電感傳感器應(yīng)用

帶有模擬輸出的電感式接近傳感器是一種測量式控制位置偏差的電子信號發(fā)生器，其用途非常廣泛。例如：可測量彎曲和偏移；可測量振蕩的振幅高度；可控制尺寸的穩(wěn)定性；可控制定位；可控制對中心率或偏心率。

電感傳感器還可用作磁敏速度開關(guān)、齒輪齒條測速等，該類傳感器廣泛應(yīng)用于紡織、化纖、機(jī)床、機(jī)械、冶金、機(jī)車汽車等行業(yè)的鏈輪齒速度檢測，鏈輸送帶的速度和距離檢測，齒輪齒計數(shù)轉(zhuǎn)速表及汽車防護(hù)系統(tǒng)的控制等。另外該類傳感器還可用在給料管系統(tǒng)中小物體檢測、物體噴出控制、斷線監(jiān)測、小零件區(qū)分、厚度檢測和位置控制等 。

由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。

電感式傳感器的特點是：①無活動觸點、可靠度高、壽命長；②分辨率高；③靈敏度高；④線性度高、重復(fù)性好；⑤測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低）；⑥無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差；⑦對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；⑧不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。

常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。

變間隙型電感傳感器：這種傳感器的氣隙δ隨被測量的變化而改變,從而改變磁阻。它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增大而減小，因此常常要考慮兩者兼顧。δ一般取在0.1～0.5毫米之間。

變面積型電感傳感器：這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對覆蓋面積（即磁通截面）隨被測量的變化而改變,從而改變磁阻。它的靈敏度為常數(shù)，線性度也很好。

螺管插鐵型電感傳感器：它由螺管線圈和和被測物體相連的柱型銜鐵構(gòu)成。其工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵隨被測物體移動時改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡單，便于制作。

電感傳感器測量線路主要采用交流電橋。交流電橋的固定橋臂可以是電阻、變壓器的次級繞組或緊耦合的電感。需要指出的是，緊耦合電感電橋無論是在靈敏度指標(biāo)上還是在電橋的平衡上都更優(yōu)越。

簡單自感傳感器的測量線路，該線路的輸出量是電流。該線路在精密測量中存在如下一些缺點：線性工作范圍窄；無輸入時就存在起始電流，因此不能實現(xiàn)零輸入時零輸出的要求，且激磁電流產(chǎn)生的磁場使銜鐵產(chǎn)生附加位移將引起測量誤差。將簡單自感傳感器的自感量轉(zhuǎn)換成電的頻率變化的設(shè)想是：將簡單自感傳感器與電容器構(gòu)成一振蕩器的線路，于是振蕩器的振蕩頻率便是傳感器自感量的函數(shù)。實現(xiàn)上述設(shè)想的典型線路，這是一個電容三點式振蕩器。

在工業(yè)測量領(lǐng)域中，傳感器和測量電路一般不可避免的會存在零點殘余電壓和零點漂移，即零點誤差。零點誤差的處理對儀器的測量精度起著關(guān)鍵性的影響。研究以自感式電感傳感器為例，提出了零點誤差處理的一些措施。實驗證明，這些措施對抑制零點誤差、提高儀器測量精度是有效的。

零點誤差測量原理及零點殘余電壓的產(chǎn)生

自感式電感傳感器是一種建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，利用線圈的自感變化原理實現(xiàn)非電量電測的傳感器。如圖 1 所示為螺管型差動式電感測頭的結(jié)構(gòu)。它主要由測頭10、銜鐵 3、以及兩個電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈 2 和 4 組成。測頭 10 與被測物體直接接觸，當(dāng)被測物體產(chǎn)生微小的位移時，測頭 10 通過測桿 8 帶動銜鐵在電感線圈 2 和 4 中產(chǎn)生移動，使其中一個線圈的電感增加，一個線圈的電感減少，形成差動結(jié)構(gòu)。電感的測量電路有許多，變壓器電橋是其中最典型的一種。變壓器電橋如圖 2 所示，它是從變壓器次級中心抽頭， 把次級分為兩個繞組接入電橋作為電橋的兩鄰臂， 另外兩臂由兩差動電感線圈構(gòu)成。

理想情況下，變壓器次級繞組上下兩部分對稱，故兩部分的電壓相等。電橋平衡時，輸出電壓應(yīng)為零，但實際當(dāng)銜鐵位于平衡位置時，會存在一個零點幾毫伏甚至達(dá)到數(shù)十毫伏的微小電壓輸出，即零點殘余電壓。從示波器上觀察，它包含了很多幅值和頻率互不相同的諧波成分，由基波和高次諧波兩個部分組成。

零點誤差零點殘余電壓產(chǎn)生的原因

零點殘余電壓產(chǎn)生的主要原因有：

（1） 次級兩個線圈電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，兩線圈電勢幅值和相位均不相等；

（2） 兩個電感線圈的電氣參數(shù)以及導(dǎo)磁體幾何尺寸不可能完全對稱；

（3） 傳感器本身磁芯磁化曲線的非線性。零點殘余電壓是影響傳感器測量精度的主要因素之一，它使傳感器靈敏度下降，非線性誤差增大，甚至使放大器末級趨于飽和，導(dǎo)致儀器電路不能正常工作。

