提高電感傳感器測(cè)量靈敏度的方法

　　電感位移傳感器被廣泛應(yīng)用于微小位移量檢測(cè)中，但在一些工程中現(xiàn)有傳感器的測(cè)量精度和靈敏度達(dá)不到測(cè)量要求。針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)傳感器前段信號(hào)處理電路進(jìn)行改進(jìn)，在傳感器上下線(xiàn)圈并聯(lián)電容形成LC電路，利用LC電路諧振效應(yīng)改善電路的性能，以提高信號(hào)源頭的靈敏度;采用Multisim軟件對(duì)半橋和全橋電路在并聯(lián)不同大小的電容后的性能進(jìn)行仿真，并用Matlab對(duì)生成的曲線(xiàn)進(jìn)行最小二乘擬合，比較得出使電路性能最優(yōu)的電容值和并聯(lián)方法。結(jié)果表明在損失微小線(xiàn)性度的情況下可將靈敏度提高一倍。

　　電感位移傳感器的實(shí)質(zhì)，是將敏感元件的變化量轉(zhuǎn)化成電壓幅值的變化量來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其廣泛應(yīng)用于檢測(cè)微小位移量的檢測(cè)系統(tǒng)中，因此對(duì)電感傳感器的測(cè)量精度和靈敏度要求很高。電感位移傳感器的靈敏度是指輸出電壓的增量與側(cè)頭位移增量的比。在其他條件相同的情況下提高靈敏度可以提高系統(tǒng)的最小分辨率和精度。提高電感傳感器靈敏度的方式有多種，但目前主要都是通過(guò)對(duì)電感傳感器的信號(hào)調(diào)理電路的改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。文中嘗試通過(guò)諧振電路改變傳感器的輸出信號(hào)，從信號(hào)源頭增大傳感器靈敏度。這種方法相當(dāng)于對(duì)傳感器本身進(jìn)行改進(jìn)，使得它還可以與其他改進(jìn)技術(shù)如：傳感器激勵(lì)源、輸出信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)軟件補(bǔ)償?shù)燃嫒菀怨餐�提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

　　1改進(jìn)后電路的模型建立

　　1.1半橋式改進(jìn)電路

　　如圖1如果沒(méi)有C1和C2為普通半橋電路，虛線(xiàn)框中為電感傳感器的等效電路，傳感器測(cè)頭的位移帶動(dòng)螺線(xiàn)管中鐵芯上下移動(dòng)，從而改變上下兩個(gè)線(xiàn)圈的電感值。將兩線(xiàn)圈等效成純電阻和純電感的串聯(lián)，如圖中R1和L1組成上線(xiàn)圈，R2和L2組成下線(xiàn)圈，輸出接在上線(xiàn)圈上。實(shí)際傳感器中線(xiàn)圈與輸出的接線(xiàn)不會(huì)變，只是通過(guò)鐵芯移動(dòng)來(lái)改變電感，所以R1和R2固定不變。輸出電壓

　　圖1在上下兩個(gè)線(xiàn)圈并聯(lián)電容C1和C2后，分別形成了諧振回路I和回路II。如果鐵芯在最下方時(shí)：回路II諧振，回路I失諧。當(dāng)鐵芯在最上方時(shí)：回路I諧振，回路II失諧。由于諧振電路在諧振時(shí)的阻抗會(huì)遠(yuǎn)大于失諧時(shí)的阻抗�？梢远ㄐ缘氐贸觯�鐵芯在最下方時(shí)Uout的幅值會(huì)比沒(méi)有電容小，在最上方時(shí)會(huì)比沒(méi)有電容時(shí)大，所以靈敏度會(huì)增大。但在最下方和最上方中間的變化情況，以及它的線(xiàn)性度則需要后邊仿真來(lái)確定。輸出電壓

　　1.2全橋式改進(jìn)電路

　　普通全橋電路圖2(a)，傳感器上下兩線(xiàn)圈分別與匹配電阻R3和R4相連，在L1=L2時(shí)電橋平衡，當(dāng)向上發(fā)生△X的位移時(shí)，鐵芯上移，L1增大△L，L2減小△L，Uout的變化會(huì)比半橋方式增加近兩倍，輸出電壓

　　對(duì)上下兩線(xiàn)圈分別采用并聯(lián)和串聯(lián)電容C1和C2的方式，形成諧振回路I和回路II，通過(guò)后續(xù)仿真觀察這兩種方式電路性能的變化情況。輸出電壓

　　2電路的仿真

　　2.1仿真平臺(tái)及仿真條件

　　仿真平臺(tái)使用Multisim，它是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有龐大的元器件庫(kù)和全面的儀器儀表庫(kù)和豐富的仿真分析能力。采用它來(lái)對(duì)改進(jìn)前后的電路進(jìn)行仿真。

