張瑞

九江職業(yè)技術(shù)學(xué)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(lái)確定小的位移，高精度。在位移傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中，有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)、大輸出信號(hào)、高靈敏度、溫度影響的小誤差、良好的密封和其他廣泛應(yīng)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(yīng)中使用互惠原則，將兩個(gè)線(xiàn)圈以微分形式連接起來(lái)，稱(chēng)為微分變壓器傳感器。該類(lèi)型傳感器主要有兩個(gè)部件：由初級(jí)線(xiàn)圈、兩個(gè)反向連接的次級(jí)繞組構(gòu)成的繞組結(jié)構(gòu)，以及由鐵磁材料構(gòu)成并機(jī)械連接到被測(cè)物體的可移動(dòng)鐵芯，其中繞組結(jié)構(gòu)和可移動(dòng)鐵芯之間沒(méi)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(jí)繞組信號(hào)交流電時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)里面的核心骨架做理論上的位移傳感器切斷磁線(xiàn)，放大線(xiàn)圈間的磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。傳感器的輸出電壓與激勵(lì)源頻率、繞組線(xiàn)圈初級(jí)、次級(jí)匝數(shù)、鐵芯的半徑和長(zhǎng)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(dòng)角度等有關(guān)。理想情況下當(dāng)核心位于中心時(shí)，級(jí)線(xiàn)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(dāng)核心內(nèi)部的位移發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓隨核心的位移而變化。

2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中互感式位移傳感器的應(yīng)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(duì)稱(chēng)的兩端組成，沒(méi)有與線(xiàn)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(yīng)保持恒定，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，位移傳感器輸出量隨著時(shí)間是變化的，一是位移傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)，線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)中繞線(xiàn)參數(shù)的不對(duì)稱(chēng)，繞線(xiàn)結(jié)構(gòu)誤差，引線(xiàn)長(zhǎng)度不一致等；二是周?chē)h(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€(xiàn)性范圍是指在保證一定測(cè)量范圍精度下，輸出與鐵芯位移量呈線(xiàn)性的工作范圍，其線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性輸出超出范圍，輸出的線(xiàn)性度會(huì)逐漸衰減。假設(shè)磁殼和空氣中的磁散射被忽視，原始線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通量可以分為兩種方式。

2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

具有相互感應(yīng)耦合的運(yùn)動(dòng)傳感器電路是用來(lái)處理位移傳感器信號(hào)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(dǎo)通，保證次級(jí)線(xiàn)圈感應(yīng)信號(hào)在整個(gè)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(gè)單方向的全波脈動(dòng)電壓。相對(duì)于半波整流，克服了交流分量大，輸出電壓低等缺點(diǎn)。同時(shí)，感應(yīng)電壓得到充分的運(yùn)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(jìn)行濾波。當(dāng)整流輸出信號(hào)波形上升時(shí)，電容充電，其回路電阻為整流電路內(nèi)阻，因而時(shí)間常數(shù)小，充電速度很快；當(dāng)輸出信號(hào)上升到峰值后開(kāi)始下降，電容通過(guò)電阻放電，故放電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于充電時(shí)間常數(shù)，放電速度很慢。在電容還沒(méi)有完全放電的情況下再次開(kāi)始進(jìn)行充電，重復(fù)該過(guò)程，實(shí)現(xiàn)濾波作用。其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，濾波后的輸出電壓平滑且平均值也得到提高，常用于負(fù)載電流較小的電路中。它的電路結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，過(guò)濾后的輸出電壓被平滑，平均值也被提高，經(jīng)常用于負(fù)載較低的電路。相敏感應(yīng)器回路輸出通過(guò)低帶寬的二級(jí)濾波器階段，而不是一級(jí)濾波器的寬度，濾波器效應(yīng)。類(lèi)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(cè)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(hào)振幅上犯了一個(gè)大錯(cuò)誤。與此同時(shí)，無(wú)法確定探測(cè)器輸出的解調(diào)器階段。此外，在相同的整流模式下，繞過(guò)檢波被用來(lái)在不同的頻率上調(diào)制信號(hào)，使其無(wú)法識(shí)別信號(hào)的頻率。當(dāng)探測(cè)器處于中間位置時(shí)，剩余的零應(yīng)力保持不變，導(dǎo)致接近零的麻木區(qū)。通過(guò)相敏探測(cè)器，可以在中間位置、相位和信號(hào)頻率上消除高諧波引起的剩余電壓。然而，低頻過(guò)濾電路會(huì)導(dǎo)致時(shí)間延遲，從而增加理解電路的反應(yīng)時(shí)間，使相敏電路受限。這個(gè)解調(diào)器電路通過(guò)簡(jiǎn)單的比較器和級(jí)聯(lián)電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，允許區(qū)分解調(diào)器信號(hào)的相位。取樣控制電路取代傳統(tǒng)的低頻過(guò)濾電路，以適應(yīng)刺激信號(hào)的半周期，并增加電路反應(yīng)時(shí)間。采用相敏檢波電路可以消除掉鐵芯在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓，還具有判別信號(hào)相位和頻率，提高抗干擾的能力。但是低通濾波電路將會(huì)引起時(shí)間的延遲，從而增大了解調(diào)電路的響應(yīng)時(shí)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?fù)浜湍M查找表擴(kuò)展線(xiàn)性范圍結(jié)構(gòu)。最后對(duì)電路整體結(jié)構(gòu)和整體電路時(shí)序進(jìn)行了分析說(shuō)明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

