電感傳感器

電感式傳感器的特點(diǎn)是：①無(wú)活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長(zhǎng)；②分辨率高；③靈敏度高；④線性度高、重復(fù)性好；⑤測(cè)量范圍寬（測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低）；⑥無(wú)輸入時(shí)有零位輸出電壓，引起測(cè)量誤差；⑦對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；⑧不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器主要用于位移測(cè)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(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測(cè)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(shí)際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動(dòng)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(cè)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(duì)覆蓋面積（即磁通截面）隨被測(cè)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(cè)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(cè)物體移動(dòng)時(shí)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(jiǎn)單，便于制作。

帶有模擬輸出的電感式接近傳感器是一種測(cè)量式控制位置偏差的電子信號(hào)發(fā)生器，其用途非常廣泛。例如：可測(cè)量彎曲和偏移；可測(cè)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(duì)中心率或偏心率。

電感傳感器還可用作磁敏速度開(kāi)關(guān)、齒輪齒條測(cè)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(cè)，鏈輸送帶的速度和距離檢測(cè)，齒輪齒計(jì)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(cè)、物體噴出控制、斷線監(jiān)測(cè)、小零件區(qū)分、厚度檢測(cè)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(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。

電感傳感器測(cè)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(jí)繞組或緊耦合的電感。需要指出的是，緊耦合電感電橋無(wú)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(jiǎn)單自感傳感器的測(cè)量線路，該線路的輸出量是電流。該線路在精密測(cè)量中存在如下一些缺點(diǎn)：線性工作范圍窄；無(wú)輸入時(shí)就存在起始電流，因此不能實(shí)現(xiàn)零輸入時(shí)零輸出的要求，且激磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)使銜鐵產(chǎn)生附加位移將引起測(cè)量誤差。將簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)上述設(shè)想的典型線路，這是一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器。

在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域中，傳感器和測(cè)量電路一般不可避免的會(huì)存在零點(diǎn)殘余電壓和零點(diǎn)漂移，即零點(diǎn)誤差。零點(diǎn)誤差的處理對(duì)儀器的測(cè)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(diǎn)誤差處理的一些措施。實(shí)驗(yàn)證明，這些措施對(duì)抑制零點(diǎn)誤差、提高儀器測(cè)量精度是有效的。

零點(diǎn)誤差測(cè)量原理及零點(diǎn)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(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的傳感器。如圖 1 所示為螺管型差動(dòng)式電感測(cè)頭的結(jié)構(gòu)。它主要由測(cè)頭10、銜鐵 3、以及兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈 2 和 4 組成。測(cè)頭 10 與被測(cè)物體直接接觸，當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生微小的位移時(shí)，測(cè)頭 10 通過(guò)測(cè)桿 8 帶動(dòng)銜鐵在電感線圈 2 和 4 中產(chǎn)生移動(dòng)，使其中一個(gè)線圈的電感增加，一個(gè)線圈的電感減少，形成差動(dòng)結(jié)構(gòu)。電感的測(cè)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(jí)中心抽頭， 把次級(jí)分為兩個(gè)繞組接入電橋作為電橋的兩鄰臂， 另外兩臂由兩差動(dòng)電感線圈構(gòu)成。

理想情況下，變壓器次級(jí)繞組上下兩部分對(duì)稱，故兩部分的電壓相等。電橋平衡時(shí)，輸出電壓應(yīng)為零，但實(shí)際當(dāng)銜鐵位于平衡位置時(shí)，會(huì)存在一個(gè)零點(diǎn)幾毫伏甚至達(dá)到數(shù)十毫伏的微小電壓輸出，即零點(diǎn)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(gè)部分組成。

零點(diǎn)誤差零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因

零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的主要原因有：

（1） 次級(jí)兩個(gè)線圈電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，兩線圈電勢(shì)幅值和相位均不相等；

（2） 兩個(gè)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(duì)稱；

（3） 傳感器本身磁芯磁化曲線的非線性。零點(diǎn)殘余電壓是影響傳感器測(cè)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(jí)趨于飽和，導(dǎo)致儀器電路不能正常工作。

