国防科学技术大学
硕士学位论文
电感传感器测量电路设计与改进
姓名：洪小丽
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：戴一帆
2003.6.1
国防科学技术大学研究生院学位论文
摘要
电感测微仪是一种分辨率极高、工作可靠、使用寿命很长的测量仪，应用于微位移测量已有比较长的历史。国外生产的电感测微仪产品比较成熟，精度高、性能稳定，但价格昂贵。国内生产的电感测微仪存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范围小等问题，一直与国外的传感器水平保持一定的差距。在超精密加工技术迅猛发展的今天，这种测量精度越来越显得不适应加工技术发展的需求。本文针对这些问题，对电感传感器测量电路进行了一定的设计和改进。对电感测微仪的正弦波生成电路、交流分档放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路、数据采集电路等进行了精确的分析和相应的设计，并提出了必要的改进措施。在电路的制作与调试方面，从电路的合理布局与布线、电子元器件的选择与安装、电路的调试等方面做了大量的工作，并通过软件实现数据处理，使测量精度得到进一步的提高。通过一系列的静态测试实验，对传感器的性能进行了一定的评价。实验表明，电感测微仪性能比较稳定，在量程为一２０肛ｍ到＋２０ｐｍ时，每２０分钟的漂移量为ｌＯｎｍ，灵敏度为２８１ｍＶ／｝．Ｌｍ，分辨率优于ｌＯｎｍ，重复精度约为０．１２％Ｆ．Ｓ，线性度为０．２％Ｆ．Ｓ。本文通过对电感测微仪的各种改进，为其成为一个通用化、仪器化、商品化的产品打下了基础。
关键词：电感测微仪稳幅电路数字相敏检波数字滤波静态测试
●
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒ，ｗｉｔｈａｖｉｒｔｕａｌｌＹｉｎｆｉｎｉｔｅ
ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｎｉｔｙａｎｄｅｘｔｒｅｍｅｌｙｌｏｎｇ１ｉｆｅ，ｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｍｉｃｒｏ—ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒａｌｏｎｇｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ．Ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｍａｄｅａｂｒｏａｄｈａｓｖｅｒｙｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｄｕｅｔｏｔｈｅｒｉｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂｕｔｉｔｉＳｖｅｒｙｅｘｐｅｎｓｉｖｅａｓｗｅｌｌ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｓｏｍｅｄｅｆｅｃｔｓｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃｓｅｎｓｏｒｓｕｃｈａｓｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｉｆｔ，
ｌｏｗｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｍａｌｌｍｅａｓｕｒｉｎｇｒａｎｇｅｅｔｃ．Ａｇａｉｎｓｔｔｈｅｓｅｄｅｆｅｃｔｓ，ｔｈｉＳ
ｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｓｅｒｉｅｓｏｆｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｃｉｒＣＵｉｔｏｆｉｎｄｕｃｔｉｖｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒ，ａｄａｐｔｉｎｇｉｔｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＯｎｔｈｅｈａｓｉｓｏｆａｃｃｕｒａｃｙａｎａｌｙｓｉＳ．ｓｏｍｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｎｔｈｅｓｉｎｅｗａｖｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＣｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｙｉｎｇＣｉＦＣＵｉｔ，ｂａｎｄ—ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｐｈａｓｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ．ｄａｔａａｃｑｕｉＳｉｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄＳＯｏｎ．Ｍａｎｙｃｈａｎｇｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｍａｄｅａｂｏｕｔｔｈｅｌａｙｏｕｔａｎｄｗｉｒｉｎｇｏｆｃｉｒｃｕｉｔｂｏａｒｄ，ｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｔｈｅａｓｓｅｍｂｌｙａｎｄｄｅｂｕｇｇｉｎｇｏｆｃｉｒｃｕｉｔａｎｄＳＯｏｎ．ＴｈｅｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｐｒｅｃｉＳｉｏｎ．Ｂｙａｓｅｒｉｅｓｏｆｔｅｓｔｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ。ｔｈｅｓｔａｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉＳｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｉｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉＳｎｏｒｍａｌｌｙｃｏｎｓｔａｎｔ，ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｉｌｉｂｅｖｅｒｙｓｔａｂｌｅ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒａｎｇｅｏｆ一２０Ｎｍｔｏ＋２０ｐｍ，ｔｈｅｄｒｉｆｔｉｓｌＯｎｍ／２０ｍｉｎｕｔｅ：ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉＳ２８１Ｍｖ／＃ｍ：ｒｅｓｏｌＵｔｉｏｎｉＳｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｌＯｎｍ：ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙｉＳ０．１２％Ｆ．Ｓ：１ｉｎｅａｒｉｔｙｉＳ０．２％Ｆ．Ｓ．ＴｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｓｅｎｓｏｒｈａｖｅｌａｉｄｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｉｔＳｆｕｒｔｈｅｒＵｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｓｅｎｓｏｒ，ｓｅｌｆ－ｆｉｘｅｄａｍｐｌｉｔｕｄｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｄｉｇｉｔａｌｐｈａｓｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒ，ｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｉｎｇ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文题目：垫盛佳鐾墨迦量生整遮让当达进
学位论文作者签名：澎一、、确日期：年月日
