淺談電感傳感器微位移檢測儀的原理與設計

楊沁佳

（東北大學，沈陽 110000）

1 引言

電感測微儀是一種分辨率高、工作可靠、使用壽命很長的測量儀，它是能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器，被廣泛應用于精密制造業(yè)以及國防、科研、計量部門的精密長度測量。本次課題的目標是研究電感測微儀的軟硬件設計與實現方法，實現能對傳感器探頭感受到的微位移信號進行實時的測量并顯示的目的。通過對相關知識的了解，構建測量系統框圖、分析系統工作原理進而對電路的硬件部分進行設計。

2 測微儀方案確定

2.1 測微儀的設計思想

位移檢測通常用電感式、電容式、光柵式等傳感器檢測位移量的變化。本次設計選用可接觸測量的電感式差動傳感器。其建立在電磁感應基礎上，利用線圈電感或互感的改變來實現非電量的測量。把輸入的物理量如位移量、振動、壓力、流量等參數，轉換為線圈的自感系數 L 和互感系數M 的變化，而 L 和 M 的變化在電路中轉換為電壓或電流的變化，即將非電量轉換成電信號輸出。電感式傳感器有以下特點： 工作可靠，壽命長；靈敏度高，分辨力高；精度高，線性好；線性穩(wěn)定，重復性好。

本課題涉及到的信號調制，就是將微位移信號調制到正弦波信號上進行檢測。電感測微儀測頭由差動螺管線圈和可在線圈內部移動的磁芯組成，當線圈由交變信號驅動時，線圈內部產生一個磁場。調制部分采用差動變壓器電橋的思想，即實現無位移輸入時鐵芯位于中央處，輸出為零；反之，當鐵芯移動時，改變線圈內部的磁場分布，測量電路產生一個與磁芯移動量大小成正比的電壓幅值。這個電壓的幅值信號就是整個系統的處理對象，它的幅值和相位就間接反映出了位移量的大小和方向。

2.2 測微儀的方案設計

系統的硬件電路設計如圖1所示，調制信號所用測量線圈由兩個以差動方式工作的螺管線圈組成并由正弦電源激勵，內部鐵芯棒由被測位移X 帶動以改變螺管線圈的自感或互感，再由信號調理電路將自感或互感的變化轉換為電壓或電流信號至A/D 轉換電路，計算機從轉換電路獲取被測位移變化X 的數字信號，通過分析處理得到測量結果及相關的信息。

圖1 電感傳感器微位移測試儀系統框圖

2.3 系統模擬電路的設計與仿真

模擬電路的設計包含測量電路的設計，由于微位移信號經變壓器電橋后產生的輸出信號較小，因而需要對其采集的信號進行放大使得其調制后的電壓有效值滿足AD 轉換器的輸入范圍，即放大整流電路設計以及其后續(xù)的精密整流電路設計等。在模擬電路仿真方面，選擇了更側重于模擬數字電路原理特性級仿真分析的Multisim 軟件，整體仿真見圖2。

圖2 系統模擬電路的設計與仿真

2.4 系統數字電路的設計與仿真

數字電路的設計包含AD 轉換器電路、單片機及其外圍電源電路、復位、時鐘電路、數碼管顯示電路以及通信電路的設計。同時編寫主程序、AD 轉換程序、數字處理以及數碼管顯示程序，利用PROTUES 對數字電路進行仿真，整體仿真見圖3。

圖3 系統數字電路的設計與仿真

3 結束語

本次設計通過查閱資料，結合所學，成功完成了以單片機為核心器件的電感測微儀的相關電路設計，并分別利用Multisim 和PROTEUS 進行了電路仿真，電路調試后基本可以實現相應的功能，同時也對系統可能存在的誤差和外界干擾進行了相關的分析，并提出了一些解決措施。