1、傳感器綜述測量兩類位移： 線位移,物位移傳感器分類：電渦流式 激光式 精密電阻式、電容式、電感式 小位移變壓器式 中位移電位器式 大位移電容傳感器： 把位移的變化換作電容的變化進行制作的。適合高頻測量。 優點：它具有靈敏度高、能實現非接觸量的測量，而且可以在惡劣場合下工 作。缺點：輸出特性的非線性，對絕緣電阻要求比較高。對連接線纜有很高的要 求，它要有屏蔽性能；而且最好選用高頻電源用來供電。目前狀況：現在做的最好的電容式位移傳感器可以測量0.001微M的位移，誤差非常小。電感傳感器： 將測量量換作線圈自感或互感的變化的傳感器。線位移，角位移都可測。 優點：靈敏度高；輸出信號比較大，因此有利于信

2、號的傳輸 缺點：頻率響應較低,不宜于高頻動態測量。常用的：1、變氣隙型中電感的變化與傳感器中活動銜鐵的位移相對應2、變面積型是用鐵芯與銜鐵之間重合面積的變化來反映位移3、螺管型是銜鐵插入長度的變化導致電感變化的原理。 變壓器式傳感器：線圈中感應電動勢隨著位移的變化而變化。 優點：靈敏度都很高，有時都不用放大器。 缺點：在于質量一般比較大，不應用于高頻場合。電渦流式傳感器： 基于電渦流效應，它的感應參數是阻抗的變化，盡量使阻抗是位移的函數，它 還與被測物體的形狀跟尺寸有關。量程一般在0到80毫M。電阻式傳感器：通過測量變化的電阻值來計算位移的變化。電位器式： 適合測量位移大、 精度要求不高的場合

3、。應變式：利用電阻應變效應，它具有線性度跟分辨率都比較高，失真小的優 點。電感式位移傳感器分析一、硬件組成電感測微儀的硬件電路主要包括 電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器及 單片機系統。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩定的激勵電壓.正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中。工件的微小位移經電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內銜鐵移動，使兩線圈內的電感量發 生相對的變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當測頭帶動銜鐵上 下移動時，若上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少；若上線圈的電感量減少，下線 圈的電感量則增加。交流阻抗相應地變化，電橋失

4、去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正比，頻率與振蕩器頻率相同，相位與位移方向相對應的調制信號。此信號經放大，由相敏檢波器鑒出極性。得到一個與銜鐵位移相對應的直流電壓信號。A/D轉換器輸入到單片機。經過數據處理進行顯示。誤差分析電感式傳感器測位移時，因為線圈中的電流不為零，因而 銜鐵始終承受電磁吸力，會引 起附加誤差，而且非線性誤差較大；另外， 外界的干擾（如電源電壓頻率的變化，溫度的變 化也會使輸出產生誤差。解決方案分析在實際工作中常采用 差動形式，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤 差。兩個完全相同的單個線圈的電感式傳感器共用一個活動銜鐵就構成了差動式電感傳感 器。采用差動式結構除

5、了可以改善線性、提高靈敏度外，對外界影響，如溫度的變化、電源 頻率的變化等也基本上可以相互抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。零點殘余電壓也是反映差動變壓器式傳感器性能的重要指標。理想情況是在零點時，兩 個次級線圈感應電壓大小相等方向相反，差動輸出電壓為零實際情況是兩組次級線圈的不對 稱鐵心的B-H曲線的非線性，以及激勵電源存在的高次諧波等因素引起零點處UM0知。其數值約為零點幾毫伏，有時甚至可達幾十毫伏，并且無論怎樣調節銜鐵的位置均無法消除。零點 殘余電壓的存在，使傳感器的靈敏度降低，分辨率變差和測量誤差增大。克服辦法主要是提高次級兩繞組的對稱性（包括結構和匝數等，另外輸出端

6、用相敏檢測 和采用電路補償方法，可以減小零點殘余電壓影響。均勻的，其中L為線圈自感，N為各段導磁體的磁導率線圈的電感跟氣隙厚度、氣隙的面積、 導磁體的長度等有關。根據改變空氣隙的厚度、空氣隙的面積、磁體的長度來實現電感的變 化，從而實現測量的作原理，自感測頭信號變壓器電橋相敏檢波1_帶通放大基本原理正弦波發生器L*ri、“t ./ / .、r、r、.艮據磁路的基本 知識線圈的自感可按卜式計算L=N/Rm單片機A/D 轉換顯示器式電感傳感器可分為氣隙型、截面型、螺管型。氣隙型傳感器優點：靈敏度高，對后續測量電路的放大倍數要求低。缺點：非線性嚴重，為了限制非線性，示值范圍只能較小，因為銜鐵在運動方

7、向上受鐵心的限制，故自由行程小。截面型優點：較好的線性，自由行程較大，制造裝配比較方便。缺點：靈敏度較低。螺管型優點：結構簡單，自由行程可任意安排、制造方便。缺點：因為空氣隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大。圖為螺管型電感式傳感器的結構圖。螺管型電感傳感器的 銜鐵隨被測對象移動，線圈 磁力線路徑上的磁阻 發生變化，線圈電感量 也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關。設線圈長度為I、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數為N、銜鐵進入線圈的長度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導率為 冋則線圈的電感量L與銜鐵進入線圈的長度la的關系可表示為理才能判別銜鐵位移的大小及方向交流

