電感式非接觸位移測量的實驗研究

傅曉程， 張德華， 張 偉

(浙江大學 電工電子實驗中心， 浙江 杭州 310058)

電感式非接觸位移測量的實驗研究

傅曉程， 張德華， 張 偉

(浙江大學 電工電子實驗中心， 浙江 杭州 310058)

本實驗應用集成運算放大電路構成電子電路來實現信號的產生，經功率放大電路驅動初級線圈，然后對信號整流和濾波，得到的信號通過直流差分電路以及線性比例放大和偏移電路進行零點定標從而實現對信號的模擬測量；有三條路徑應用FPGA來替代硬件電路對信號處理和測量。根據測量的電壓信號與電感位移的比例關系，實現電感式非接觸位移測量。

電感位移傳感器；FPGA；功率放大電路；模擬顯示整定

0 引言

電感位移傳感器是利用電磁感應原理將機械位移變化轉換成電量輸出的檢測裝置，在大范圍、高精度的長度計量中得到廣泛應用[1,2]。電感式位移傳感器具有無磨損、結構簡單可靠、無累積誤差、信號輸入與輸出電路相互隔離、高分辨率與高抗干擾能力等諸多優點，在非接觸式位移測量領域得到廣泛應用[3,4]。

本文利用變壓器式電感位移傳感器設計一個非接觸式位移測量儀。要求位移測量從左10 mm至右10 mm；測量誤差不大于0.5 mm；響應時間不大于1 s；能夠實現雙向模擬表頭顯示和四位數碼管數字顯示。此項實驗的具體步驟是先設計電路，然后進行理論分析、仿真研究，再實際搭建電路，記錄實驗數據、顯示實驗波形與設計結果、最后比較實驗結果與仿真結果是否一致。整個實驗任務呈開放性，要求學生集思廣益，勇于創新，以此培養學生探究能力與創新意識。

1 實驗方案

實驗方案如圖1所示。激勵電路模塊產生初級線圈所需的交流正弦信號，經過功率放大電路放大后驅動初級線圈。對兩個副邊的感應電壓獨立進行均值檢測，然后對兩副邊均值檢測結果實現差分；而后通過模擬和數字兩種方式顯示最后結果。

圖1 實驗方案

模擬顯示是用兩個精密整流電路分別對兩個副邊線圈進行整流和濾波，得到兩個副邊交變信號的平均值。然后通過直流差分電路，以及線性比例放大和偏移電路進行零點定標，輸出至模擬表頭顯示。

使用數字顯示時，參見圖1上所標注的A1，A2，B1，B2，C；即可以通過三條路徑采集兩個副邊的感應交變電壓值于以顯示。

(1)采樣方法A

直接對兩副邊的交流信號A1，A2進行采樣。為保證采樣可靠，采樣頻率至少為激勵信號頻率的3至5倍，最好是整數倍周期采樣。典型方式是一個周期能夠采集64點以上。這種采集方式可以省略圖1硬件電路中精密整流和濾波，差分放大和整定電路，但對采樣速度要求較高，同時需要在此后的FPGA內部做較復雜的運算。

(2)采樣方法B

直接對各副邊精密整流和濾波后的絕對平均值B1,B2進行采樣。采樣完成后，在數字域實現相減和整定。這種采集方式可以省略圖1硬件電路中的差分放大和整定電路。

(3)采樣方法C

直接對模擬域經過整定后的輸出C進行采樣。由于C端輸出有正有負，進入ADC時必須加偏移電壓。這種采集方式的最大優點是只需一路ADC采樣通道，數字域內處理較簡單。

2 模擬測量方案

2.1正弦波發生電路

電感位移傳感器的初級線圈需要一個振蕩頻率大約是數kHz的正弦激勵信號。常用的正弦波信號產生電路有RC正弦波振蕩電路、LC正弦波振蕩電路、石英晶體正弦波振蕩電路等三種[5]。

RC正弦波振蕩電路一般用來產生1 Hz到1 MHz范圍內的低頻信號，而LC和石英晶體正弦波振蕩電路則一般用來產生1 MHz以上的高頻信號。因此，本設計可以選擇產生低頻正弦信號的RC文氏橋振蕩電路或雙T型RC振蕩電路。

2.2功率放大電路

低頻正弦信號發生電路的輸出由于功率較小，無法直接驅動電感位移的初級線圈，必須進行功率放大或電流放大。采用如圖2所示的方案,兩個運放UIB和UIC輸出相位相差180度的兩個信號，分別驅動OCL電路，此時施加在初級線圈兩端的電壓幅度相等，相位正好相反，驅動能力提升一倍，且初級線圈的兩端均不接地。

圖2 采用分立器件的雙 OCL功率放大電路

2.3精密整流和信號處理

為了獲取副邊線圈感應電壓的平均值，首先要將感應的交流電壓整流成單向脈動信號，然后再進行均值濾波。在電感位移測量中，隨著鐵芯偏離次級線圈距離越來越遠，線圈中感應到的電壓幅度會越來越小，其幅度與二極管的開啟電壓相近，甚至更小。因此需要應用運放和二極管構成的精密整流電路來彌補。

2.4低通濾波和差分放大

副邊線圈的感應電壓經過精密全波整流后得到的是脈動信號，需要經過濾波得到其直流電壓平均值后，才能輸出至模擬表頭顯示大小[6]。然后，對兩個副邊線圈的感應電壓的平均值進行差分放大，其差值與位移成比例關系。