2.3 電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

電源供電問(wèn)題是電子電路中常見(jiàn)但極其重要的問(wèn)題。在電路中，因?yàn)槊總€(gè)模塊需要的電源電壓不同，通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路將一個(gè)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(dú)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(cè)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(mén)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(jiǎn)單，雖然輸入電壓的擾動(dòng)可以得到抑制，但輸出電壓不能調(diào)節(jié)，同時(shí)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(yīng)于輸出電壓要求不高，負(fù)載電流小的場(chǎng)合。線(xiàn)性穩(wěn)壓電路是在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采樣輸出電壓，引入深度負(fù)反饋使輸出電壓保持穩(wěn)定，同時(shí)改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以調(diào)節(jié)輸出電壓；并且利用晶體管的特性來(lái)增加負(fù)載電流。線(xiàn)性穩(wěn)壓器電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快，輸出紋波較小、輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但該電路的散熱是存在的最大問(wèn)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(wèn)題，必須匹配相應(yīng)的散熱裝置。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路是把輸入的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波，通過(guò)低通濾波器再將方波濾波得到直流信號(hào)的電路，通過(guò)該過(guò)程降低電壓，減少電壓變換時(shí)的損失。經(jīng)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)后，得到控制信號(hào)控制調(diào)整管的工作狀態(tài)。當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，采樣電壓同時(shí)變化，并作用于開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)中的比較放大電路，通過(guò)與基準(zhǔn)電壓比較放大，進(jìn)而改變控制信號(hào)的占空比，改變調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)輸出電壓，從而達(dá)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(wú)機(jī)振蕩器，可以產(chǎn)生連續(xù)脈沖并應(yīng)用更多。多諧振蕩器由三極管、電阻和電容組成。當(dāng)電路啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)電路連接到電源時(shí)，兩個(gè)晶體管都關(guān)閉了。由于設(shè)備、晶體管、電阻和電容的技術(shù)錯(cuò)誤，因此必須有一個(gè)晶體管為第一晶體管，另一個(gè)晶體管必須關(guān)閉，所以電路必須同時(shí)存在。因?yàn)樵诙嘀C振蕩器中，輸出頻率主要由電阻和電容電荷的過(guò)程決定，在實(shí)際生產(chǎn)電路中，電阻、電容和三極管等不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩周期產(chǎn)生了重大影響;與此同時(shí)，輸入功率波動(dòng)也對(duì)信號(hào)輸出的振幅和振幅產(chǎn)生了一定的影響，紋理應(yīng)力太大，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。在零輸入下，反饋等于一個(gè)干凈的輸入。電壓輸入前經(jīng)過(guò)整流橋，預(yù)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(gè)二極管組成的橋路，同一時(shí)間只有兩個(gè)二極管進(jìn)行工作通過(guò)二極管的單向?qū)üδ埽沟幂斎攵穗妷簾o(wú)論怎樣接，電路都可以正常工作。在電路本身的外部擾動(dòng)或最初不穩(wěn)定信號(hào)下，當(dāng)電路加固時(shí)，電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(shè)計(jì)

