传感器综述及电感式位移传感器分析.docx

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地）.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，外界的十扰（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一线圈的匝数，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1、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m， 则线圈的电感量1与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为4 冗 2 N 2 1L =Hr 2 + ( r - 1)l r 22m a aU1>12;rKXXXXX图2螺管型电感传感器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。a)电阻平衡臂电桥b)变压器式电桥c)紧耦合电感臂电桥图3交流电桥的几种形式电阻平衡臂电桥如图二。所示。Z1、Z2为传感器阻抗。高;L1=L2=L;则有Z1=Z2=Z=Rz +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+AZ和Z2=ZZ，当ZL 8时，电 桥的输出电压为ZR Z x 2 R - R (Z + Z )U AZU = 1 U- 1 U = 上 U =0 Z + Z R + R(Z + Z ) x 2 R2 Z121212当L>>R'时，上式可近似为：u ALuo 注_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。U_ U 7 U U Z - Z 0 2 3z + zZ+Z1212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-AZ, Z2=Z+AZ,则有:一、U = U竺同理，当衔铁上移时，则有：u az0 2 ZU0 =_ z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。10图4电感测头结构图、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。积分放大精密整流比例积分k参考电压图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，最理想的是石英品体振荡器，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20。60。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2,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9.60 4KHZ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。一；nr、Ua)b)c)图8减小零点电路0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。图1f带相电桥当衔铢处于中间位置时，!设差动电感传感器的钱圈I阻抗分别为Z1和2于平衡状态，c点电位等于d点地位，电表指示为零。P § L_r当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+AZ,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VI、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。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，VI、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。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i28小31N*227IN；32.6in6425tn7524STARTk23EOC7 ADCO8O922821OP9CLOCK1019Vs11REF(+)12lo17GNDIT2-71415ADDAADDBADDCALE 2'1 22 2-32-8 REF() 2$图12 ADC0809引脚图ADC0809外部引脚示于图12，其引脚功能为：IN7IN0： 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000111时与入/。转换对应的通道为IN0IN7。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。2-12-8 (D7D0)：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13 ADC0809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。74LS06*2POOP01P02P03P04P05P068031P20P21P22P23Q Q Q 口 - Qlluw 1 2 3 4 -5 F 7 1D2D3D4D5D6D7D74LS071Q2Q3Q4Q 1D2D3D4D:ig II II II IQN II II II I*£图14显示电路