2.5模擬顯示整定

為了保證模擬表頭顯示與實際鐵芯位置對應起來，需要進行零位整定和比例調節。如果模擬表頭的輸入范圍是-5 V至+5 V，與鐵芯位置的對應關系應該是當鐵芯在最左邊時，對應-5 V；當鐵芯在最右邊時，對應+5 V；當鐵芯在中間時，對應0 V。當差分平均電壓值與鐵芯位移成線性關系時，就可用線性模擬表頭顯示。

設平均電壓與位移之間的關系是：yAV=a+k·xshift。其中xshift是位移值，yAV是差分電壓平均值。如圖3所示的整定過程如下：運放同相端的偏移直流量用于零點校正(調節RW2)，當鐵芯位于中間，調節此電位值，使運放輸出等于0。電位器RW1用于比例調節，當位移達到最大值時，調節此電位器，使模擬表頭指針偏移至最高位置。

圖3 表頭零位整定和最大范圍調節

3 數字測量方案

3.1模數輸入預處理和模數轉換

為了能實現數字測量，需要模數輸入預處理和模數轉換。ADC轉換器對輸入信號的大小和范圍均有具體限制，且需對最大輸入電壓進行限幅，防止損壞ADC轉換芯片。如果采用ADS7886的SPI接口逐次逼近型ADC，其輸入電壓范圍要求是0 V至3.3 V之間。則要通過模數輸入預處理電路將輸入電壓調整到ADC所能接受的范圍之中。

3.2FPGA數字測量

圖4所示為其整體設計框圖[7]。具體實現過程是：首先，省略二十進制轉換模塊和數字整定模塊，直接將ADC采樣的二進制值在數碼管是顯示，通過手工數據后處理再得到實際位移值；其次，僅省略數字整定模塊，直接將ADC采樣的十進制值在數碼管上顯示，通過手工數據后處理再得到實際位移值；最后，進行完整設計，數碼管直接顯示位移測量值。

圖4 FPGA數字測量的設計框圖

3.3DAC數模轉換器用于產生正弦信號

直接對副邊電感的感應交流信號采樣，在數字域完成整流、整定等運算；由FPGA產生5 kHz左右的激勵正弦波，通過外部D/A轉換器輸出驅動初級線圈。這樣就只保留功率放大部分，其他都由FPGA實現。

上述模擬和數字兩種方案，為了保證測量的準確性，必須對電路進行逐個調節整定，然后測量結果跟傳感器的線性度等技術指標對比修正。

4 結語

本文介紹的位移測量實驗其研究對象為變壓器式電感位移傳感器，學生從實驗過程中，能了解其靜態特性和動態特性[8,9]；熟悉模擬電子技術，尤其是各基本運算放大電路、有源濾波電路、振蕩電路等；同時還能熟悉數字電子技術以及FPGA知識。完成實驗后，還鍛煉了數據分析處理能力。實驗內涵豐富。因此，認真獨立地完成該設計，將可使學生進一步加深已學理論知識的理解，進一步深化理論知識與實際應用的聯系，以促進創新能力的培養；將使學到的知識與特定功能的對象對接，培養學生探究能力與創新意識。

[1] 陳偉，張剴，戴興建. 基于AD698的半橋式電感位移傳感器高靈敏度測量電路設計[J]. 北京：電子技術應用 2008，7：69-71.

[2] 劉曉，趙輝，劉偉文等. 深亞微米精度電感位移傳感器及測量電路研究[J]. 南京：傳感技術學報 2006，19(6)：2428-2431.

[3] 狄偉. 虛擬電感位移測量儀的研制[D]. 武漢：華中科技大學，2002.

[4] 賀水燕，蔡靜等. 自制電感傳感器測量微小位移[J]. 上海：實驗室研究與探索 2008，27(2)：33-35.

[5] 王小海，祁才君，阮秉濤. 集成電子技術基礎教程(下)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6] 遠坂俊照. 測量電子電路設計-濾波器篇[M]. 北京：科學出版社，2006.

[7] 潘松 黃繼業. EDA技術實用教程[M].北京：科學技術出版社，2002.

[8] 宋黎明. 電感式位移傳感器特性分析及其工程應用研究[D]. 青島：山東科技大學，2012.

[9] 譚六喜. 電感位移傳感器線性擴展的優化研究[D]. 武漢：華中科技大學，2004.

ExperimentalStudyonTheNonContactMeasurementofInductance

FUXiao-cheng，ZHANGDe-hua,ZHANGWei

(ElectricalEngineeringandElectronicExperimentCenter,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

This paper introduces that an operation amplifier electric circuit is built to generate signals. The power of the generated signal is amplified before being sent to drive the primary winding. After being rectified and filtered, the signal is operated by a DC differential amplified and a linear amplifier. Then an offset circuit is used to set zero-point. Therefore, the signal can be measured by analog circuit.There are three ways of using FPGA to process and measure the signal other than using analog circuit. According to the proportional relation between the measured voltage signal and the position offset of the inductor, an inductive non-contact displacement measurement is realized.

inductive displacement sensor;FPGA; power amplifier circuit; simulation display setting

2016-10-01;

2017-02-09

傅曉程(1973-)，碩士，高級實驗師，主要從事電子技術的實驗教學，E-mail:fxche@zju.edu.cn

TN710

A

1008-0686(2017)05-0108-04