射頻諧振式電感傳感器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

駱先達，傅 星

（天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072）

電感傳感器是利用線圈自感或互感的變化實現(xiàn)測量的一種裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、對工作環(huán)境要求不高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點[1-2]，因此在眾多電子儀表中得到廣泛應(yīng)用。電感傳感器通常由電感測頭和轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。不同形式的電感測頭可以將位移、角度、壓力、磁場等不同物理量的變化轉(zhuǎn)換成線圈電感的變化，再將線圈接入到轉(zhuǎn)換電路中就能以電信號的形式將被測量的變化反映出來。最后結(jié)合高精度的信號采集電路以及計算機軟件補償技術(shù)可以制成多種類型的電子測量儀表，如電感測微儀，電磁流量計等[3]。

近年來，很多學(xué)者以改進電感傳感器的信號調(diào)理電路或計算機軟件補償算法的方式來提高電感傳感類儀表的性能[4-6]。本文從電感傳感器自身出發(fā)，設(shè)計了射頻諧振式轉(zhuǎn)換電路，利用諧振時電路阻抗極低的特性，實現(xiàn)輸出電壓的放大。以達到從信號源頭增大傳感器靈敏度、提高測量系統(tǒng)信噪比的目的。這種方法還可以與其他改進技術(shù)如：傳感器激勵源、輸出信號處理、計算機軟件補償?shù)燃嫒菀怨餐岣哒麄€系統(tǒng)的性能[7]。

1 射頻諧振式轉(zhuǎn)換電路的原理

電感傳感器常使用變壓器電橋作為轉(zhuǎn)換電路，從而將線圈的自感變化轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。圖1所示為變壓器電橋改進而得的射頻諧振式轉(zhuǎn)換電路。Z1、Z2表示傳感器兩個線圈的阻抗，與線圈串聯(lián)的兩個電容器的大小均為C0，電橋另兩臂為電源變壓器二次側(cè)線圈的兩半，每半的電壓均為u/2。

圖1 射頻諧振式轉(zhuǎn)換電路Fig.1 RF resonance conversion circuit

根據(jù)基爾霍夫定律可得轉(zhuǎn)換電路的空載輸出電壓為

式中：ω 為交流電源角頻率。在初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z，u0=0。對于差動型電感測頭，當(dāng)被測量發(fā)生變化時會引起兩個線圈的阻抗發(fā)生相反的變化，即Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，代入式（1）得：

調(diào)節(jié)交流電源的頻率使電容與電感線圈諧振，則電感線圈的感抗與串聯(lián)電容的容抗相等，電路表現(xiàn)為純電阻性，此時轉(zhuǎn)換電路的空載輸出電壓為

式中：Zr為電感線圈阻抗的實部大小。根據(jù)電感線圈的等效電路[8]計算出電感線圈的阻抗為

線圈電感變化引起阻抗變化的大小為

將式（5）代入式（3）得到射頻諧振電橋的空載輸出電壓為

式中：Q=ωL/R，為品質(zhì)因數(shù)。從式（6）可看出射頻諧振電橋的靈敏度不僅與電源電壓相關(guān)，而且還與品質(zhì)因數(shù)成正比，與傳統(tǒng)變壓器電橋[9]相比，在相同激勵電壓的條件下，射頻諧振電橋的輸出電壓擴大了Q 倍，且頻率越高，Q 值越大。因此可以通過提高激勵頻率，從電信號輸出的源頭實現(xiàn)提高信噪比和靈敏度的目的。從上述分析中可以看出，電路只有在諧振狀態(tài)下才能滿足模型成立的條件?？紤]到在實際測量中，電感量會隨著被測量的變化而變化，本文設(shè)計了偏移檢測和反饋控制電路，在電感量發(fā)生變化，使得頻率發(fā)生偏移時，偏移檢測電路檢測出偏移量，通過反饋控制電路輸出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)電壓，施加到與線圈串聯(lián)的兩個電容器上，調(diào)節(jié)電容量，使得電路一直保持諧振狀態(tài)。差動信號的輸出經(jīng)由信號調(diào)理電路（由交流放大電路、帶通濾波電路、峰值檢測電路組成）將電感傳感器的輸出信號調(diào)理成直流信號以方便模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器采集信號，最后通過計算機對采集到的信號進行數(shù)字濾波得到精確的測量結(jié)果。測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)框圖Fig.2 Measurement system block diagram

2 實驗驗證與結(jié)果分析

實驗選擇位移量測量，使用精密位移臺為電感傳感器提供位移輸入。為了對比射頻諧振電橋與普通變壓器電橋的性能，將相同的電感測頭分別接入這兩個不同類型的轉(zhuǎn)換電路中進行實驗。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測出對應(yīng)頻率下線圈的Q 值。

實驗中，對于由普通變壓器電橋組成的電感傳感器，其工作頻率設(shè)置為30 kHz，輸出電壓與輸入位移之間的關(guān)系如圖3所示，計算出的靈敏度為S普=68.48 mV/mm。對于射頻諧振式電感傳感器，選擇 在380.1 kHz，424.2 kHz，459.8 kHz 的頻率下實驗，其輸出電壓與輸入位移之間的關(guān)系如圖4所示，不同諧振頻率下線圈的Q 值以及傳感器的靈敏度S諧如表1所示。

圖3 普通電感傳感器輸出電壓位移關(guān)系Fig.3 Relationship between the output voltage and the input displacement of ordinary inductive sensor

圖4 射頻諧振式傳感器輸出電壓位移關(guān)系Fig.4 Relationship between the output voltage and the input displacement of RF resonant inductive sensor

表1 實驗結(jié)果匯總表Tab.1 Summary of experimental results

從表1所示的結(jié)果中可以看到，射頻諧振式電

感傳感器與普通電感傳感器相比，靈敏度明顯提高，且提高的倍數(shù)近似等于電感線圈的Q 值。

3 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)變壓器電橋的基礎(chǔ)上，利用LC 諧振原理設(shè)計出射頻諧振式轉(zhuǎn)換電路。根據(jù)電感線圈的射頻等效電路，證明射頻諧振式轉(zhuǎn)換電路的靈敏度與電感線圈的品質(zhì)因數(shù)Q 直接相關(guān)，并且與普通變壓器電橋相比，射頻諧振轉(zhuǎn)換電路的靈敏度提高了Q 倍，顯著提高了儀表測量系統(tǒng)的精度與分辨力。實際應(yīng)用中，本設(shè)計與不同形式的電感測頭結(jié)合起來，可以實現(xiàn)對位移、角度、壓力、磁場等多種物理量的測量，具有一定的通用性。