学位论文版权使用授权书
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（保密学位论文在解密后适用本授权书．）
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学位论文作者签名：竖：！：』强日期：年月日作者指导教师签名：五＝掘日期：州年多月？日
～一国防科学技术大学研究生院学位论文
——～．一
第～章绪论
§１．｛国内给超精密加工及计餐技术概况
精密秘超糖密擞工技术馋必掇械女ｇ＿Ｉ这个吉老行姚孛憋尖璞领域，凳隧饕本｛鏊鳃蹬瑗麴许多新技术如航空、航天、黉达、激光以及微电子、计算机等的出现丽发展起来的，它既是这些新技术的产物义极大地摊动了新技术的发展与成熟。
当前，糟密加工和超精密加工已从单～的技术方法发展为制造系统工程，简称精密工程。它的俸系结构包括戳入、技术、组织为基础以及以下渚方黼：
（ｉ）越精密趣工橇寐与装、关矮：
（２）超糖密切黝刀具，刀具事孝凝，刃具刃露技术；
（３）越精密加工工艺；
（４）超精密加工环境控制（包搔恒泓、隰振、洁净控制等）：
（５）超精密加工的测控技术
为主耍条件的组成部分“’。
其中溺萤技术楚实现超精加工豹前提和基础。精密船工和超精密加工过程中不仅委辩工传帮表垂痰塞避鬈检验，蠢显要检验麓王设备器蒸继元辫｛拳熬犍发，魏巢没有投藏性的测控技术秘仪器，就不能诞实赝达到教搬工矮豢。
加工期检测是不可分的，测攫是对加工的支持，无论多么横密的加工，都必须用曼为精密的测量技术作保障。因此，位移量的精密和超精密测嫩已经成为整个超精密加工体系中一项至为关键的技术。
对虚于机械加工经历的不丽输段，对梭溅技术稻溺鬣仪器的精度接求酾永平有所不同。ｉ７擞纪辩，掇械撩工静误麓只燕戳毫米｛中，１９篷纪对长度的测爨误差能达到微米缀，已基本能适应当瞻枫城炽王戆要求“１。睫麓远２０零辩学技术的迅速发展，“慰仪器精度要求出现？数基级的变化。从糙密测量（０．５“ｍ～０．０５９ｍ），发展到超精密测量（０．０５ｕｍ～Ｏ．００５¨ｍ），擐近义提出纳米精度测爨（６ｎｍ～０．Ｏｆｆｎｍｊ的要求Ｄ’。各种超精密的测量仪相继出现，电感测微仪、电容测微仪、激光干涉仪、ｘ射线干涉仪、Ｆ—Ｐ标准具等。１９８２年位于瑞士苏黎世Ｉ踟实验整的科学家Ｂｉｎｉｎｇ和Ｒｏｈｒｅｒ发明了扫描隧道显徽镜ＳＴＭ，拜由藏而派生了原予力驻徽镜、磁力驻徽镜、鬻擦力显徽镜、扫描离予显徽镜、扫接近按场超声波霾徽镜、扫接近接绣党学显微镜等系列翅搓探针显徽镳Ｓ脒，歇瓣使人类进入到纳米测曩的阶段。
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§｛．２电感测擞仪及现状分精
一方面，在精密和超精密加工技术迅猛发展的今天，测爨技术水平、测量精度的不
断提高已湿得尤为藿要，另一方面，面向国内的超精密加工现状，如何降低测蹙技术成
本和降低加工成本，使之在工程实际中得刘更为广泛的应用，并降低对环境和操作水平
的要求是蘑前追切需要解决的问题。因诧，设计一鳖通用经好的、彷格餐宜静瓣量佼，
或辩这一类黥测整佼逡嚣不叛熬受薪秘改避，淡进一步提离溅量糠瘦，避免擎缝采愆捷
裹磺｛牛露付出昂爨的代馀，越提裹尽髓嚣沲的超拳奏密加工水平奏麓重要的意义。
电感测微仪是～种建立在电磁感应基础上，利用线嬲的自感或互感系数的改变来实
现非电量（主要是位移）测量的低成本、高精度测量仪。
电感测微仪具有很高的分辨率、很长的使厢寿命、线性和稳定性好、结构简单可靠、
输出功率大、输出隧抗小、抗于獍麓力强强价格便嶷、安装简单、对工作环境要求不高，
函姥在糟密帮超精密镁域褥戮了最广泛选应焉。
滚轧帆痒度测量汽车悬撩系统测试部件强度强１．１
厚壤测量
锥度测量
德心测纛
＿－＿－＿。●＿—＿＿＿——＿＿＿＿＿＿＿－＿＿＿—＿——＿－—————＿＿———＿———一
第２页
型趔直跆机的刀片表面的跳动将蠡禹蘸简之
图１．２技罐ｘ—Ｙ平台的原点
齿乾偏心率测量
电感测微仪主要用于接触测量，现在也发展到可以用于非接触式测量；在超精密测
量中既可以单独使用，也可以多个传感器一起使用。单独使用时，一般用来测量单方向
的微小尺寸，多个使用时一般用来测量工件或机床的各种形状误差。在精密和超精密测