針對其產(chǎn)生的原因，采取以下措施對零點殘余電壓進(jìn)行處理：

（1） 提高變壓器次級兩繞組的對稱性變壓器將正弦激勵電源耦合提供給電橋，對測量精度最大的影響是當(dāng)二次側(cè)線圈不對稱時而導(dǎo)致零點殘余電壓的產(chǎn)生。為此，我們在變壓器的形狀、鐵芯材料、線圈的材料和直徑尺寸、匝數(shù)、匝比、絕緣材料的選擇以及繞制的方法等方面進(jìn)行了精心的挑選和設(shè)計，文獻(xiàn) 對于變壓器的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

為了保證二次側(cè)線圈的對稱性，在經(jīng)過精心的設(shè)計之后對變壓器進(jìn)行了測試。將信號發(fā)生器產(chǎn)生的峰-峰值15V，頻率 9.6kHz 的正弦波（ 模擬電感傳感器二次測量電路變壓器電橋正弦載波的輸入）輸入到變壓器的初級，如圖 3 所示，從示波器觀察到從變壓器次級輸出的兩個正弦波幅值完全一致，為 5V，相位相反。

（ 2） 采用試探法對電橋電路進(jìn)行了設(shè)計和改進(jìn)

如圖 4 所示，首先將電位器 R₁ 串入電橋的一臂，通過示波器觀察交流放大后的輸出，移動測頭將銜鐵向平衡位置移動，并調(diào)節(jié)電位器的阻值，直至使示波器上的波形幅值盡量降低為零。在調(diào)試過程中，出現(xiàn)了電壓不能到零位的情況，這主要是因為串入的橋臂阻抗本身已高出另一橋臂所致，這時應(yīng)將電位器串入另外一臂或者將變壓器的二次側(cè)的兩個繞組的抽頭位置變換一下，再重新調(diào)整電位器，即可以找到對應(yīng)于基波為零的位置。

當(dāng)零點殘余電壓的基波分量調(diào)為零后，只剩下高次諧波分量，這主要是由于傳感器磁芯的磁化曲線的非線性引起的，雖然通過變壓器耦合給二次側(cè)的電源波形為正弦波電源，但是通過線圈的電流發(fā)生了畸變，包含了高次諧波分量。理論上差動式結(jié)構(gòu)傳感器對于這些高次諧波分量可以完全抵消，但由于電橋并不能嚴(yán)格對稱，在兩電感線圈的非線性不一致的情況下，只能抵消一部分。為此，在兩電感線圈并聯(lián)了電阻 R₃和電位器 R₂，對電感線圈分流，改變磁化曲線上的工作點，讓其工作在線性階段，減少諧波分量，并調(diào)節(jié)電位器 R₂，使高次諧波減至最小。按照文獻(xiàn) 所提出的后接相敏檢測電路的方法也可對諧波進(jìn)行抑制。

（3）采用軟件自動補償

傳感器的零位誤差從理論上通過電路設(shè)計和調(diào)試可以完全消除，但實際上傳感器和測量電路的特性還會受時間和環(huán)境等因素的影響，比如傳感器輸出的信號通常通過電纜線接入測量電路，只要電纜被撥動一下，電橋參數(shù)就相應(yīng)會發(fā)生變化，零點位置產(chǎn)生偏移，甚至每次開機(jī)測量都會導(dǎo)致電橋零位的偏移，此時必須重新對電路進(jìn)行阻抗匹配調(diào)試等，測量過程極為不便。為此，設(shè)計了軟件補償技術(shù)來自動校正零點漂移誤差。每次測量之前，由計算機(jī)將數(shù)據(jù)處理中的零點輸出 N₀ 進(jìn)行存儲，然后再將其他的采樣數(shù)據(jù)相應(yīng)的減去 N₀，這樣可以消除由于零點漂移對測量精度的影響。

零點誤差實驗結(jié)果

用德國 Mahr 公司生產(chǎn)的 Millitron No. 1234 IC電感測微儀和中原量儀生產(chǎn)的BCT-5C 型微動臺架對電感傳感器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時，將兩個電感傳感器一同安裝在微動臺架的斜面上。輸入位移量以德國 Mahr 公司生產(chǎn)的 Millitron. No. 1234 IC 電感測微儀讀數(shù)為基準(zhǔn)，微進(jìn)給 BCT-5C 型微動臺架實現(xiàn)。經(jīng)過多次實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)自行研制的電感測微儀有1~2mV（對應(yīng)采樣數(shù)據(jù)為 1~2 個字）的變動量時，德國電感測微儀示值保持不變，由此得出結(jié)論為：電感測微系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于 0.01 m。

實驗證明，上述措施對電感傳感器存在的零點誤差進(jìn)行了有效地抑制，使得測量的精度得到了很大的提高。 2100433B