如何提高电感传感器的测量和灵敏度

出处：电子发烧友发布于：2019-08-12 13:52:09

电感位移传感器被广泛应用于微小位移量检测中，但在一些工程中现有传感器的测量和灵敏度达不到测量要求。针对这一问题，对传感器前段信号处理电路进行改进，在传感器上下线圈并联电容形成LC电路，利用LC电路谐振效应改善电路的性能，以提高信号源头的灵敏度；采用Multisim软件对半桥和全桥电路在并联不同大小的电容后的性能进行仿真，并用Matlab对生成的曲线进行二乘拟合，比较得出使电路性能的电容值和并联方法。结果表明在损失微小线性度的情况下可将灵敏度提高一倍。
　　电感位移传感器的实质，是将敏感元件的变化量转化成电压幅值的变化量来进行测量，其广泛应用于检测微小位移量的检测系统中，因此对电感传感器的测量和灵敏度要求很高。电感位移传感器的灵敏度是指输出电压的增量与侧头位移增量的比。在其他条件相同的情况下提高灵敏度可以提高系统的分辨率和。提高电感传感器灵敏度的方式有多种，但目前主要都是通过对电感传感器的信号调理电路的改进来实现。文中尝试通过谐振电路改变传感器的输出信号，从信号源头增大传感器灵敏度。这种方法相当于对传感器本身进行改进，使得它还可以与其他改进技术如：传感器激励源、输出信号处理、计算机软件补偿等兼容以共同提高整个系统的性能。
　　1 改进后电路的模型建立
　　1．1 半桥式改进电路
　　如图1如果没有C1和C2为普通半桥电路，虚线框中为电感传感器的等效电路，传感器测头的位移带动螺线管中铁芯上下移动，从而改变上下两个线圈的电感值。将两线圈等效成纯电阻和纯电感的串联，如图中R1和L1组成上线圈，R2和L2组成下线圈，输出接在上线圈上。实际传感器中线圈与输出的接线不会变，只是通过铁芯移动来改变电感，所以R1和R2固定不变。输出电压
　

　　图1在上下两个线圈并联电容C1和C2后，分别形成了谐振回路I和回路II。如果铁芯在下方时：回路II谐振，回路I失谐。当铁芯在上方时：回路I谐振，回路II失谐。由于谐振电路在谐振时的阻抗会远大于失谐时的阻抗。可以定性地得出，铁芯在下方时Uout的幅值会比没有电容小，在上方时会比没有电容时大，所以灵敏度会增大。但在下方和上方中间的变化情况，以及它的线性度则需要后边仿真来确定。输出电压
　

　　1．2 全桥式改进电路
　　普通全桥电路图2（a），传感器上下两线圈分别与匹配电阻R3和R4相连，在L1=L2时电桥平衡，当向上发生△X的位移时，铁芯上移，L1增大△L，L2减小△L，Uout的变化会比半桥方式增加近两倍，输出电压
　　

　　如图2（b）和图2（c）对上下两线圈分别采用并联和串联电容C1和C2的方式，形成谐振回路I和回路II，通过后续仿真观察这两种方式电路性能的变化情况。输出电压

　　2 电路的仿真
　　2．1 仿真平台及仿真条件
　　仿真平台使用MulTIsim，它是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟／数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有庞大的元器件库和全面的仪器仪表库和丰富的仿真分析能力。采用它来对改进前后的电路进行仿真。
　　在仿真之前，先结合工程实际情况对仿真条件进行一些设定：
　　（1）激励电源：频率为7．5 kHz，峰峰值为5 V的交流电。
　　（2）传感器：总电感值为10mH差动电感传感器，线性范围为3～7mH，电感的自身的电阻值为54Ω。
　　如上文所述R1和R2固定不变，所以R1和R2为27Ω。而对应的纯电感L1和L2，会随着位移线行变化，满足L1+L2=10 mH（3《L1《7，3《L2《7）。
　　2．2 仿真过程及结果
　　对于半桥时电路II由于希望铁芯在下方时回路II谐振，上方时回路I谐振，因为L1和L2的变化范围为3～7 mH。L2为7 mH时回路II谐振，L1为7 mH时回路I谐振。按照仿真条件计算C1=C2=65 nF。简化仿真不妨取C1=C2，在65 nF附近从55～100 nF间隔5 nF进行仿真，观察电路性能，仿真结果如图3所示。
　

　　图中可以看出不同的电容值对电路的性能影响很大，如果选择不恰当，反而会使系统性能下降。只有选择适当容量的电容大小才能使测量灵敏度提高，同时保持尽量小的线性误差。所以选取曲线在L1=3～7 mH段时，灵敏度，线性度，进行二乘计算，它与普通半桥的对比如图4所示。
　

　　经Matlab计算普通半桥在3～7 mH段，电压变化范围1．5～3．5 V，电压对电感的灵敏度为0．5V／mH。线性度近似为1。对图4（b）采用二乘法拟合直线后，在3．8～6．3 mH段，输出电压的变化范围0．77～4．39 V。线性度可达2．39％，灵敏度为1．448 V／mH。
　　对全桥电路的仿真与半桥的方法类似，需要注意的是希望电桥在L1=L2=5 mL时平衡，所以对于匹配电阻的选取需要根据仿真条件计算
　　对于电路I：R3=R4=|jw×0．005+R1|=237 Ω；电路II：R3=R4=|（jwL+R1）∥（1／jwC1）|=817Ω；电路III：R3=R4=|jwL+R1+（1／jwC1）|=98Ω。
　　对于使用电容的电路，同样对不同的电容值条件下的电路进行仿真，选出性能的如图5所示。

　　普通全桥在3．8～6．3 mH段，电压变化范围为-1．2～+1．3 V，电压对电感的灵敏度为1 V／mH。线性度近似为1．38。对图5（b）和图5（c）使用Matlab进行拟合直线如图所示，在3．8～6．3 mH段，并联方式输出电压的变化范围为-2．66～+2．66V，灵敏度为2．130V／mH线性度可达1．68％。串联方式的输出电压范围约为-1．25～+1．25V，灵敏度约为2．130V／mH线性度可达1．33％。
　　3 分析与结论
　　如表1所示，为各电路的灵敏度和线性度，可以在损失较小线性度条件下，将灵敏度提高。对于半桥虽然将灵敏度提高了近200％，但牺牲的线性度较大。串联电容的方式灵敏度几乎没有增大。性能的是并联电容后的全桥电路，灵敏度提升了113％，且损失的线性度较小，只比原来增大21．7％，而且实际应用中，可以通过软件补偿和事先标定来弥补线性度的不足。