量中配以相应的测量装置，可以实现长度（深度、高度、厚度、直径、锥度等）测量、
形状（圆度、直线度、平面度、垂直度、轮廓度以及台阶厚度等）测量、振动测量、精
密定位系统微位移检测、微操作机器人位移检测、光纤对接等。如图１．１和图１．２。
在国外，电感测微仪精度现在可以做到很高。如日本ＫＥＹＥＮＣＥ公司生产的电感测微
仪其分辨率为０．０３％Ｆ．Ｓ，非线性０．２％Ｆ．Ｓ，但昂贵的价格，相对国内目的的加工现状是
不太理想的。
国内也有好几个厂家、院校及科研单位从事电感测微仪的研制和丌发，其中最有代
表的是中原量仪。由中原量仪生产的ＤＧＳ一６Ｃ和ＤＧＳ一６Ｄ型数显电感测微仪与该厂生产的
ＤＧＣ一８ＺＧ／Ａ型或ＤＧＣ一６ＰＧ／Ａ型电感式传感器组合使用，用于机械加工中的精密测量，其
性能指标如下（单位：Ｉ．ｔｍ）
档位
测量范围分辨率示值误差ｊ第一档
±ｌＯ１０．０１≤±０．０５｝第二档
±１００Ｏ．１≤±Ｏ．５ｔ第三档±１０００１≤±１０
与国外生产的电感测微仪比较，差距还是比较大的。
总的来说，现阶段国内生产的电感测微仪还普遍存在一些问题：高精度档量程范围
小，分辨率不高，漂移比较大，稳定性差等。
第３页
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在超精密加工技术迅猛发展的今天，电感测微仪的精度有待于迸一步提高。根据国内的实际情况，采取一些适当的方法去解决电感测微仪存在的问题，使之能在加工领域中得到更好的应用是值得我们去考虑的问题。
电感测微仪测量系统包括电感传感器测头、二次测量电路和相应的软件。因此，要提高电感测微仪精度可以从提高测头精度和其测量电路精度两方面考虑。
电感测头的研究生产在国内外已经有很长的历史，在国内最有代表性的一家是中原量仪，该厂生产的ＤＧＣ系列差动电感测量头线性度优于±０．０５％，示值变动性可以小至０．０３ｐｍ。
国外也有许多公司和研究所研制和生产电感测头，如ＨＦＪＥＮＳＥＮ、ＥＮＣＯＤＥＲ、ＤｕｒｈａｍＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ等，技术水平相当成熟，生产的传感器精度高且通用性好。ＤｕｒｈａｍＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ公司生产的电感传感器对温度变化大的工作环境很适合，工作温度范围可以为一５５。Ｃ～＋１２０。Ｃ，非线性精度优于０．５％。德国的米依技术测试公司生产的非接触式ＬＶＰ推杆插入式电感直线位移传感器分辨率为０．０５％，线性度±０．４％。由美国ＮＣＯＤＥＲ生产的ＬＶＤＴ测头灵敏度达到９００ｍＶ／ｍｍ，温度漂移为０．０１％／。Ｃ，稳定性为２４小时内小于０．１％，精确度为０．２５％。
由此可知，电感传感器测头的研制水平在国内外都已经比较成熟，去继续提高电感测头精度所付出的代价无疑将是昂贵的，而对其测量电路进行合理的设计或改进，使之与成熟的电感测头研究技术相适应则是一项低成本、高收益的措施，很适合目前国内的超精加工现状。
相对于其它的微位移测量仪，电感测微仪的测量电路比较复杂，其设计和制作的合理性对测量精度和可靠性的影响是很大的；同时，在基于计算机的测量系统中，利用计算机的强大的数据运算与处理功能，合理地设计软件，同样可以提高测量的可靠性和抗干扰性，从而提高仪器的测量性能。实验证明，即使选用性能很高的传感测头，其测量电路的测量性能跟不上，也无法提高整台仪器的测量性能。
§１．３课题背景及意义
目前，我们实验室已承担了国防预研超精密加工技术的重要任务，在这些研究的很多方面都要求用到电感铡微仪，如平面度测量，直线度测量，圆度、轮廓、台阶测量以及光纤对接中的应用等。鉴于电感测微仪的现状和超精密技术发展的需要，实验室在很早以前开始着手研制电感测微仪。我们研制的电感测微仪性能稳定，分辨率高，精度高－在国内处于领先水平。我们在许多科研项目中使用了这种传感器，取得了一系列的科研成果。
为了满足超精密测量的需要，与目灏提高的电感传感器测头糖度捆适应，棼望在原有的基础上对传感器的测量电路进行～系列的改进，研制成功一种精度更高的、通用性更好的、测量更稳定可靠的电感测微仪，并力图使研制出的这种微位移测餐仪向着仪器亿，通周优，商品纯的方向发展。
§１．４基于微机的测量仪表设计任务
