電路系統(tǒng)設計中互感式位移傳感器的應用

張瑞

九江職業(yè)技術(shù)學院 江西 九江 332007

引言

位移傳感器根據(jù)位移的大小而不同，它被用來確定小的位移，高精度。在位移傳感器檢測系統(tǒng)中，有簡單的設計、大輸出信號、高靈敏度、溫度影響的小誤差、良好的密封和其他廣泛應用的好處。

1 互感式位移傳感器

互感式位移傳感器在電磁感應中使用互惠原則，將兩個線圈以微分形式連接起來，稱為微分變壓器傳感器。該類型傳感器主要有兩個部件：由初級線圈、兩個反向連接的次級繞組構(gòu)成的繞組結(jié)構(gòu)，以及由鐵磁材料構(gòu)成并機械連接到被測物體的可移動鐵芯，其中繞組結(jié)構(gòu)和可移動鐵芯之間沒有物理接觸。分配至左左方向和結(jié)論區(qū)別反向電壓串聯(lián)連接,入口初級繞組信號交流電時，根據(jù)電磁感應里面的核心骨架做理論上的位移傳感器切斷磁線，放大線圈間的磁感應產(chǎn)生感應電動勢。傳感器的輸出電壓與激勵源頻率、繞組線圈初級、次級匝數(shù)、鐵芯的半徑和長度、鐵芯外端面與繞組骨架內(nèi)端面之間的氣隙厚度以及鐵芯轉(zhuǎn)動角度等有關(guān)。理想情況下當核心位于中心時，級線圈產(chǎn)生相同但相反的互惠電壓，因此輸出微分電壓為零。當核心內(nèi)部的位移發(fā)生變化時，輸出電壓隨核心的位移而變化。

2 電路系統(tǒng)設計中互感式位移傳感器的應用

2.1 感式位移傳感器使用原理

它的結(jié)構(gòu)核心由磁性材料組成，由扇形對稱的兩端組成，沒有與線圈結(jié)構(gòu)的摩擦。在輸入量不變的情況下，位移傳感器原本的輸入輸出關(guān)系應保持恒定，但在實際應用過程中，位移傳感器輸出量隨著時間是變化的，一是位移傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)，線圈結(jié)構(gòu)中繞線參數(shù)的不對稱，繞線結(jié)構(gòu)誤差，引線長度不一致等；二是周圍環(huán)境的改變，如溫度、濕度等環(huán)境溫度變化而引起輸出量的變化?；ジ惺轿灰苽鞲衅鞯木€性范圍是指在保證一定測量范圍精度下，輸出與鐵芯位移量呈線性的工作范圍，其線性范圍越寬，表示傳感器的量程越大。但由于傳感器結(jié)構(gòu)特性，輸出的電壓與傳感器量程位移量之間并非完全呈線性關(guān)系，線性輸出超出范圍，輸出的線性度會逐漸衰減。假設磁殼和空氣中的磁散射被忽視，原始線圈產(chǎn)生的磁通量可以分為兩種方式。

2.2 傳感器電路設計

具有相互感應耦合的運動傳感器電路是用來處理位移傳感器信號的，電源輸入15V，工作溫度范圍-45℃～105℃、外部尺寸70mm×42mm×18mm。整流電路有半波和全波整流兩種，最常用的是單相橋氏整流電路。根據(jù)傳感器輸出電壓的極性，利用二極管的單向?qū)щ?，橋式整流二極管分為兩組分別導通，保證次級線圈感應信號在整個周期內(nèi)，整流輸出的電壓和電流在方向上始終保持不變，得到一個單方向的全波脈動電壓。相對于半波整流，克服了交流分量大，輸出電壓低等缺點。同時，感應電壓得到充分的運用效率較高。低通濾波電路最常采用電容濾波，利用電容的充放電進行濾波。當整流輸出信號波形上升時，電容充電，其回路電阻為整流電路內(nèi)阻，因而時間常數(shù)小，充電速度很快；當輸出信號上升到峰值后開始下降，電容通過電阻放電，故放電時間常數(shù)遠大于充電時間常數(shù)，放電速度很慢。在電容還沒有完全放電的情況下再次開始進行充電，重復該過程，實現(xiàn)濾波作用。其電路結(jié)構(gòu)簡單，濾波后的輸出電壓平滑且平均值也得到提高，常用于負載電流較小的電路中。它的電路結(jié)構(gòu)很簡單，過濾后的輸出電壓被平滑，平均值也被提高，經(jīng)常用于負載較低的電路。相敏感應器回路輸出通過低帶寬的二級濾波器階段，而不是一級濾波器的寬度，濾波器效應。類似輸入的電壓調(diào)節(jié)電路提供了足夠高的輸出恒定電壓穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的環(huán)繞探測器電路中，由于二極管的閾值電壓降低，整流器電路在解調(diào)器信號振幅上犯了一個大錯誤。與此同時，無法確定探測器輸出的解調(diào)器階段。此外，在相同的整流模式下，繞過檢波被用來在不同的頻率上調(diào)制信號，使其無法識別信號的頻率。當探測器處于中間位置時，剩余的零應力保持不變，導致接近零的麻木區(qū)。通過相敏探測器，可以在中間位置、相位和信號頻率上消除高諧波引起的剩余電壓。然而，低頻過濾電路會導致時間延遲，從而增加理解電路的反應時間，使相敏電路受限。這個解調(diào)器電路通過簡單的比較器和級聯(lián)電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，允許區(qū)分解調(diào)器信號的相位。取樣控制電路取代傳統(tǒng)的低頻過濾電路，以適應刺激信號的半周期，并增加電路反應時間。采用相敏檢波電路可以消除掉鐵芯在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓，還具有判別信號相位和頻率，提高抗干擾的能力。但是低通濾波電路將會引起時間的延遲，從而增大了解調(diào)電路的響應時間，使得相敏檢波電路有一定的局限性。采樣保持電路的解調(diào)電路拓撲和模擬查找表擴展線性范圍結(jié)構(gòu)。最后對電路整體結(jié)構(gòu)和整體電路時序進行了分析說明了設計方案的可行性。

