手持式設備中電感傳感器信號處理電路的設計

劉 泊，鄧惠元，馮志朝，符積寶，胡 逸

（哈爾濱理工大學 測控系，黑龍江 哈爾濱150080）

電感位移傳感器具有靈敏度及分辨力高、線性度好、工作可靠、壽命長等優點, 作為一種精密的位移檢測部件在很多領域有著廣泛的應用[1]。在便攜式位移檢測系統中, 通常采用微處理器來處理位移信號并進行控制,這就要設計與傳感器配套的信號變送電路, 將電感式位移傳感器輸出的交變信號轉變為與位移成正比的直流信號, 經A/D轉換后輸人微處理器中[2-3]。為了提高電感傳感器的檢靈敏度和系統信噪比，本文提出了一種微弱信號處理電路的設計方法，有效降低了信號處理電路中系統噪聲的大小。

1 傳感器原理及整體電路的設計

1.1 電感傳感器的原理

電感傳感器是一種建立在電磁感應基礎上，利用線圈的自感或互感變化原理來實現非電量測量的傳感器。傳感器的測頭檢測到被測物體的位移，通過測桿帶動銜鐵產生移動使線圈的電感或互感系數發生變化，把被測量的變化轉化為自感或互感L的變化，L 接入測量電路就可以轉換成電信號輸出，再通過引線接入測量電路進行測量。一般電感傳感器有線性差動電感器(LVDI)和線性差動變壓器(LVDT)兩種形式，它們都是當鐵磁線圈的位置變化引起磁場的變化，通過測量磁場變化達到測量位移的目的，可以用來測量多種物理量。文中研究的電感傳感器即為差動式自感傳感器[4]。

電感傳感器原理電路如圖1所示，U1、U2為載波激勵電壓；r1、r2為電感內阻，L1、L2為電感量。理論上，電感傳感器兩端加載等幅、反相的載波信號，實際上難以嚴格保證。應用復指數表達形式，假設U1、U2滿足以下條件：

圖1 電感傳感器等效原理圖Fig.1 Equivalent schematic of inductive sensors

令C，V則輸出信號U0為：

1.2 整體電路設計簡介

電感傳感器信號處理系統的核心部分主要由正弦激勵信號發生電路、交流信號放大電路、全波整流電路、低通濾波電路等功能電路構成。系統框圖如圖2所示

圖2 系統框圖Fig.2 Block diagram of system

電感傳感器輸出測量信號后，經過交流放大電路放大、全波整流電路整流后的信號通過低通濾波器濾除高次諧波，得到直流電壓[6]。

2 重點電路的設計

2.1 低失真文氏電橋正弦波震蕩電路

文氏電橋正弦波震蕩電路產生的載波是其中波形非常標準，但缺點也較為明顯：帶載能力不足，在后置電路中波形很容易走樣。本文決定使用跟隨器和變壓器隔直的方法來增強文氏電橋正弦波震蕩電路的帶載能力，同時也濾掉了交流信號中的直流噪聲。文氏電橋正弦波震蕩電路結構如圖3所示。

圖3 文氏電橋正弦波震蕩電路Fig.3 Wien bridge sine wave oscillator circuit

圖4 采用差動放大電路的全波整流電路Fig.4 Full-wave rectifier circuit which used the differential amplifier circuit

在圖3的電路中，C2=C3，R4= R5，文氏電橋電路的震蕩頻率.電容器C3的容量應保證其電抗X c在一千歐至數百千歐，決定C3的容量后，再根據求出R5的阻值。

2.2 采用差動放大電路的全波整流電路

差動放大電路是整個檢測系統的關鍵部分, 利用差動放大電路的高度。

對對稱性, 通過設計良好的電阻匹配, 使電路有較高的共模抑制比, 放大有用信號而抑制共模信號, 并抑制由溫度等引起的零點漂移問題[7]。此外, 差動放大電路還大大提高了系統的檢測靈敏度和信噪比。差動放大電路的結構如圖4所示。

表1 信號處理實驗數據Tab.1 Signal processing experimental data

3 實驗結果及分析

實驗條件：用信號發生器產生的正弦波模擬電感傳感器的輸入信號，經過放大及整流后輸出，并用高精度萬用表記錄A/D轉換前的輸出結果如表1所示。

其中理論輸出電壓與輸入電壓的關系式為：

理論輸出電壓=輸入電壓×交流放大倍數×0.9×直流放大倍數

實驗結果表明信號處理電路達到了測量誤差不大于0.005 V要求。

4 結束語

由于在信號處理電路中使用變壓器對載波信號進行隔直和差分放大電路整流的方式，降低了測量的誤差，使得A/D轉換前得測量偏差小于0.005 V且線性度良好。采用16位的A/D轉換器在微處理器中可得到0.001 μm的分辨率。經長時間運行證明電路輸出信號穩定，漂移很小。

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