对国内测量仪器发展历史与发展状况进行分析，对测蠢仪表的要求主要包括精度要求、可靠性要求、经济性要求。
（一）精废要求
对手测鬈仪表蓄巍其鸯离精度，鞠要求溅爨装鬻黪准确缝测麓菝测对窳静状态与参数，这是获褥裹质量产是的鼹撼襄基础。测量电爨的设计与割搀、运镗软馋都会影响到整个测量仪器的孝鸯度。
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第二章电感测微仪测量电路设计及改进
§２．１电感传感器工作原理
２．１．１电感传感器的实现方式及各自的特点
电感传感器是一种建立在电磁感应基础上，利用线圈的自感或互感变化原理来实现非电量电测的传感器。传感器测头检测到被测物体的位移，通过测杆带动衔铁产生移动，从而使线圈的电感或互感系数发生变化，电感或互感信号再通过引线接入测量电路进行测量。当传感器用自感原理时，首先把被测量的变化转化为自感Ｌ的变化，自感Ｌ接入不同的测量电路就可以转换成电信号输出。自感Ｌ又称电感，人们习惯上称谓的电感式传感器（ＬⅣＩＴ）就是特指这一种。当用互感原理时，主要的一种常做成差动变压器形式，这时一侧线圈要用固定电源激磁，它与两个二次侧线圈问互感Ｍ的变化可导致二次侧线圈产生电压信号输出。因为它具有差动变压器的形式，故习惯上称为差动变压器式传感器（ＬＶＤＴ）。此外，还有利用电涡流原理的电涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器，利用互感原理的感应同步器等。本文论述的就是利用线圈的自感原理实现非电量测量的自感式传感器（ＬＶＩＴ）。
根据磁路的基本知识，线圈的自感可按下式计算
Ｌ＝％。
其中Ⅳ——线圈的匝数
Ｒ。——磁路总磁阻数
在气隙厚度较小的情况下，可以认为磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则总的磁阻为
心＝∑（％一＋％。。
其中７．——各段导磁体的长度
“——各段导磁体的磁导率
ｓ，——各段导磁体的截面积
艿——空气隙的厚度
∥。——真空磁导率
Ｊ——空气隙截面积
，。：：：。一一堡墼墼堡奎兰墼窒竺墼堡圭兰堡丝塞
空气隙的厚度、空气隙的面积、磁体的长度米实现电感的变化，从丽实现测量的工儋原理，自感式电感传感器可分为气隙型、截面型、螺管型，分别如图２．１、图２．２、图２．３所示。
ｂ
潮２．１气豫撵两２，２截橱型
畔团
ａ单线潮式ｂ麓动式
图２．３螺管型
ｌ一线圈，２～铁心，３一衔铁。
气潦鼙传黪器灵敏浚裔，瓣螽续涮蠢电路静敖大倍数要求低，它魏毓煮是菲线往罗重，戈了限制菲线性，示馕楚黧只能较小，由予缀铁在运动秀囱上受铁心的限剃，救蛊出行稷小。截甄型具有较好的线性，自由行程较大，制造装配比较方便，但灵敏度较低。螺管型则结构简单，制造装配容易；由于空气隙丈，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，很线性范围大：此外，螺管型还具有自由行稔可任意安排、制造方便等优点，在批照生产中的互换性较好，这给溺量仪器的装配、调试、使用带来很大的方便，尤其在使用多个涮徽仅组会测薰形状静时候。因为镰管鍪豹这些饶熹，瑟淤我们采溺娠管銎蒺动式电感测头。
２。１．２螺繁型电感传感器的缝掏及工傍原理分极
２。１．２．１单线嘲式的结构及工作原理
对于单线阑式螺管型传感器结构如图２．４
．里堕坠垫奎兰堡垒竺堕堡主兰堡篁兰
——■＝＞—＝，一
一Ｘ●———————＋——■＝）—＜＝一
．＿———一，————＿＋
Ｉ√图２．４单线圈传感器结构根据比奥一沙伐～拉普拉斯定律可求得其轴向的磁场强度为用曲线表示为‘爿（了）
，／下＼ｌＩ
ｌｌＩＩＬｘ（１）０．Ｚ０．４０．６０．８
１．０图２．５单线圈式磁场强度与位移关系
１
由曲线可知，铁芯在开始插入和最后离开线圈时的灵敏度比插入线圈约去长度时的灵敏度要小很多，这说明在线圈中段能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。如果ｆ＞＞ｒ（Ｚ＞６），可忽略有限长线圈内磁场强度的不均匀性，近似认为在ｘ＝÷时的磁场强度为
Ⅳ：型
２ｆ
线圈电感为
Ｌ＝弘ｑ刑２ｒｌ＾
若引进铁芯长为１。，则线圈的电感为
Ｌ＝ｇ。ｎＮ２［１ｒ２＋（以一１）ｆ。。２】石
当铁芯长度增加ＡＩ。时，则电感变化量为
