手持式設(shè)備中電感傳感器信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

劉 泊，鄧惠元，馮志朝，符積寶，胡 逸

（哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn), 作為一種精密的位移檢測(cè)部件在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。在便攜式位移檢測(cè)系統(tǒng)中, 通常采用微處理器來(lái)處理位移信號(hào)并進(jìn)行控制,這就要設(shè)計(jì)與傳感器配套的信號(hào)變送電路, 將電感式位移傳感器輸出的交變信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c位移成正比的直流信號(hào), 經(jīng)A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)信噪比，本文提出了一種微弱信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)方法，有效降低了信號(hào)處理電路中系統(tǒng)噪聲的大小。

1 傳感器原理及整體電路的設(shè)計(jì)

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(yīng)基礎(chǔ)上，利用線圈的自感或互感變化原理來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量的傳感器。傳感器的測(cè)頭檢測(cè)到被測(cè)物體的位移，通過(guò)測(cè)桿帶動(dòng)銜鐵產(chǎn)生移動(dòng)使線圈的電感或互感系數(shù)發(fā)生變化，把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為自感或互感L的變化，L 接入測(cè)量電路就可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，再通過(guò)引線接入測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量。一般電感傳感器有線性差動(dòng)電感器(LVDI)和線性差動(dòng)變壓器(LVDT)兩種形式，它們都是當(dāng)鐵磁線圈的位置變化引起磁場(chǎng)的變化，通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)變化達(dá)到測(cè)量位移的目的，可以用來(lái)測(cè)量多種物理量。文中研究的電感傳感器即為差動(dòng)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(lì)電壓；r1、r2為電感內(nèi)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(hào)，實(shí)際上難以嚴(yán)格保證。應(yīng)用復(fù)指數(shù)表達(dá)形式，假設(shè)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(hào)U0為：

1.2 整體電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

電感傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)的核心部分主要由正弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路、交流信號(hào)放大電路、全波整流電路、低通濾波電路等功能電路構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖2所示

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of system

電感傳感器輸出測(cè)量信號(hào)后，經(jīng)過(guò)交流放大電路放大、全波整流電路整流后的信號(hào)通過(guò)低通濾波器濾除高次諧波，得到直流電壓[6]。

2 重點(diǎn)電路的設(shè)計(jì)

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(chǎn)生的載波是其中波形非常標(biāo)準(zhǔn)，但缺點(diǎn)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(lái)增強(qiáng)文氏電橋正弦波震蕩電路的帶載能力，同時(shí)也濾掉了交流信號(hào)中的直流噪聲。文氏電橋正弦波震蕩電路結(jié)構(gòu)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(dòng)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(yīng)保證其電抗X c在一千歐至數(shù)百千歐，決定C3的容量后，再根據(jù)求出R5的阻值。

2.2 采用差動(dòng)放大電路的全波整流電路

差動(dòng)放大電路是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分, 利用差動(dòng)放大電路的高度。

對(duì)對(duì)稱性, 通過(guò)設(shè)計(jì)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(hào)而抑制共模信號(hào), 并抑制由溫度等引起的零點(diǎn)漂移問(wèn)題[7]。此外, 差動(dòng)放大電路還大大提高了系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度和信噪比。差動(dòng)放大電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表1 信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Signal processing experimental data

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)條件：用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波模擬電感傳感器的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大及整流后輸出，并用高精度萬(wàn)用表記錄A/D轉(zhuǎn)換前的輸出結(jié)果如表1所示。

其中理論輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式為：

理論輸出電壓=輸入電壓×交流放大倍數(shù)×0.9×直流放大倍數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明信號(hào)處理電路達(dá)到了測(cè)量誤差不大于0.005 V要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于在信號(hào)處理電路中使用變壓器對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行隔直和差分放大電路整流的方式，降低了測(cè)量的誤差，使得A/D轉(zhuǎn)換前得測(cè)量偏差小于0.005 V且線性度良好。采用16位的A/D轉(zhuǎn)換器在微處理器中可得到0.001 μm的分辨率。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行證明電路輸出信號(hào)穩(wěn)定，漂移很小。

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