在整個(gè)信號(hào)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(kāi)關(guān)、電感等。因此，在開(kāi)發(fā)PCB電路時(shí)，應(yīng)使用下列措施來(lái)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(jìn)而對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，而電容的阻抗趨于零，電路在通帶截止頻率附近時(shí)，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(dāng)頻率由于電容阻抗大，正反饋信號(hào)較弱，不會(huì)影響電路的放大倍數(shù)；當(dāng)頻率信號(hào)被電容衰弱，輸出電壓小，同樣也不會(huì)影響電路的放大倍數(shù)。②在設(shè)計(jì)PCB平板電腦時(shí)，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(gè)電路模塊化設(shè)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(lì)放大，輸出越來(lái)越大。當(dāng)輸出信號(hào)的幅值增大到一定程度時(shí)，利用穩(wěn)幅環(huán)節(jié)中半導(dǎo)體器件的非線(xiàn)性特性，當(dāng)幅值增大到一定程度時(shí)，放大倍數(shù)的數(shù)值將減小。因此，當(dāng)輸出信號(hào)幅值電壓達(dá)到某值時(shí)，輸出信號(hào)與反饋信號(hào)相互維持，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)自行振蕩。④編輯圖需要根據(jù)設(shè)備電流密度的最小通道寬度，特別注意連接點(diǎn)上的通道墊；試著把表面畫(huà)得更大一些。與此同時(shí)，緩沖放大器將電容器和負(fù)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(guò)無(wú)法保存的負(fù)載來(lái)實(shí)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(jìn)入控制模式時(shí)，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(hào)或電路振幅來(lái)維持這個(gè)結(jié)構(gòu)的容量，在輸出時(shí)，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(huì)改變，電路的測(cè)量也會(huì)更精確。

3 發(fā)展態(tài)勢(shì)

高靈敏度傳感器是出口和入口之間的典型關(guān)系，這對(duì)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(hào)的一個(gè)周期內(nèi)變化，信號(hào)瞬時(shí)值較小時(shí)電阻較大，信號(hào)瞬時(shí)值較大時(shí)電阻較小，振蕩電路的環(huán)路增益在一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)變化，這個(gè)環(huán)路增益的變化會(huì)帶來(lái)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(xiàn)性范圍增加了靈敏度，傳感器中磁場(chǎng)的微小變化，可以得到高精度、精度和信號(hào)處理的某些好處。在傳統(tǒng)的傳感器階段，對(duì)相互感應(yīng)的快速反應(yīng)是通過(guò)同步解調(diào)器從二次線(xiàn)圈輸出信號(hào)中提取出來(lái)的。模擬開(kāi)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(gè)系統(tǒng)的可靠性一體化振蕩電路的加工和信號(hào)電路在同一晶體成為趨勢(shì)，使整個(gè)電路與校準(zhǔn)功能補(bǔ)償監(jiān)管、保護(hù)等，降低成本，減少外部電路簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和提高生產(chǎn)率和可靠的傳感器目標(biāo)。信號(hào)處理電路PCB板結(jié)構(gòu)相對(duì)于專(zhuān)用集成電路芯片，電路體積大，整體性能較差。為應(yīng)對(duì)各種復(fù)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(dāng)前方案電路集成到同一芯片上，實(shí)現(xiàn)整體電路的集成化，這也是電路未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)傳感器高線(xiàn)性度和寬范圍的設(shè)計(jì)要求，對(duì)傳統(tǒng)的解調(diào)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同的線(xiàn)性擴(kuò)展電路方式進(jìn)行了對(duì)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(guò)模擬查找表的方式，采用三角信號(hào)來(lái)擴(kuò)展線(xiàn)性的結(jié)構(gòu)，避免了因線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)所引起次級(jí)感應(yīng)信號(hào)的非線(xiàn)性和相位差，擴(kuò)展了線(xiàn)性范圍，同時(shí)也提高了線(xiàn)性度和響應(yīng)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(chǔ)上，完成了一個(gè)基于離散支持鏈的解碼電路，精確定義振幅和次級(jí)感應(yīng)信號(hào)，使用集成電路和單個(gè)穩(wěn)定電路完成程序模擬搜索表完成了設(shè)計(jì)。