KC04030107-m06學(xué)習(xí)輔導(dǎo)-電感式位移傳感器

1、電感式位移傳感器電感式位移傳感器的基本原理 根據(jù)磁路的基本知識(shí)，線圈的自感可按下式計(jì)算 L=N2/Rm 其中N 線圈的匝數(shù) ,Rm - 磁路總磁阻數(shù),在氣隙厚度較小的情況下，可以認(rèn)為磁場是均勻的，其中L為線圈自感，N為各 段 導(dǎo) 磁體的磁導(dǎo)率線圈的電感跟氣隙厚度、氣隙的面積、導(dǎo)磁體的長度等有關(guān)。根據(jù)改變空氣隙的厚度、空氣隙的面積、磁體的長度來實(shí)現(xiàn)電感的變化，從而實(shí)現(xiàn)測量的作原理，自感式電感傳感器可分為氣隙型、截面型、螺管型。 氣隙型傳感器靈敏度高，對(duì)后續(xù)測量電路的放大倍數(shù)要求低，它的缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重，為了限制非線性，示值范圍只能較小，由于銜鐵在運(yùn)動(dòng)方向上受鐵心的限制，故自由行程小。截面型具有較

2、好的線性，自由行程較大，制造裝配比較方便，但靈敏度較低。螺管型則結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易:由于空氣隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大;此外，螺管型還具有自由行程可任意安排、制造方便等優(yōu)點(diǎn)，在批量生產(chǎn)中的互換性較好，這給測量儀器的裝配、調(diào)試、使用帶來很大的方便，尤其在使用多個(gè)測微儀組合測量形狀的時(shí)候。因?yàn)槁莨苄偷倪@些優(yōu)點(diǎn)，所以我們采用螺管型差動(dòng)式電感測頭。 圖為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對(duì)象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。 設(shè)線圈長度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為N、銜鐵進(jìn)入線

3、圈的長度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導(dǎo)率為m，則線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長度la的關(guān)系可表示為 交流電橋是電感式傳感器的主要測量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。 前面已提到差動(dòng)式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。通常將傳感器作為電橋的兩個(gè)工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次側(cè)繞組或緊耦合電感線圈。圖二是交流電橋的幾種常用形式如圖3所示。 電阻平衡臂電橋如圖二a所示。Z1、Z2為傳感器阻抗。高;L1=L2=L;則有Z1=Z2=Z=R+jwL,另有R1=R2=R。由于電橋工作臂是差動(dòng)形式，則在工作時(shí)，Z1

4、=Z+Z和Z2=ZZ，當(dāng)ZL時(shí)，電橋的輸出電壓為 3.3電感測頭的結(jié)構(gòu) 圖三是軸向式電感測頭的結(jié)構(gòu)圖。測頭10用螺釘寧在測桿8上，測桿8可在鋼球?qū)к?上作軸向運(yùn)動(dòng)。測桿上端固定在銜鐵3.線圈4放在圓筒形磁心2中，兩線圈差動(dòng)使用，當(dāng)銜鐵過零點(diǎn)上移時(shí)，上線圈電感增加，下線圈電感量減少，兩線圈輸出由引線1接至測量電路。測量時(shí)，測頭10與被測物體接觸，當(dāng)被測物體有微小位移時(shí)，側(cè)頭帶動(dòng)測桿8帶動(dòng)銜鐵3 在電感圈4中移動(dòng)，使線圈電感值變化，通過引線接入測量電路。彈簧5 產(chǎn)生的力，保證測頭與被測物體有效地接觸。防轉(zhuǎn)銷6限制測桿轉(zhuǎn)動(dòng)，密封套9防止灰塵進(jìn)入傳感器內(nèi)部。圖4電感測頭結(jié)構(gòu)圖3.4正弦波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

5、我設(shè)計(jì)及測試系統(tǒng)時(shí)，很多時(shí)候需要正弦波信號(hào)。在電感式位移傳感測量電路中，我需要一個(gè)頻率和幅值都穩(wěn)定的電路，否則會(huì)造成測量部穩(wěn)定及很大的誤差。正弦波作為變壓器的橋源，其精度對(duì)電橋的輸出信號(hào)影響極大，對(duì)于其幅值和頻率的穩(wěn)定性都有很高的要求。由于傳感器的工作環(huán)境通常比較惡劣，竄入電源的隨機(jī)干擾不可避免，因此在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該具有自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。由差動(dòng)電感傳感器的幅頻特性可知，傳感器的頻率選在平坦區(qū)域偏高點(diǎn)（提高靈敏度），頻率波動(dòng)將有可能改變傳感器的工作點(diǎn)，引起幅值的變化。而圖2.16傳感器的幅頻特性另一面，電路總體設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)峰一峰采樣，即采樣頻率和模擬信號(hào)頻率應(yīng)保持嚴(yán)格的兩倍關(guān)系，這兩個(gè)信號(hào)頻率都由標(biāo)