ＡＬ＝，ｕｎｎ－Ｎ１ｒ沁，一１）Ａｌｃ／１１
故电感的相对变化量为
寿耪
—————————————』！！！！丝奎兰墼塞竺堕堡圭兰堡丝塞
△￡
△，．三，．１＋（『／，。Ｘ∥‘）２［Ｉ／０，一１）】
２．１．２．２差动式的结构及工作原理
对于差动式螺管型传感器的结构如图２．６
Ｘ
■｝———————’
图２．６差动式传感器结构
若ｆ：＝“则其沿轴向的磁场强度为
用曲线表示如下ＪＬＨ（丁）
０．６
二／—＼，０．２
一／ｏ．４０．８＼“
ＩＩＩＩ／ＩｌＩ
Ｉ．＼／
图２．７差动式线圈磁场强度与位移
由曲线表明：当铁芯的长度取为０．６１时，则铁芯工作在Ｈ曲线的拐弯处，此时沿轴向的磁场强度变化小，认为磁场均匀。若铁芯向其中一个线圈移动△ｚ。时，则该线圈的电感增加△厶，而另一个线圈的电感减少△￡２，则△‘和ＡＬ：大小相等，符号相反，其值为
址＝ｐｏ剥１ｒｊ（］ｄｒ－－１）ＡＩｃ‘ｌ
旆
每南嵴
——国防科技大学研究生院硕士学位论文
＝＝＝＝＝＝＝＝＝Ｅ２＝＝＝＝；＝；＝＝＝＝≈；＝＝＝一＝一：：
所以传感器的差动输出为：
些：丝！±些２：，堡．
！一一．
三三。Ｉ１＋（１ｆｌｏＸｒ／‘）２Ｄ／０，～１）】
由上式表明：
①差动式比单线圈式其灵敏度提高了一倍；
②要提高灵敏度，应使线圈与铁芯尺寸比值必和必尽量的小，但另一方面必趋
向于１时，由图２．７可知，传感器的非线性误差会增加；
③选用铁芯的导磁率∥，大的材料也可以提高灵敏度；
④半与三≥成正比。若被测量与ＡＩ。成正比，则ＡＴ．与被测量也成正比。但实际上，
Ｌ，ｃ
由于磁场强度分布的不均匀性，输入量与输出量之间的关系是非线性的。
采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度之外．对电源电压、频率波动以及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而可以提高测量精度。
螺管型差动式电感测头的结构如图２．８所示。它主要由测头１０、衔铁３、以及两个电气参数和磁路完全相同的线圈２和４组成。测头１０与被测物体直接接触，当被测物体产生微小的位移时，测头１０通过测杆８带动衔铁在电感线圈２和４中产生移动，使其中一个线圈的电感增加，另一个线圈的电感减少，形成差动结构。其中９为防尘外罩，７为滚珠导轨，１为引线，５为使测杆复位的弹簧。
图２．８电感测头结构
§２．２电路总体设计
电感传感器的测量电路主要包括正弦波生成电路、变压器电桥、交流放大电路、带通滤波、Ａ／Ｄ采样电路、Ｉ／Ｏ及计算机部分，如图２．９所示。
由标准振荡器产生的频率稳定的方波信号，经过正弦波生成电路转换为幅值稳定的正弦波，作为激励电源提供给变压器电桥。当测头检测工件使测杆产生微位移时，电桥平衡改变，输出含有被检测工件位移信息的正弦调幅波，信号经分档、交流放大、带通放大后，送入到模数转换器，由模数转换器输出的十六位并行数据经过三态缓冲
●
——一一．一国防科技大学研究生院硕士学位论文
４２。４—。８２。“２２…。。“。＝＿｛§＿；；∞＝＝＃＝＝＃；昌茹品；
线接收器进入到计算机，由地址译码器以及外部程控实现在计算机里分高低八位读数。
测头输入
图２．９电撼传感器测薰电路
§２．３变压器罄瞬电路设计及改进
被测件的位移量通过传感器转化成电感Ｌ的变化，电感Ｌ的变化量再通避～次测薰电路转换成电压（或电流）的幅值、频率、相位的变化，分别称为调幅、调频、调相电路，调幅（或调频、调相）信号再送入＝次测置电路进行放大和处理，因此这部分电路的精度旗接影璃捌被溯信号的转换耩度。在电感测徽俊溺蠢电路巾，调辐电路爝褥软多，调频、调糖嗣褥较少。最鬻蕹的调幅瞧路鸯交流宅耩、谐振式龟耱狂交匿器电援，我赣掰∈用豹是变压嚣电揆。
２．３．１变骶器测量电桥调幅原理
电感线圈在工作时的等效电路如图２．１０，其中Ｒ。为线圈的铜线电阻，若导线的直径为ｄ，电限率为ｐ，，匝数为Ｎ的线圈当忽略集肤效应时，线圈电阻Ｒ。为
爱＝●４ｐ＝ｒＩＶｌ。ｐ
ｅ
图２，１０电感线圈的等效电路
ｆ。——为线圈的平均匝长
睦ｌ上式可知，线圈的锯擐电阻仅取决予导线材料及线圈的几倪尺寸，与频率无关ｅ
一国防丰车技大学研究童院硕士学位论文
’２２２４‘。４。。２。。。。２。４２２。。２２。２２＝≈∞＝≈≈＃＝＝∞＃＝ｉ《＝＝≈』藻；一＝＝．Ｒ。为铁芯的涡流损糕电阻。它跟频率以及铁芯材料的导磁率无关。