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

（1） 提高變壓器次級(jí)兩繞組的對(duì)稱性變壓器將正弦激勵(lì)電源耦合提供給電橋，對(duì)測(cè)量精度最大的影響是當(dāng)二次側(cè)線圈不對(duì)稱時(shí)而導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓的產(chǎn)生。為此，我們?cè)谧儔浩鞯男螤?、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(jì)，文獻(xiàn) 對(duì)于變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

為了保證二次側(cè)線圈的對(duì)稱性，在經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)之后對(duì)變壓器進(jìn)行了測(cè)試。將信號(hào)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(cè)量電路變壓器電橋正弦載波的輸入）輸入到變壓器的初級(jí)，如圖 3 所示，從示波器觀察到從變壓器次級(jí)輸出的兩個(gè)正弦波幅值完全一致，為 5V，相位相反。

（ 2） 采用試探法對(duì)電橋電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(guò)示波器觀察交流放大后的輸出，移動(dòng)測(cè)頭將銜鐵向平衡位置移動(dòng)，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(guò)程中，出現(xiàn)了電壓不能到零位的情況，這主要是因?yàn)榇氲臉虮圩杩贡旧硪迅叱隽硪粯虮鬯拢@時(shí)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(gè)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(duì)應(yīng)于基波為零的位置。

當(dāng)零點(diǎn)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(guò)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(guò)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(dòng)式結(jié)構(gòu)傳感器對(duì)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(duì)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(duì)電感線圈分流，改變磁化曲線上的工作點(diǎn)，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(cè)電路的方法也可對(duì)諧波進(jìn)行抑制。

（3）采用軟件自動(dòng)補(bǔ)償

傳感器的零位誤差從理論上通過(guò)電路設(shè)計(jì)和調(diào)試可以完全消除，但實(shí)際上傳感器和測(cè)量電路的特性還會(huì)受時(shí)間和環(huán)境等因素的影響，比如傳感器輸出的信號(hào)通常通過(guò)電纜線接入測(cè)量電路，只要電纜被撥動(dòng)一下，電橋參數(shù)就相應(yīng)會(huì)發(fā)生變化，零點(diǎn)位置產(chǎn)生偏移，甚至每次開(kāi)機(jī)測(cè)量都會(huì)導(dǎo)致電橋零位的偏移，此時(shí)必須重新對(duì)電路進(jìn)行阻抗匹配調(diào)試等，測(cè)量過(guò)程極為不便。為此，設(shè)計(jì)了軟件補(bǔ)償技術(shù)來(lái)自動(dòng)校正零點(diǎn)漂移誤差。每次測(cè)量之前，由計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)處理中的零點(diǎn)輸出 N₀ 進(jìn)行存儲(chǔ)，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(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量精度的影響。

零點(diǎn)誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用德國(guó) Mahr 公司生產(chǎn)的 Millitron No. 1234 IC電感測(cè)微儀和中原量?jī)x生產(chǎn)的BCT-5C 型微動(dòng)臺(tái)架對(duì)電感傳感器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，將兩個(gè)電感傳感器一同安裝在微動(dòng)臺(tái)架的斜面上。輸入位移量以德國(guó) Mahr 公司生產(chǎn)的 Millitron. No. 1234 IC 電感測(cè)微儀讀數(shù)為基準(zhǔn)，微進(jìn)給 BCT-5C 型微動(dòng)臺(tái)架實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)自行研制的電感測(cè)微儀有1~2mV（對(duì)應(yīng)采樣數(shù)據(jù)為 1~2 個(gè)字）的變動(dòng)量時(shí)，德國(guó)電感測(cè)微儀示值保持不變，由此得出結(jié)論為：電感測(cè)微系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于 0.01 m。

實(shí)驗(yàn)證明，上述措施對(duì)電感傳感器存在的零點(diǎn)誤差進(jìn)行了有效地抑制，使得測(cè)量的精度得到了很大的提高。 2100433B