2.3 電源轉(zhuǎn)換設計

電源供電問題是電子電路中常見但極其重要的問題。在電路中，因為每個模塊需要的電源電壓不同，通過一個轉(zhuǎn)換電路將一個直流電壓轉(zhuǎn)換成其他的直流電壓。根據(jù)整體電路分析，整體電路供電15V，電路中需要獨立供電的電路模塊電壓又各不相同，正弦波振蕩電路、峰值檢測電路、可控同反相電路需要供電12V電壓，脈沖生成電路、數(shù)字邏輯門需要供電5V電壓，而其中的比較器、積分電路需要±5V的供電電壓[1]。因此，電源轉(zhuǎn)換供電模塊需要多種電壓輸出的能力。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，雖然輸入電壓的擾動可以得到抑制，但輸出電壓不能調(diào)節(jié)，同時受到穩(wěn)壓管最大工作電流限制，使用范圍受到限制，因此該電路適應于輸出電壓要求不高，負載電流小的場合。線性穩(wěn)壓電路是在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)的基礎上，通過采樣輸出電壓，引入深度負反饋使輸出電壓保持穩(wěn)定，同時改變反饋網(wǎng)絡參數(shù)可以調(diào)節(jié)輸出電壓；并且利用晶體管的特性來增加負載電流。線性穩(wěn)壓器電路具有結(jié)構(gòu)簡單、反應速度快，輸出紋波較小、輸出電壓穩(wěn)定性強等優(yōu)點。但該電路的散熱是存在的最大問題，由于調(diào)整管始終工作在放大狀態(tài)，自身功耗太大，故效率低。為了解決調(diào)整管的散熱問題，必須匹配相應的散熱裝置。開關(guān)型穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路是把輸入的直流信號轉(zhuǎn)換成方波，通過低通濾波器再將方波濾波得到直流信號的電路，通過該過程降低電壓，減少電壓變換時的損失。經(jīng)開關(guān)驅(qū)動后，得到控制信號控制調(diào)整管的工作狀態(tài)。當輸出電壓變化時，采樣電壓同時變化，并作用于開關(guān)驅(qū)動中的比較放大電路，通過與基準電壓比較放大，進而改變控制信號的占空比，改變調(diào)整管的導通時間，調(diào)節(jié)輸出電壓，從而達到穩(wěn)壓的目的。通常使用多諧振蕩器和RC振蕩電路。多諧振蕩器多諧振蕩器是無機振蕩器，可以產(chǎn)生連續(xù)脈沖并應用更多。多諧振蕩器由三極管、電阻和電容組成。當電路啟動時，當電路連接到電源時，兩個晶體管都關(guān)閉了。由于設備、晶體管、電阻和電容的技術(shù)錯誤，因此必須有一個晶體管為第一晶體管，另一個晶體管必須關(guān)閉，所以電路必須同時存在。因為在多諧振蕩器中，輸出頻率主要由電阻和電容電荷的過程決定，在實際生產(chǎn)電路中，電阻、電容和三極管等不穩(wěn)定因素對振蕩周期產(chǎn)生了重大影響;與此同時，輸入功率波動也對信號輸出的振幅和振幅產(chǎn)生了一定的影響，紋理應力太大，無法滿足實際應用的要求。在零輸入下，反饋等于一個干凈的輸入。電壓輸入前經(jīng)過整流橋，預防了因輸入電壓反接而損壞電路。整流橋內(nèi)部主要是由四個二極管組成的橋路，同一時間只有兩個二極管進行工作通過二極管的單向?qū)üδ埽沟幂斎攵穗妷簾o論怎樣接，電路都可以正常工作。在電路本身的外部擾動或最初不穩(wěn)定信號下，當電路加固時，電路會產(chǎn)生一個小輸出，振幅小，并產(chǎn)生初始刺激。在最初的刺激下，電路中的正反饋將增加性。

