位移传感器设计

电感式位移传感器实例

1.1引言

测量技术是实现超精加工的前提和基础。精密加工和超精密加工过程中不仅要对工件和表面质量进行检验，而且要检验加工设备和基础元部件的精度，如果没有权威性的测控技术和仪器，就不能证实所达到的加工质量。加工和检测是不可分的，测量是对加工的支持，无论多么精密的加工，都必须用更为精密的测量技术作保障。因此，位移测量的精密和超精密测量已经成为整个超精密加工体系中一项至为关键的技术。检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。任何生产过程都可以看作是“物流”和“信息流”组合而成，反映物流的数量、状和趋向的信息流则是人们管理和控制物流的依据。人们为了有目的地进行控制，首先必须通过检测获取有关信息，然后才能进行分析判断以便实现自动控制。所谓自动化，就是用各种技术工具与方法代替人来完成检测、分析、判断和控制工作。一个自动化系统通常由多个环节组成，分别完成信息获取、信息转换、信息处理、信息传送及信息执行等功能。在实现自动化的过程中，信息的获取与转换是极其重要的组成环节，只有精确及时地将被控对象的各项参数检测出来并转换成易于传送和处理的信号，整个系统才能正常地工作。因此，自动检测与转换是自动化技术中不可缺少的组成部分。检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作，并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表，把检测技术自动化推进到一个新水平。

1.2传感器介绍

传感器是获取被测量信息的元件，其质量和性能的好坏直接影响到测量结果的可靠性和准确度，衡量其质量的特性有许多，主要包括静态和动态两个方面。当被测量不随时间变化或变化很慢时，可以认为输入量和输出量都和时间无关。表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程，在这种关系的基础上确定的性能参数为静态特性；当被测量随时间变化很快时，就必须考虑输人量和输出量之间的动态关系。这时，表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微分方程，与被测量相对应的输出响应特性称为动

态特性。

位移传感器主要有以下几种：

电容式位移传达室感器、差动式电感受式位移传感器和电阻应变式位移传感器一般用于小位移的测量（几微米至毫米）；差动变压器用于中等位移的测量，这种传感在工业测量中应用得最多；电阻电位器式传感器适用于较大范围位移的测量，但精度高；感应同步器、光栅、磁栅、激光位移传感器等用于精密检测系统的位移的测量，测量精度高（可达1pm )量程也可大到几米。

电容式位移传感器根据被测物体的位移变化转换为电容变化的一种传感器，一般用于高频振动微小位移的测量，与电位式、电感式等多种位移传感器相比，它的优点是：结构简单；能实现非接触测量，只要极小的输入力就能使支极板移动，并且在移动过程中没有摩擦和反作用力；灵敏度高、分辨力强，能敏感±0.01um甚至更小的位移；动态响应好；能在恶劣环境中（高、低温，各种形式的辐射等）工作。但它也存在着一些缺点，主要是输出特性的非线性和对绝缘电阻要求比较高，为了克服寄生电容的影响，降低电容的内阻，要求对传感器及输出导线采取屏蔽措施和采用较高的电源频率等。

光栅是一种新型的位移检测元件，是把位移变为数字量的位移-数字转换装置。它主要用于高精度直线位移和角位移的数字检测系统。其测量精确度高（可达1um）光栅传感器具有抗电磁干扰、耐久性好、准分布式传感、绝对测量、尺寸小、灵敏度高、精度高、频带宽、信噪比高等优点，是结构局部健康监测最理想的智能传感元件之一，可以直接或间接（通过某种封装或灵巧装置）监测应变、温度、裂缝、位移、振动、腐蚀、应力等物理量，部分取代传统的测试手段，广泛用于土木工程、航空航天工业、船舶工业、电力工业、石油化工、核工业、医学等领域。

电感式位移传感器是把被测移量转换为线圈的自感或互感的变化，从而实现位移的测量的一类传感器。它具有灵敏度高、分辨力大，能测出±0.1um甚至更小的线性位移变化和0.1度的角位移,输出信号比较大,电压灵敏度一般每毫米可达几百毫伏,因此有利于信号的传输.测量范围为±25um-50mm,测量精度与电容式位移传达室感器差不多,但是

它的频率响应较低,不宜于高频动态测量。

1.3研究的基本内容，拟解决的主要问题：

该智能电感测微仪的硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压，正弦波振荡器输出的信号加到测量头中。工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。当衔铁处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少；若上线圈的电感量减少，下线圈的电感量则增加。交流阻抗相应地变化，电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比，频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到单片机，经过数据处理进行显示。电感式传感器测位移时，由于线圈中的电流不为零，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰(如电源电压频率的变化，温度的变化)也会使输出产生误差。所以在实际工作中常采用差动形式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。两个完全相同的单个线圈的电感式传感器共用一个活动衔铁就构成了差动式电感传感器。采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、

电源频率的变化等也基本上可以相互抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。零点残余电压也是反映差动变压器式传感器性能的重要指标。理想情况是在零点时，两个次级线圈感应电压大小相等方向相反，差动输出电压为零实际情况是两组次级线圈的不对称铁心的B-H曲线的非线性，以及激励电源存在的高次谐波等因素引起零点处U≠0知。其数值约为零点几毫伏，有时甚至可达几十毫伏，并且无论怎样调节衔铁的位置均无法消除。零点残余电压的存在，使传感器的灵敏度降低，分辨率变差和测量误差增大。克服办法主要是提高次级两绕组的对称性(包括结构和匝数等)，另外输出端用相敏检测和采用电路补偿方法，可以减小零点残余电压影响。

2．整体的方框图与工作原理