6、準(zhǔn)振蕩電路給出。顯然，任一個(gè)信號(hào)頻率的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致采不到峰值，帶來的測量誤差是很大的，所以對(duì)信號(hào)源頻率的要求特點(diǎn)是單一穩(wěn)定。對(duì)于頻率單一穩(wěn)定的信號(hào)發(fā)生，最理想的事石英晶體振蕩器，石英的物理特性十分穩(wěn)定，而且品質(zhì)因數(shù)高，選頻特性好，波形失真小，在的范圍內(nèi)氣頻率的穩(wěn)定度可以達(dá)到所以電路采用了由石英晶振和MC14060分頻器構(gòu)成信號(hào)源，石英晶體振蕩器產(chǎn)生2.4567MHZ的穩(wěn)定方波信號(hào)和采樣的觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)峰-峰值采樣以及作為進(jìn)入I/O作為讀取波峰、波谷的參考信號(hào)。正弦波信號(hào)的幅值將直接影響傳感器的輸出，為保證正弦波信號(hào)幅值的穩(wěn)定性，在電路設(shè)計(jì)上采用了穩(wěn)幅電路進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。穩(wěn)幅電路的基本思路是將輸出的

7、變化量取出，補(bǔ)償?shù)捷斎攵?。?dāng)輸出增大時(shí)，補(bǔ)償?shù)淖饔檬秦?fù)反饋，使輸入信號(hào)被減少，當(dāng)輸出減少時(shí)，補(bǔ)償?shù)淖饔檬馆敵鲂盘?hào)增大，從而保持輸出不變。在實(shí)際的測試電路中，主要有直流比較（如圖6所示）和交流比較（如圖7所示）兩種典型電路。在圖5所示的直流比較電路中，輸出信號(hào)經(jīng)衰減和精密整流之后，與標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)進(jìn)行比較，誤差值經(jīng)放大后去控制乘法器的放大增益，從而改變放大電路的輸入幅值，使輸出穩(wěn)定。這種電路由于有積分環(huán)節(jié)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與輸出有偏差時(shí)，通過積分最后消除輸出誤差，所以直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與交流輸出之間的線性極好，其缺點(diǎn)是對(duì)積分放大環(huán)節(jié)引起的波形失真沒有補(bǔ)償。在圖六所示的交流比較電路中，輸出的交流信號(hào)衰減后與給定

8、的標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)進(jìn)行比較，誤差直接交流放大后與標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)相加減，從而穩(wěn)定輸出。這種電路線路相對(duì)比較簡單，由于是交流瞬時(shí)值的比較，還可補(bǔ)償功率放大的波形失真，缺點(diǎn)是：標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)與交流輸出信號(hào)之間有靜差，因此線性比較差。為保證正弦波的精度，我們選擇直流比較電路來提高波形精度。3.5零點(diǎn)殘余電壓的調(diào)整對(duì)于變壓器電橋，從理論來說，當(dāng)Z1=Z2時(shí)，電橋平衡，輸出電壓為零，但實(shí)際制作時(shí)要滿足兩電感線圈的等效參數(shù)完全相等是很難達(dá)到的，因此，即便是銜鐵位于平衡位置時(shí)，任然存在有一定的電壓輸出，稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，也對(duì)傳感器的線性度有一定的影響，給測量

9、帶來誤差，此值的大小是衡量差動(dòng)表壓器性能好壞的重要指標(biāo)。所以在對(duì)變壓器電橋的設(shè)計(jì)和制作時(shí)有必要采用一定的措施。差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線如圖八所示，圖中E21、E22分別為兩個(gè)二次繞組的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢，E2為差動(dòng)輸出電動(dòng)勢x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實(shí)線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實(shí)際的輸出特性。E0為零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢，這是由于差動(dòng)變壓器制作上的不對(duì)稱以及鐵心位置等因素所贊成的。為減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢可采取以下方法：1、 盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路的對(duì)稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。2、 選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。即可判

10、別銜鐵移動(dòng)方向雙可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢。3、 采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢。在差動(dòng)變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢減小。3.6交流放大電容在許多需要A/D轉(zhuǎn)換盒數(shù)字采集的單片機(jī)系統(tǒng)中，很多情況下，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過一個(gè)模擬放大器對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D專函其對(duì)輸入信號(hào)電平的要求，這種情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表器的選型很多，我這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，其實(shí)就是典型的差動(dòng)放大器。它只需要三個(gè)廉價(jià)的普通運(yùn)算放大器和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。交流放大電路的誤差