ｅ为线圈的固有电容和电缆的分布电容所组成。当不考虑线圈的电容时，线圈的阻抗为：ｚ＝ＲＳ＋ｊｃｏＬ，线圈的品质因数为；Ｑ；ｃｏＬ／ＲＳ，其中ＲＳ＝也十曩。当考虑并联电容时，其阻抗为ｚ。：—（Ｒ＋ｊＭ—）／（ｊｃｏｃ）
ｔ
Ｒ年ｊ舔丰Ｉ／（ｊｏｂｃ）
当品损因数Ｑ＞＞１时，
ＺＰ＝Ｒ／（１－ｏＤ２五Ｃ）２＋ｊｏ）Ｌ／（１～钟２ＬＣ）＝Ｒｐ＋ｊＣｏＬ．
有效晶质因数为
绋＝ｃｏＬＰ／Ｒｅ＝（１一棚‘ｚｃ）Ｑ
由上式可知，当存在并联电容时，有效电阻以及有效电感将增加。有效电阻比有效电感增加得多，从而将使裔效的Ｑ，下降。有效电感变化率为
艇Ｐ／ＬＰ＝（ＡＬ／￡）瑾１一国２ＬＣ）
也有了提高。
幽以上分祈可知，并联电容的存在，会引起电感传感器性能的改变。在有效电阻不丈的情况下，会镬灵敏度裔所掇离。嚣魏在瓣藿过程串著改交了壤缆豹长度，羹《传感嚣的灵敏凄以及零位都蠡夔囊棱准。
变压爨电蟒如图２．１１，它是从变莲器次级中心招头，搬次级分为嚣仑绕缎接入电桥作为电桥的两邻臀，因为次级绕组上下两部分对称，放两部分的电压棚等，电压为兰。另外两臂由差动电艨线圈的阻抗ＺＩ和Ｚ２构成。由电感线圈的等效电路知，在Ｚ
忽略电感线圈囊身的电容秘电缆的分布电容时有：Ｚ１＝ＲＳｌ＋ｊｃｏＬｌ，Ｚ２＝ＲＳ２＋ｊｃｏＬ２，
。
图２－１ｔ变压器电桥
里堕塾苎奎兰竺塞皇堕堡圭兰丝篁塞
一一
电桥输出的空载电压为６Ｄ～Ｚ１－Ｚ２ＥＺ１＋Ｚ２２
在初始平衡状态下，若电桥严格对称，则有ｚｌ＝ｚ２，此时输出【，。为零；
工作状态下，当衔铁偏离中间零点时，Ｚ１＝Ｚ＋△ｚ，ｚ２＝ｚ一△ｚ，代入上式
ｄ：壹竺一ｏＥＡＲＳ＋ｊｃｏＡＬ
２Ｚ２ＲＳ＋ｊｃｏＬ
当衔铁向相反方向移动时，Ｚ１＝Ｚ—ＡＺ，Ｚ２＝Ｚ＋ＡＺ，则
Ｕｏ；壶些～Ｅ—ＡＲＳ＋—ｊｗＡＬ
２Ｚ２船＋ｊｃｏＬ
说明这两种情况的输出电压大小相等，相位相差１８０。，因此为了判别位移的方向，需要对信号的相位进行判别。
其输出的电压幅值为：Ｕｏ：ｒ＋ＡＲＳ２Ｅ。１』型Ｌ一占
＝——７＝＝＝————一Ｃ≈——Ｆ＝＝＝＿———一Ｂ
２√Ｒｓ２＋（ｏＪＬ）２２√Ｒｓ２＋（ｃｏＬ）２
由此可以知道，变压器的正弦波桥源的幅值直接影响电桥的输出，对整个测量精度的影响很大。
２．３．２变压器电桥的改进
２．３．２．１零点残余电压的消除
对于变压器电桥，从理论上来说，当Ｚ１＝Ｚ２时，电桥平衡，输出电压为零，但实际制作时要满足两电感线圈的等效参数完全相等是很难达到的，因此，即便是衔铁位于平衡位置时，仍然存在有一定的电压输出，称为零点残余电压。零点残余电压对传感器的线性度和灵敏度都有一定的影响，所以在对变压器电桥的设计和制作时有必要采用一定的措施。
图２．１２零点残余电压的调整
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为了尽量的减少乃至消除零点残余电压，我们采用了试探法对变压器电桥进行设计和改进。如图２．１２。
首先将ｌＯ０９２的电位器串入电桥的一臂，然后通过示波器观察交流放大器后的输出，移动测头将衔铁向平衡位置移动，并一边调电位器的阻值，真至使示波器上的波形幅值尽量降低至零。我们在调试过程中，出现了电压怎么也到不了零位的情况，这主要是因为串入的桥臂阻抗本身已高出另一桥臂所致，这时应将电位器串入另外一臂或者将变压器的二次侧的两个绕组的抽头位置变换～下，再重新调整电位器，即可以找到对应于基波为零的位置。
当零点残余电压的基波分量调为零后，这时只剩下高次谐波分量，这主要是由于传感器磁芯的磁化曲线的非线性引起的，虽然通过变压器耦合给二次侧的电源波形为Ｊ下弦波电源，但是通过线圈的电流发生了畸变，包含了高次谐波分量。理论上差动式结构传感器对于这些高次谐波分量可以完全抵消，但由于电桥并不能严格对称，在两电感线圈的非线性不一致的情况下，只能抵消一部分。为此，在两电感线圈并联了两个ＩＫ的电阻和２００ｆｌ的电位器，对电感线圈分流，改变磁化曲线上的工作点，让其工作在线性阶段，减少谐波分量，并调节２００Ｑ的电位器，使高次谐波减至最小。２．３．２．２变压器的设计与制作
在变压器电桥电路中，变压器将正弦波电源耦合提供给电桥，它的优劣将直接影响测量精度。为此，我们在变压器的形状、铁芯材料、线圈的材料和直径尺寸、匝数、匝比、绝缘材料的选择以及绕制的方法等方面进行了精心的设计。
