提高電感傳感器測量靈敏度的方法

摘要 電感位移傳感器被廣泛應(yīng)用于微小位移量檢測中，但在一些工程中現(xiàn)有傳感器的測量精度和靈敏度達(dá)不到測量要求。針對這一問題，對傳感器前段信號處理電路進(jìn)行改進(jìn)，在傳感器上下線圈并聯(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，以提高信號源頭的靈敏度；采用Multisim軟件對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對生成的曲線進(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性度的情況下可將靈敏度提高一倍。
關(guān)鍵詞 電感位移傳感器；諧振電路；測量靈敏度

    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進(jìn)行測量，其廣泛應(yīng)用于檢測微小位移量的檢測系統(tǒng)中，因此對電感傳感器的測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對電感傳感器的信號調(diào)理電路的改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。文中嘗試通過諧振電路改變傳感器的輸出信號，從信號源頭增大傳感器靈敏度。這種方法相當(dāng)于對傳感器本身進(jìn)行改進(jìn)，使得它還可以與其他改進(jìn)技術(shù)如：傳感器激勵源、輸出信號處理、計(jì)算機(jī)軟件補(bǔ)償?shù)燃嫒菀怨餐岣哒麄€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如果沒有C1和C2為普通半橋電路，虛線框中為電感傳感器的等效電路，傳感器測頭的位移帶動螺線管中鐵芯上下移動，從而改變上下兩個線圈的電感值。將兩線圈等效成純電阻和純電感的串聯(lián)，如圖中R1和L1組成上線圈，R2和L2組成下線圈，輸出接在上線圈上。實(shí)際傳感器中線圈與輸出的接線不會變，只是通過鐵芯移動來改變電感，所以R1和R2固定不變。輸出電壓
   
    圖1在上下兩個線圈并聯(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：回路II諧振，回路I失諧。當(dāng)鐵芯在最上方時：回路I諧振，回路II失諧。由于諧振電路在諧振時的阻抗會遠(yuǎn)大于失諧時的阻抗?？梢远ㄐ缘氐贸觯F芯在最下方時Uout的幅值會比沒有電容小，在最上方時會比沒有電容時大，所以靈敏度會增大。但在最下方和最上方中間的變化情況，以及它的線性度則需要后邊仿真來確定。輸出電壓
   

1．2 全橋式改進(jìn)電路
    普通全橋電路圖2(a)，傳感器上下兩線圈分別與匹配電阻R3和R4相連，在L1=L2時電橋平衡，當(dāng)向上發(fā)生△X的位移時，鐵芯上移，L1增大△L，L2減小△L，Uout的變化會比半橋方式增加近兩倍，輸出電壓
   

    如圖2(b)和圖2(c)對上下兩線圈分別采用并聯(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 仿真平臺及仿真條件
    仿真平臺使用Multisim，它是美國國家儀器(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、電路硬件描述語言輸入方式，具有龐大的元器件庫和全面的儀器儀表庫和豐富的仿真分析能力。采用它來對改進(jìn)前后的電路進(jìn)行仿真。
    在仿真之前，先結(jié)合工程實(shí)際情況對仿真條件進(jìn)行一些設(shè)定：
    (1)激勵電源：頻率為7．5 kHz，峰峰值為5 V的交流電。
    (2)傳感器：總電感值為10mH差動電感傳感器，線性范圍為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。而對應(yīng)的純電感L1和L2，會隨著位移線行變化，滿足L1+L2=10 mH(3<L1<7，3<L2<7)。
2．2 仿真過程及結(jié)果
    對于半橋時電路II由于希望鐵芯在最下方時回路II諧振，最上方時回路I諧振，因?yàn)長1和L2的變化范圍為3～7 mH。L2為7 mH時回路II諧振，L1為7 mH時回路I諧振。按照仿真條件計(jì)算C1=C2=65 nF。簡化仿真不妨取C1=C2，在65 nF附近從55～100 nF間隔5 nF進(jìn)行仿真，觀察電路性能，仿真結(jié)果如圖3所示。

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

    經(jīng)Matlab計(jì)算普通半橋在3～7 mH段，電壓變化范圍1．5～3．5 V，電壓對電感的靈敏度為0．5V／mH。線性度近似為1。對圖4(b)采用最小二乘法擬合直線后，在3．8～6．3 mH段，輸出電壓的變化范圍0．77～4．39 V。線性度可達(dá)2．39％，靈敏度為1．448 V／mH。
    對全橋電路的仿真與半橋的方法類似，需要注意的是希望電橋在L1=L2=5 mL時平衡，所以對于匹配電阻的選取需要根據(jù)仿真條件計(jì)算
    對于電路I：R3=R4=|jw×0．005+R1|=237 Ω；電路II：R3=R4=|(jwL+R1)∥(1／jwC1)|=817Ω；電路III：R3=R4=|jwL+R1+(1／jwC1)|=98Ω。
    對于使用電容的電路，同樣對不同的電容值條件下的電路進(jìn)行仿真，選出性能最好的如圖5所示。

    普通全橋在3．8～6．3 mH段，電壓變化范圍為-1．2～+1．3 V，電壓對電感的靈敏度為1 V／mH。線性度近似為1．38。對圖5(b)和圖5(c)使用Matlab進(jìn)行最小擬合直線如圖所示，在3．8～6．3 mH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性度，可以在損失較小線性度條件下，將靈敏度提高。對于半橋雖然將靈敏度提高了近200％，但犧牲的線性度較大。串聯(lián)電容的方式靈敏度幾乎沒有增大。性能最好的是并聯(lián)電容后的全橋電路，靈敏度提升了113％，且損失的線性度較小，只比原來增大21．7％，而且實(shí)際應(yīng)用中，可以通過軟件補(bǔ)償和事先標(biāo)定來彌補(bǔ)線性度的不足。

    綜合理論分析和仿真結(jié)果，在激勵源確定和電感傳感器參數(shù)確定的情況下，通過計(jì)算可以得到一個恰當(dāng)?shù)碾娙葜?，?dāng)在傳感器的兩部分線圈上并聯(lián)這個電容時，測量的靈敏度會有顯著提高，同時仍可以保持較好的線性度，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。