電感式位移傳感器設計方案解析

隨著(zhù)傳感器技術(shù)的成熟發(fā)展，傳感器已廣泛應用于各種測量裝置中。在很多幾何量測量裝置中，位移傳感器是不可或缺的組成部分。如Mahr公司生產(chǎn)的891EA齒輪測量中心是一款較早實(shí)現電子展成的測量中心，它采用的測頭是旁向位移測頭，該測頭的傳感器即為一維電感式位移傳感器。原測頭電路系統由于硬件局限性，線(xiàn)性測量范圍小，精度不高，已無(wú)法滿(mǎn)足891EA的測量需求。

本文結合傳感器的特點(diǎn)，設計了測頭電路系統，它不僅能滿(mǎn)足測量中心的機械動(dòng)作，并在完成原電路測量功能基礎上提高了測量精度，擴大了測頭的檢測范圍，提高了測量的安全性;同時(shí)，將測頭電路系統與A /D卡配接，可在計算機的控制下實(shí)現自動(dòng)檢測功能。

本文介紹了一種電感式位移傳感器的電路系統。該系統以一片AD698芯片為信號調整電路的核心，將位移量輸出信號轉換為相應的直流電壓值，并結合其它一系列電路模塊實(shí)現了測頭位移量測量。通過(guò)對測頭的標定試驗證明該系統精度高、線(xiàn)性測量范圍大。

1 系統結構與工作原理

測頭電路系統主要由信號轉換電路、運算放大電路、濾波輸出電路、量程切換電路和窗口電壓比較電路五部分組成。傳感器輸出交流電壓信號，電壓值與傳感器磁芯位置成正比，經(jīng)過(guò)信號轉換電路將其轉換為相應的直流電壓信號。

運算放大電路對直流電壓信號進(jìn)行放大，以滿(mǎn)足后續電路的電壓需求;放大后的直流信號經(jīng)過(guò)濾波輸出電路輸出到A /D 卡，在計算機控制下實(shí)現自動(dòng)檢測;同時(shí)，濾波信號經(jīng)量程切換電路，將直流電壓信號以對應電表不同量程的位移值得以顯示，從而提供直觀(guān)的測量結果;濾波信號經(jīng)窗口電壓比較電路可檢測到測頭位移狀態(tài)，分別以檢測、安裝、報警等狀態(tài)顯示輸出，保證了安裝和檢測過(guò)程的安全。

2 主要功能模塊

2.1 信號轉換電路

信號轉換電路的功能是將傳感器輸出的交流電壓信號轉換為相應的直流電壓信號。信號轉換電路的設計直接影響到整個(gè)測頭電路系統的測量精度，是測頭電路系統的核心部分。

傳感器為線(xiàn)性差分式位移傳感器，它的輸入為磁芯的機械位移，輸出為與磁芯位置成正比的交流電壓信號。傳感器初級線(xiàn)圈由外部參考正弦波信號源激勵，兩個(gè)次級線(xiàn)圈反向串聯(lián)，磁芯的移動(dòng)可改變初級線(xiàn)圈之間的耦合磁通，從而產(chǎn)生兩個(gè)幅值不同的交流電壓信號。

2.2 運算放大電路及濾波輸出電路

針對傳感器輸出信號特點(diǎn)， 設計了基于A(yíng)D698芯片的信號轉換電路。 AD698是一種高精度線(xiàn)性差分式位移變壓器(LVDT) 專(zhuān)用信號調整電路，可同時(shí)接收兩路差動(dòng)交流電壓信號。圖2為采用AD698對傳感器進(jìn)行信號轉換的工作原理圖。

AD698用一個(gè)正弦波函數振蕩器和功率放大器來(lái)驅動(dòng)傳感器初級線(xiàn)圈，并用兩個(gè)同步解調器對初級和次級電壓進(jìn)行解碼，經(jīng)過(guò)濾波和放大后最終輸出直流電壓信號;AD698經(jīng)過(guò)同步解調可得到次級線(xiàn)圈輸出電壓值和初級線(xiàn)圈輸出的參考電壓值，通過(guò)計算A /B的比例并以此設置外部元件參數，可實(shí)現零位電壓漂移補償，從而滿(mǎn)足測量的精度要求;AD698的輸入電壓和輸出電壓范圍較廣(均可達到正、負電壓的輸入與輸出) , 可實(shí)現測頭從零位到最大位移量及從最大位移量回到零位的測量，擴大了測量范圍。

運算放大電路及濾波輸出電路對經(jīng)轉換后的信號不同的交流電壓進(jìn)行進(jìn)一步調節，可很好地匹配AD698芯片，并滿(mǎn)足下一級電路的處理需求。濾波輸出電路由一個(gè)二階“Π”型濾波電路構成，在滿(mǎn)足濾波精度要求的前提下，可保證較短的延遲時(shí)間。

2.3 窗口電壓比較電路

窗口電壓比較電路的功能是實(shí)時(shí)顯示測頭運動(dòng)狀態(tài)。它由多個(gè)不同參數的比較電路單元構成，將濾波輸出后的電壓信號分別與每個(gè)比較單元的參考電壓值進(jìn)行比較，從而實(shí)時(shí)反映測頭不同的運動(dòng)狀態(tài)。

結合外接信號燈及蜂鳴器，可判斷測頭工作狀態(tài)，并對測頭作出相應控制，進(jìn)而防止測頭因過(guò)量程運動(dòng)造成的危險，提高測量安全性。這里設置的測頭運動(dòng)狀態(tài)分別為安裝狀態(tài)、檢測狀態(tài)和報警狀態(tài)。

2.4量程切換電路

量程切換電路的功能是將電壓信號以對應電表不同量程的位移值顯示，從而提供直觀(guān)的測量結果。量程切換電路由三個(gè)不同放大倍數的放大電路組成，外接電表(以電壓值對應的位移量顯示) 以實(shí)現輸出電壓值對應傳感器位移量的顯示。量程切換電路的放大倍數分別對應電表的不同量程，通過(guò)電路電阻參數的設置可實(shí)現測頭500, 150, 30μm三檔量程選擇。

3 試驗驗證

用一等環(huán)規檢定裝置和數字電壓表對測頭的左、右齒面位移測量進(jìn)行標定，標定方法采用靜態(tài)特性標定法，標定試驗記錄見(jiàn)圖3、圖4.圖中，k1 , k2 分別表示測頭從零位運動(dòng)到最大位移量和從最大位移量運動(dòng)回零位測頭的靈敏度。

標定公式如下：

式中： U為測頭電路系統輸出電壓值，V; k為測頭靈敏度，mV /mm; S 為測頭位移量，mm; b為零位電壓值偏移量，mV。

由標定記錄可得到：

1) 測頭的靈敏度

左齒面： - 010186 mV /mm;

右齒面： 010183 mV /mm.

2) 測頭位移量線(xiàn)性測量范圍

左齒面： 312~51112μm;

右齒面： 411~50717μm.

3) 零位電壓值偏移量

左齒面： 41412 mV;

右齒面： 51027 mV.

實(shí)驗數據表明測頭電路系統測量精度較高，線(xiàn)性測量線(xiàn)性范圍大( ±500 μm) , 滿(mǎn)足891EA齒輪測量中心的測量需求。

4 結論

該電路系統可將測頭所檢測的細微位移量經(jīng)過(guò)一系列信號調整及濾波、放大，轉換為相應的直流電壓信號。經(jīng)過(guò)測頭標定試驗驗證，證明該系統測量精度高、線(xiàn)性測量范圍大、測量安全性能好，滿(mǎn)足891EA齒輪測量中心的測量要求。