在变压器的选型方面，我们选择了能获得最高效率的环形铁芯变压器，相对于其它形状的变压器，环形变压器更加适合于高频场合，具有最高的磁导率、最低的损耗，体积也最小，很适合应用于精密测量的印刷电路板上。
在材料的选择方面，铁芯材料选用了高频、高磁导率以及低损耗的软磁铁氧体，完全能满足频率为９．６０４ＫＨＺ的高频正弦波电源的要求，并能有效地吸收电磁干扰信号，具有抵抗电磁场干扰的作用。这种材料很轻，这样可减小变压器重量。骨架采用了较为理想的电木骨架。
对于初级、次级线圈匝数的确定的理想要求是：一、电感为无限大，以保证工作最低频率失真度最小；二、漏感与分布电容尽可能降低，使隔离效果增加。但这三者是相互矛盾的，如果只用增加初级线圈匝数、增大铁芯来增加初级电感，则其漏感、分布电感、电容也相应增大，将会引起谐振、波形失真等不利的影响。所以我们在实际制作时，从平衡考虑，在经验和多次实验的基础上对这三者进行了兼顾。由一般经验，要保证铁心磁感应强度不超过非线性失真要求，一般层次交替数取三就够了，这时漏感最小，分布电容最小，效果最好，层次增多效果不明显，只会让绕线工艺复杂
国防科技大学研究生院硕士学位论文
化。在多次实验的基础上，我们对初级线圈设计为１００匝，次级因为要保证二次侧上下抽头的的电压相等，且两臂等效参数相同，我们采用了并绕的方法，线圈匝数设计为两臂各为２５匝，这样设计线圈交替层数为三层。实验也表明，此时如果再增大线圈的匝数，对于频率的失真度的改善不是很明显，漏感等不利的因数反而增强了。
线圈采用圆铜漆包线绕制，直径大小的选取要同时考虑变压器的效率和线圈的匝数。一方面，为提高变压器的效率，减少直流电阻数值（铜损）的大小，直径应粗一点好；另一方面，对于变压器又要求足够的电感量，必然线圈匝数要多，受变压器体积的限制，线圈不可能太粗。综合各个因素的影响，我们选用直径为０．２１ｒａｍ的铜漆包线。
此外，层间采用了绝缘性能较好的电缆纸进行隔离，消除了由于漆包线边缘毛刺破坏线圈匝间绝缘的危险，使得线圈匝间绝缘更可靠。高、低压线圈与铁芯组装时，挚有塑料弹性垫片，具有减振功能和很好的抗短路冲击性能。
２．３．３变压器的测试
将变压器设计制作完经干燥之后，需对其进行测试才能使用。将信号发生器产生的峰一峰值为１５Ｖ，频率为９．６０４ＫＨＺ的正弦波（模拟电感测微仪二次测量电路变压器Ｊ下弦载波的输入）输入到变压器的初级，如图２．１３所示。
图２．１３变压器测试示意图
则从变压器次级输出的两个正弦波幅值完全一致，为５Ｖ，相位相反，如图２．１４ａ
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图２．１４变压器初、次级波形
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§２。４正弦波发生暾路的设计
正弦波作为变压器电桥的桥源，其精度对电桥的输出信号影响极大，对于其幅值和频率的稳定性都商很商的要求。由于传感器的工作环境通常眈较恶劣，窜入电源的箍梳于扰不爵避免，函藏在耄路设计串应该具有自动替偿环节。正弦渡亳源的总｛｝拳设
圈２．１５正弦波波形及幅值稳定控制
２．４．１信弩发生电路
舞图２．１６，出差动篷惑簧感器熬裙频特牲褥知，传戆器懿频率选在平壤区域偏离点（提裹灵敏度），频率波动将鸯可能改变健感器的工｛乍点，弓ｌ越蝠馕靛变化。蕊
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图２．１６传感器的幅频特性
另一方面，电路总体设计要求实现峰一峰采样，即采样频率和模拟信号频率成保持严格的两倍关系，运两个倍号频率都由标准振荡电路给出。驻然，任一个信号频率的波动都会导致采不到峰值，带来的溜耋误差是缀大豹。掰淡对信号添频率耱要求特煮是肇一稳定。对予频率萃一稳定熬镶号发生，最理想戆是嚣荚晶体振荡器，夏英的物理特性十分稳定，恧恳品质因数赢，选频特性好，波形失冀小，在～２０。～６０。的范嘲内其频率的稳定度可以达到１０～。所以电路采用了由石英晶振和牝１４０６０分频器构成信号源，如图２．１７。
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