2.4 PCB版圖設計

在整個信號處理電路中，主要的熱儀器是晶體，將能量轉(zhuǎn)化為電壓穩(wěn)定器、放電電路、開關(guān)、電感等。因此，在開發(fā)PCB電路時，應使用下列措施來提高熱效率[2]：①低通濾波采用壓控二階低通濾波電路，在電路中，電容形成正反饋，進而對輸出電壓進行控制，而電容的阻抗趨于零，電路在通帶截止頻率附近時，引入正反饋增大電壓放大倍數(shù)，但又不產(chǎn)生自激振蕩。當頻率由于電容阻抗大，正反饋信號較弱，不會影響電路的放大倍數(shù)；當頻率信號被電容衰弱，輸出電壓小，同樣也不會影響電路的放大倍數(shù)。②在設計PCB平板電腦時，按照模塊化電路的有理分布和根據(jù)模塊化電路的有理分布式配置，以減少每個電路模塊化設備的熱量散射影響到其他儀器的溫度。特別是電源轉(zhuǎn)換模塊，電路中有更多的熱量，必須安裝在PCB的邊緣附近，以減少傳輸路徑。③電路的正反饋將得到的初始激勵放大，輸出越來越大。當輸出信號的幅值增大到一定程度時，利用穩(wěn)幅環(huán)節(jié)中半導體器件的非線性特性，當幅值增大到一定程度時，放大倍數(shù)的數(shù)值將減小。因此，當輸出信號幅值電壓達到某值時，輸出信號與反饋信號相互維持，最終達到動態(tài)平衡，實現(xiàn)自行振蕩。④編輯圖需要根據(jù)設備電流密度的最小通道寬度，特別注意連接點上的通道墊；試著把表面畫得更大一些。與此同時，緩沖放大器將電容器和負載隔離并保持輸出電壓不變，否則電容器上的電荷相守恒可以通過無法保存的負載來實現(xiàn)。容量在取樣鏈中非常重要。容量必須能夠在取樣模式下快速充電，保持電路取樣精度;在進入控制模式時，為了精確排出系統(tǒng)，電容器的減壓速率必須低，電容放電必須緩慢。因此，將使用校正電容、校正信號或電路振幅來維持這個結(jié)構(gòu)的容量，在輸出時，電容器將比其他電容更有效、更快地工作。隨著溫度的變化，電容器的容量不會改變，電路的測量也會更精確。

3 發(fā)展態(tài)勢

高靈敏度傳感器是出口和入口之間的典型關(guān)系，這對傳感器非常重要。反并聯(lián)二極管的電阻在振蕩器產(chǎn)生信號的一個周期內(nèi)變化，信號瞬時值較小時電阻較大，信號瞬時值較大時電阻較小，振蕩電路的環(huán)路增益在一個周期內(nèi)隨時變化，這個環(huán)路增益的變化會帶來諧波失真，將振蕩器輸出正弦波控制在較小幅度，減小失真[3]。傳感器的線性范圍增加了靈敏度，傳感器中磁場的微小變化，可以得到高精度、精度和信號處理的某些好處。在傳統(tǒng)的傳感器階段，對相互感應的快速反應是通過同步解調(diào)器從二次線圈輸出信號中提取出來的。模擬開關(guān)根據(jù)選通控制的電平，決定輸入與輸出的連接狀態(tài)。一體化以確保整個系統(tǒng)的可靠性一體化振蕩電路的加工和信號電路在同一晶體成為趨勢，使整個電路與校準功能補償監(jiān)管、保護等，降低成本，減少外部電路簡化結(jié)構(gòu)和提高生產(chǎn)率和可靠的傳感器目標。信號處理電路PCB板結(jié)構(gòu)相對于專用集成電路芯片，電路體積大，整體性能較差。為應對各種復雜的使用環(huán)境，提高傳感器整體的性能和可靠性，后續(xù)需將當前方案電路集成到同一芯片上，實現(xiàn)整體電路的集成化，這也是電路未來發(fā)展趨勢。

4 結(jié)束語

根據(jù)傳感器高線性度和寬范圍的設計要求，對傳統(tǒng)的解調(diào)電路拓撲結(jié)構(gòu)和不同的線性擴展電路方式進行了對比和分析，最終采用了基于采樣保持電路的解調(diào)電路結(jié)構(gòu)和通過模擬查找表的方式，采用三角信號來擴展線性的結(jié)構(gòu)，避免了因線圈結(jié)構(gòu)所引起次級感應信號的非線性和相位差，擴展了線性范圍，同時也提高了線性度和響應速度。在峰值控制電路、脈沖生成電路和受控制的相位電路的基礎上，完成了一個基于離散支持鏈的解碼電路，精確定義振幅和次級感應信號，使用集成電路和單個穩(wěn)定電路完成程序模擬搜索表完成了設計。