器具有以下特點(diǎn):(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,傳感器無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn),因此工作可靠壽命長(zhǎng)。(2)靈敏度和分辨力高,能測(cè)出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng),電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出。(3)線性度和重復(fù)性都比較好,在一定位移范圍(幾十微米至數(shù)毫米)內(nèi),傳感器非線性誤差可達(dá)0.05%~0.1%。同時(shí),這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制,它在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是,它有頻率響應(yīng)較低,不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)控等缺點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹的是自感式傳感器。由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器,又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的,其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí),就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點(diǎn)是:(1)無(wú)活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長(zhǎng);(2)分辨率高;(3)靈敏度高;(4)線性度高、重復(fù)性好;(5)測(cè)量范圍寬(測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低);(6)無(wú)輸入時(shí)有零位輸出電壓,引起測(cè)量誤差;(7)對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高;(8)不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量(如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等)的測(cè)量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實(shí)際應(yīng)用中,這三種傳感器多制成差動(dòng)式,以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。3.電感傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研制的差動(dòng)式電感傳感器結(jié)構(gòu)及前置電路如下所述,如圖一所示傳感器的結(jié)構(gòu)圖。1、差動(dòng)式壓電傳感器圖二所示,兩只完全對(duì)稱的單電感傳感器合用一個(gè)活動(dòng)銜鐵便構(gòu)成了差動(dòng)式電感傳感器。要求上下兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸完全相同,材料相同,上下兩只線圈的電氣參數(shù)一致。圖二(b)為差動(dòng)式電感傳感器接線原理圖。傳感器的兩只電感線圈接成交流半臂電橋。2、前置電橋的設(shè)計(jì)從圖二可以看出:電感傳感器和R1-R2,D1-D2構(gòu)成交流電橋,由交流基準(zhǔn)電源供電,加到線圈B端。Asinωt,B端電壓在正半波狀態(tài)下。D1,D4導(dǎo)通,導(dǎo)通壓降分別為VD1、VD2,付半波狀態(tài)下;D2,D3導(dǎo)通,導(dǎo)通壓降分別為VD3,VD4,由電工原理推導(dǎo)出正半波時(shí),在起始位置時(shí),銜鐵處于中間位置,兩邊的氣隙相等,兩只電感線圈的電感量相等,電橋的輸出電壓,△Vxy=0,電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)銜鐵偏離中間位置向上或向下移動(dòng)時(shí),造成兩邊氣隙發(fā)生變化,一側(cè)氣隙變大,另一側(cè)氣隙變小,使兩只電感線圈的電量一減一增,電橋失衡。電橋輸出電壓的幅值大小與衡鐵偏移量的大小成比例,其相位與銜鐵的移動(dòng)方向有關(guān)。D1-D4四個(gè)二極管起檢波作用。前置電路由交流基準(zhǔn)電壓源(10krlz左右,幅值5v),相敏檢波。直流放大,二階濾波等幾個(gè)環(huán)節(jié),其流程見(jiàn)圖三:按流程圖三設(shè)計(jì)的用于低速圓度儀的前置電路原理圖,如圖四所示。圖四中,采用2.048M晶振與IC1(CD4060)分頻器組成高精度的振蕩器,振蕩器內(nèi)部經(jīng)分頻后輸出10KHZ的穩(wěn)定方波脈沖信號(hào),經(jīng)IC2(MAX294)二階橢圓濾波器生成低失真的正弦波信號(hào),由IC3(OP07)對(duì)正弦波信號(hào)進(jìn)行功率放大輸出穩(wěn)定幅值和穩(wěn)定頻率的正弦波信號(hào),為電感傳感器提供高穩(wěn)定度的激勵(lì)電源(5V10KHZ),由D1-D4與IC4、IC5、IC6對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行相敏檢波和直流差分放大,最后,由IC7對(duì)脈動(dòng)直流信號(hào)進(jìn)行二階濾波,生成高穩(wěn)的信號(hào),送A/D采集卡轉(zhuǎn)換,供計(jì)算機(jī)采集調(diào)用。5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，5.1圓度標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)玻璃球的測(cè)量數(shù)據(jù)：0.03m采用本系統(tǒng)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)玻璃球數(shù)據(jù)如下圖五所示:與標(biāo)準(zhǔn)玻璃球鑒定數(shù)據(jù)比僅有0.02μm測(cè)量誤差。5.2.橢圓標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)采用本系統(tǒng)測(cè)量橢圓標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)值是11.13