淺談電感傳感器微位移檢測儀的原理與設(shè)計(jì)

楊沁佳

（東北大學(xué)，沈陽 110000）

1 引言

電感測微儀是一種分辨率高、工作可靠、使用壽命很長的測量儀，它是能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器，被廣泛應(yīng)用于精密制造業(yè)以及國防、科研、計(jì)量部門的精密長度測量。本次課題的目標(biāo)是研究電感測微儀的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)能對傳感器探頭感受到的微位移信號進(jìn)行實(shí)時的測量并顯示的目的。通過對相關(guān)知識的了解，構(gòu)建測量系統(tǒng)框圖、分析系統(tǒng)工作原理進(jìn)而對電路的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 測微儀方案確定

2.1 測微儀的設(shè)計(jì)思想

位移檢測通常用電感式、電容式、光柵式等傳感器檢測位移量的變化。本次設(shè)計(jì)選用可接觸測量的電感式差動傳感器。其建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，利用線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量的測量。把輸入的物理量如位移量、振動、壓力、流量等參數(shù)，轉(zhuǎn)換為線圈的自感系數(shù) L 和互感系數(shù)M 的變化，而 L 和 M 的變化在電路中轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即將非電量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。電感式傳感器有以下特點(diǎn)： 工作可靠，壽命長；靈敏度高，分辨力高；精度高，線性好；線性穩(wěn)定，重復(fù)性好。

本課題涉及到的信號調(diào)制，就是將微位移信號調(diào)制到正弦波信號上進(jìn)行檢測。電感測微儀測頭由差動螺管線圈和可在線圈內(nèi)部移動的磁芯組成，當(dāng)線圈由交變信號驅(qū)動時，線圈內(nèi)部產(chǎn)生一個磁場。調(diào)制部分采用差動變壓器電橋的思想，即實(shí)現(xiàn)無位移輸入時鐵芯位于中央處，輸出為零；反之，當(dāng)鐵芯移動時，改變線圈內(nèi)部的磁場分布，測量電路產(chǎn)生一個與磁芯移動量大小成正比的電壓幅值。這個電壓的幅值信號就是整個系統(tǒng)的處理對象，它的幅值和相位就間接反映出了位移量的大小和方向。

2.2 測微儀的方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示，調(diào)制信號所用測量線圈由兩個以差動方式工作的螺管線圈組成并由正弦電源激勵，內(nèi)部鐵芯棒由被測位移X 帶動以改變螺管線圈的自感或互感，再由信號調(diào)理電路將自感或互感的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號至A/D 轉(zhuǎn)換電路，計(jì)算機(jī)從轉(zhuǎn)換電路獲取被測位移變化X 的數(shù)字信號，通過分析處理得到測量結(jié)果及相關(guān)的信息。

圖1 電感傳感器微位移測試儀系統(tǒng)框圖

2.3 系統(tǒng)模擬電路的設(shè)計(jì)與仿真

模擬電路的設(shè)計(jì)包含測量電路的設(shè)計(jì)，由于微位移信號經(jīng)變壓器電橋后產(chǎn)生的輸出信號較小，因而需要對其采集的信號進(jìn)行放大使得其調(diào)制后的電壓有效值滿足AD 轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，即放大整流電路設(shè)計(jì)以及其后續(xù)的精密整流電路設(shè)計(jì)等。在模擬電路仿真方面，選擇了更側(cè)重于模擬數(shù)字電路原理特性級仿真分析的Multisim 軟件，整體仿真見圖2。

圖2 系統(tǒng)模擬電路的設(shè)計(jì)與仿真

2.4 系統(tǒng)數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與仿真

數(shù)字電路的設(shè)計(jì)包含AD 轉(zhuǎn)換器電路、單片機(jī)及其外圍電源電路、復(fù)位、時鐘電路、數(shù)碼管顯示電路以及通信電路的設(shè)計(jì)。同時編寫主程序、AD 轉(zhuǎn)換程序、數(shù)字處理以及數(shù)碼管顯示程序，利用PROTUES 對數(shù)字電路進(jìn)行仿真，整體仿真見圖3。

圖3 系統(tǒng)數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與仿真

3 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)通過查閱資料，結(jié)合所學(xué)，成功完成了以單片機(jī)為核心器件的電感測微儀的相關(guān)電路設(shè)計(jì)，并分別利用Multisim 和PROTEUS 進(jìn)行了電路仿真，電路調(diào)試后基本可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，同時也對系統(tǒng)可能存在的誤差和外界干擾進(jìn)行了相關(guān)的分析，并提出了一些解決措施。