射頻諧振式電感傳感器轉換電路設計

駱先達，傅 星

（天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072）

電感傳感器是利用線圈自感或互感的變化實現測量的一種裝置，它具有結構簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、對工作環境要求不高、穩定性好等優點[1-2]，因此在眾多電子儀表中得到廣泛應用。電感傳感器通常由電感測頭和轉換電路兩部分組成。不同形式的電感測頭可以將位移、角度、壓力、磁場等不同物理量的變化轉換成線圈電感的變化，再將線圈接入到轉換電路中就能以電信號的形式將被測量的變化反映出來。最后結合高精度的信號采集電路以及計算機軟件補償技術可以制成多種類型的電子測量儀表，如電感測微儀，電磁流量計等[3]。

近年來，很多學者以改進電感傳感器的信號調理電路或計算機軟件補償算法的方式來提高電感傳感類儀表的性能[4-6]。本文從電感傳感器自身出發，設計了射頻諧振式轉換電路，利用諧振時電路阻抗極低的特性，實現輸出電壓的放大。以達到從信號源頭增大傳感器靈敏度、提高測量系統信噪比的目的。這種方法還可以與其他改進技術如：傳感器激勵源、輸出信號處理、計算機軟件補償等兼容以共同提高整個系統的性能[7]。

1 射頻諧振式轉換電路的原理

電感傳感器常使用變壓器電橋作為轉換電路，從而將線圈的自感變化轉換成電壓信號輸出。圖1所示為變壓器電橋改進而得的射頻諧振式轉換電路。Z1、Z2表示傳感器兩個線圈的阻抗，與線圈串聯的兩個電容器的大小均為C0，電橋另兩臂為電源變壓器二次側線圈的兩半，每半的電壓均為u/2。

圖1 射頻諧振式轉換電路Fig.1 RF resonance conversion circuit

根據基爾霍夫定律可得轉換電路的空載輸出電壓為

式中：ω 為交流電源角頻率。在初始平衡狀態，Z1=Z2=Z，u0=0。對于差動型電感測頭，當被測量發生變化時會引起兩個線圈的阻抗發生相反的變化，即Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，代入式（1）得：

調節交流電源的頻率使電容與電感線圈諧振，則電感線圈的感抗與串聯電容的容抗相等，電路表現為純電阻性，此時轉換電路的空載輸出電壓為

式中：Zr為電感線圈阻抗的實部大小。根據電感線圈的等效電路[8]計算出電感線圈的阻抗為

線圈電感變化引起阻抗變化的大小為

將式（5）代入式（3）得到射頻諧振電橋的空載輸出電壓為

式中：Q=ωL/R，為品質因數。從式（6）可看出射頻諧振電橋的靈敏度不僅與電源電壓相關，而且還與品質因數成正比，與傳統變壓器電橋[9]相比，在相同激勵電壓的條件下，射頻諧振電橋的輸出電壓擴大了Q 倍，且頻率越高，Q 值越大。因此可以通過提高激勵頻率，從電信號輸出的源頭實現提高信噪比和靈敏度的目的。從上述分析中可以看出，電路只有在諧振狀態下才能滿足模型成立的條件。考慮到在實際測量中，電感量會隨著被測量的變化而變化，本文設計了偏移檢測和反饋控制電路，在電感量發生變化，使得頻率發生偏移時，偏移檢測電路檢測出偏移量，通過反饋控制電路輸出一個相應的調節電壓，施加到與線圈串聯的兩個電容器上，調節電容量，使得電路一直保持諧振狀態。差動信號的輸出經由信號調理電路（由交流放大電路、帶通濾波電路、峰值檢測電路組成）將電感傳感器的輸出信號調理成直流信號以方便模擬數字轉換器采集信號，最后通過計算機對采集到的信號進行數字濾波得到精確的測量結果。測量系統如圖2所示。

圖2 測量系統框圖Fig.2 Measurement system block diagram

2 實驗驗證與結果分析

實驗選擇位移量測量，使用精密位移臺為電感傳感器提供位移輸入。為了對比射頻諧振電橋與普通變壓器電橋的性能，將相同的電感測頭分別接入這兩個不同類型的轉換電路中進行實驗。使用網絡分析儀測出對應頻率下線圈的Q 值。

實驗中，對于由普通變壓器電橋組成的電感傳感器，其工作頻率設置為30 kHz，輸出電壓與輸入位移之間的關系如圖3所示，計算出的靈敏度為S普=68.48 mV/mm。對于射頻諧振式電感傳感器，選擇 在380.1 kHz，424.2 kHz，459.8 kHz 的頻率下實驗，其輸出電壓與輸入位移之間的關系如圖4所示，不同諧振頻率下線圈的Q 值以及傳感器的靈敏度S諧如表1所示。

圖3 普通電感傳感器輸出電壓位移關系Fig.3 Relationship between the output voltage and the input displacement of ordinary inductive sensor

圖4 射頻諧振式傳感器輸出電壓位移關系Fig.4 Relationship between the output voltage and the input displacement of RF resonant inductive sensor

表1 實驗結果匯總表Tab.1 Summary of experimental results

從表1所示的結果中可以看到，射頻諧振式電

感傳感器與普通電感傳感器相比，靈敏度明顯提高，且提高的倍數近似等于電感線圈的Q 值。

3 結語

本文在傳統變壓器電橋的基礎上，利用LC 諧振原理設計出射頻諧振式轉換電路。根據電感線圈的射頻等效電路，證明射頻諧振式轉換電路的靈敏度與電感線圈的品質因數Q 直接相關，并且與普通變壓器電橋相比，射頻諧振轉換電路的靈敏度提高了Q 倍，顯著提高了儀表測量系統的精度與分辨力。實際應用中，本設計與不同形式的電感測頭結合起來，可以實現對位移、角度、壓力、磁場等多種物理量的測量，具有一定的通用性。