11、主要由于集成運(yùn)放的輸入偏置電流、失調(diào)電流和失調(diào)電壓以及溫漂等參數(shù)不為零，電阻器阻值隨溫度的變化，外部電網(wǎng)電壓、溫度和負(fù)載電流的選擇運(yùn)放和電阻器，合理地進(jìn)行布線和安裝元器件，對(duì)運(yùn)放仔細(xì)調(diào)零等。3.7相敏檢波電路在精密測量中，進(jìn)行測量電路的除了傳感器輸出的測量信號(hào)外，還往往有各種噪音。而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測量信號(hào)從耗油噪音的信號(hào)中分離出來是測量電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號(hào)和噪聲，往往給測量信號(hào)賦以一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。在將測量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，再經(jīng)放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取放映被測量值的測量信號(hào)，這一過程稱為解調(diào)。通過調(diào)制，對(duì)測量信號(hào)賦以一定

12、的特征，使已調(diào)信號(hào)的頻帶在以載波信號(hào)頻率為中心的很窄的的范圍內(nèi)，而噪聲含有各種頻率，即近乎于白噪聲。這時(shí)可以利用選頻放大器、濾波器等，只讓以載波頻率為中心的一個(gè)很窄的頻帶內(nèi)的信號(hào)通過，就可以有效地抑制噪聲。采用載波頻率作為參考信號(hào)進(jìn)行比較，也可抑制遠(yuǎn)離參考頻率的各種噪聲。圖11是一個(gè)采用了帶相敏整流的交流電橋。差動(dòng)電感式傳感器的兩個(gè)線圈作為交流電橋相鄰的兩個(gè)工作臂，指示儀表是中心為零刻度的直流電壓表或數(shù)字電壓表。設(shè)差動(dòng)電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，Z1=Z2=Z,電橋處于平衡狀態(tài)，C點(diǎn)電位等于D點(diǎn)地位，電表指示為零。當(dāng)銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+Z。如果

13、輸入交流電壓為正半周，則A點(diǎn)電位為正，B點(diǎn)為負(fù)，二極管V1V4導(dǎo)通，V2V3截止。在A-E-C-B支路中，C點(diǎn)電位由于Z1增大而比平衡時(shí)D點(diǎn)的電位增高，所以D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。同樣可以得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時(shí)，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負(fù)?？梢姴捎脦嗝粽鞯慕涣麟姌?，輸出信號(hào)既能反映位移大小又能反映位移的方向。3.8 A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路在測量出信號(hào)之后送入單片機(jī)時(shí)要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器是測控系統(tǒng)中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的重要器件。A/D轉(zhuǎn)換的技術(shù)主要有：計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換；逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換; 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換；并進(jìn)行A/D、串/行A/D轉(zhuǎn)換及V/F變換等。

14、在這些轉(zhuǎn)換中，主要區(qū)別是速度、精度和價(jià)格。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有分變率、量程、精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間。分辨率它是表示轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示，目前常用芯片有8位、10位、12位、14位等。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束獲得整個(gè)數(shù)字信號(hào)為止在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)只有一路信號(hào)輸入，因此地址A、B、C直接接地ADC0809外部引腳示于圖12，其引腳功能為：IN7 IN 0:8路模擬量輸入端，在多路開關(guān)控制下，任一時(shí)刻只能有一路模擬量實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。A、 B、C：多路開關(guān)地址選擇輸入端，當(dāng)取值000111時(shí)與A/D轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的通道

15、為IN0IN7。ALE：地址鎖存輸入線，該信號(hào)的上升沿可將地址選擇信號(hào)A、B、C鎖入地址寄存器。START:啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入線，其上升沿用以清除A/D內(nèi)部寄存器，其下降沿用以啟動(dòng)內(nèi)部控制邏輯，開始A/D轉(zhuǎn)換工作。EOC：轉(zhuǎn)換完畢輸出線，其上出現(xiàn)高電平時(shí)表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。(D7D0):為8位數(shù)據(jù)輸出端，可直接接入微型機(jī)的數(shù)據(jù)總路線。OE:允許輸出控制端，高電平有效。低電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端為高阻態(tài)；高電平時(shí)，將A/D轉(zhuǎn)換后幕的8位數(shù)據(jù)送出。CLOCK：轉(zhuǎn)換定時(shí)脈沖輸入端。它的頻率決定了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。使用頻率小于等于640KHz，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換速度大于等于100us。Ref（+），ref（-）（(+)和（-）：是內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入線。Vcc為+5V，GND為地。下圖為ADC0809與單片機(jī)的接口電路ADC0809與單片機(jī)的接口比較簡