　　在仿真之前，先結(jié)合工程實(shí)際情況對(duì)仿真條件進(jìn)行一些設(shè)定：

　　(1)激勵(lì)電源：頻率為7.5kHz，峰峰值為5V的交流電。

　　(2)傳感器：總電感值為10mH差動(dòng)電感傳感器，線(xiàn)性范圍為3～7mH，電感的自身的電阻值為54Ω。

　　如上文所述R1和R2固定不變，所以R1和R2為27Ω。而對(duì)應(yīng)的純電感L1和L2，會(huì)隨著位移線(xiàn)行變化，滿(mǎn)足L1 L2=10mH(3

　　2.2仿真過(guò)程及結(jié)果

　　對(duì)于半橋時(shí)電路II由于希望鐵芯在最下方時(shí)回路II諧振，最上方時(shí)回路I諧振，因?yàn)長(zhǎng)1和L2的變化范圍為3～7mH。L2為7mH時(shí)回路II諧振，L1為7mH時(shí)回路I諧振。按照仿真條件計(jì)算C1=C2=65nF。簡(jiǎn)化仿真不妨取C1=C2，在65nF附近從55～100nF間隔5nF進(jìn)行仿真，觀察電路性能。

　　圖中可以看出不同的電容值對(duì)電路的性能影響很大，如果選擇不恰當(dāng)，反而會(huì)使系統(tǒng)性能下降。只有選擇適當(dāng)容量的電容大小才能使測(cè)量靈敏度提高，同時(shí)保持盡量小的線(xiàn)性誤差。所以選取曲線(xiàn)在L1=3～7mH段時(shí)，靈敏度最高，線(xiàn)性度最好，進(jìn)行最小二乘計(jì)算，它與普通半橋的對(duì)比如圖4所示。

　　經(jīng)Matlab計(jì)算普通半橋在3～7mH段，電壓變化范圍1.5～3.5V，電壓對(duì)電感的靈敏度為0.5V/mH。線(xiàn)性度近似為1。對(duì)圖4(b)采用最小二乘法擬合直線(xiàn)后，在3.8～6.3mH段，輸出電壓的變化范圍0.77～4.39V。線(xiàn)性度可達(dá)2.39%，靈敏度為1.448V/mH。

　　對(duì)全橋電路的仿真與半橋的方法類(lèi)似，需要注意的是希望電橋在L1=L2=5mL時(shí)平衡，所以對(duì)于匹配電阻的選取需要根據(jù)仿真條件計(jì)算

　　對(duì)于電路I：R3=R4=|jw×0.005 R1|=237Ω;電路II：R3=R4=|(jwL R1)∥(1/jwC1)|=817Ω;電路III：R3=R4=|jwL R1 (1/jwC1)|=98Ω。

　　對(duì)于使用電容的電路，同樣對(duì)不同的電容值條件下的電路進(jìn)行仿真。

　　普通全橋在3.8～6.3mH段，電壓變化范圍為-1.2～ 1.3V，電壓對(duì)電感的靈敏度為1V/mH。線(xiàn)性度近似為1.38。對(duì)圖5(b)和圖5(c)使用Matlab進(jìn)行最小擬合直線(xiàn)如圖所示，在3.8～6.3mH段，并聯(lián)方式輸出電壓的變化范圍為-2.66～ 2.66V，靈敏度為2.130V/mH線(xiàn)性度可達(dá)1.68%。串聯(lián)方式的輸出電壓范圍約為-1.25～ 1.25V，靈敏度約為2.130V/mH線(xiàn)性度可達(dá)1.33%。

　　3分析與結(jié)論

　　如表1所示，為各電路的靈敏度和線(xiàn)性度，可以在損失較小線(xiàn)性度條件下，將靈敏度提高。對(duì)于半橋雖然將靈敏度提高了近200%，但犧牲的線(xiàn)性度較大。串聯(lián)電容的方式靈敏度幾乎沒(méi)有增大。性能最好的是并聯(lián)電容后的全橋電路，靈敏度提升了113%，且損失的線(xiàn)性度較小，只比原來(lái)增大21.7%，而且實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)軟件補(bǔ)償和事先標(biāo)定來(lái)彌補(bǔ)線(xiàn)性度的不足。

　　綜合理論分析和仿真結(jié)果，在激勵(lì)源確定和電感傳感器參數(shù)確定的情況下，通過(guò)計(jì)算可以得到一個(gè)恰當(dāng)?shù)碾娙葜�，�?dāng)在傳感器的兩部分線(xiàn)圈上并聯(lián)這個(gè)電容時(shí)，測(cè)量的靈敏度會(huì)有顯著提高，同時(shí)仍可以保持較好的線(xiàn)性度，從而達(dá)到改善和提高電感傳感器性能和最小分辨率的目的。