8、電橋路的電壓或電流輸出。差動式結構可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也 感器作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻,也可 緊耦合電感線圈。圖二是交流電橋的幾種常用形式如圖，它的作用是:將線圈變化成電橋電通常將傳&變壓器的二次側繞組或3所示。圖 2 螺管型電感傳感器1-線圈 2-銜鐵1電阻平衡臂電橋如圖二a所示另有R仁R2=R因為電橋工作臂仙ZLU，上式可近似為:Z2為傳感器阻扌抗。咼。L1A 形式，則在 工厶作時，Z1 tu/2T時，電橋的輸出當3L島以看出 F 流電橋的輸出電壓與 變壓器式電橋如圖時輸出電壓為：a因盤 同理，當銜鐵上移時，則有：三可見，輸出電壓反映了傳感器線圈阻交

9、流電變化幾種因為是交流信是雙臂臂橋b所示,=Z=R+jwL,2=Z- U -M電感的相對變化量是成正比的。作形式當銜鐵下移時，Z1=Z-AZ，Z2=Z+Zb 變壓器式電橋 r，則有緊耦合電感臂電橋言號，還要經過適當電路處三、電感測頭的結構圖三是軸向式電感測頭的結構圖。測頭10用螺釘擰在測桿8上，測桿8可在鋼球導軌7上作軸向移動。測桿上端固定著銜 鐵3。線圈4放在圓筒形磁心2中,兩線圈差動使用，當銜鐵過零點上移時，上線圈電感量增加 下線圈電感量減少。兩線圈輸出由引線1接至測量電路。測量時，測頭10與被測物體接觸，當 被測物體有微小位移時，測頭通過測桿8帶動銜鐵3在電感線圈4中移動,使線圈電感值變

10、化，通過引線接入測量電路。彈簧5產生的力，保證測頭與被測物體有效地接觸。防轉銷6限制測 桿轉動,密封套9防止灰塵進入傳感器內部。圖 4 電感測頭結構圖四、正弦波發生電路的設計需要一個頻率和幅值都穩定的電路，否則會造成測量不穩定及很大的誤 差。正弦波作為變壓器電橋的橋源，其精度對電橋的輸出信號影響極大，對于其幅值和頻率 的穩定性都有很高的要求。因為傳感器的工作環境通常比較惡劣，竄入電源的隨機干擾不可 避免，因此在電路設計中應該具有 自動補償環節。石英晶振一可變增益放大器 K積分放大、-比例積分一/圖 5 正弦波發生 _- T傳感器頻響積分放大_區一精密整流弋由差動電感傳感器的幅頻特性可知，傳感器

11、的頻率選在 平坦區域偏高點（提高靈敏度， 頻率波動將有可能改變傳感器的工作點，弓|起幅值的變化參考電壓傳感器的幅頗特性另一方面，電路總體設計要求實現峰一峰采樣，即采樣頻率和模擬信 號頻率應保持嚴格的兩倍關系，這兩個信號頻率都由標準振蕩電路給出。正弦電壓源分析任一個信號頻率的波動都會導致采不到峰值，帶來的測量誤差是很大的。所以對信號源頻率的要求特點是單一穩定。對于頻率單一穩定的信號發生，最理想的是石英晶體振蕩器， 石英的物理特性十分穩定，而且品質因數高，選頻特性好，波形失真小，在-20o60o的范圍內其頻率的穩定度可以達到10-7。所以電路采用了由石英晶振和MC1406分頻器構成信號源。 石英晶

12、體振蕩器產生2.4576MHZ勺穩定方波信號，經振蕩分頻器27,和2*分頻每一振增加脈沖 數量，實現分頻，從而使結果平滑或者精確）后產生19.208KH巒9.60 4KHZ的方波信號分別 作為激勵信號和采樣的觸發信號實現峰一峰值采樣以及作為進入I/O作為讀取波峰、波谷的參 考信號。幅值補償正弦波信號的幅值將直接影響傳感器的輸出，為保證正弦波信號幅值的穩定性，在電路 設計上采用了穩幅電路進行 自動補償。穩幅電路的基本思路是將輸出的變化量取出，補償到 輸入端。當輸出增大時，補償的作用是負反饋，使輸入信號被減少，當輸出減少時，補償的 作用使輸入信號增大，從而保持輸出不變。在實際的測試電路中，主要有直

13、流比較如圖6所示）和交流比較如圖7所示）兩種典型電路。所示直流比較電路中，輸出信號經衰減和精密整流之后，與標準直流信號進行比較，誤 差值經放大后去控制乘法器的放大增益，從而改變放大電路的輸入幅度，使輸出穩定。這種 電路因為有積分環節，當標準信號與輸出有偏差時，通過積分最后消除輸出誤差，所以直流 標準信號與交流輸出之間的線性極好，其缺點是對積分放大環節引起的波形失真沒有補償。所示交流比較電路中，輸出的交流信號衰減后與給定的標準交流信號進行比較，誤差直接交 流放大后與標準交流信號相加減，從而穩定輸出。這種電路線路相對比較簡單，因為是交流零點殘余電壓對于變壓器電橋，從理論上來說，當Z1=Z 2時，電

14、橋平衡，輸出電壓為零，但實際制作 時要滿足兩電感線圈的等效參數完全相等是很難達到的，因此，即便是銜鐵位于平衡位置 時，仍然存在有一定的電壓輸出，稱為 零點殘余電壓。零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，也對傳感器的線性度有一定的影響，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。所 以在對變壓器電橋的設計和制作時有必要采用一定的措施。E21、F22分別為兩個二次繞的E2為差動輸出電動勢x表示銜鐵 離。其中E2的實線表示理想的輸出特性，而虛線 部分表示實際的輸出特性8 減小零為零點殘余電動勢， 這是因為差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位 一 置等因素所贊成的

15、。為了減小零點殘余電動勢可采取以下方法：1、盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數和磁路的對稱。磁性材料要經過處理, 消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩定。2、選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向雙可改善輸出 特性，減小零點殘余電動勢。3、采用補償線路減小零點殘余電動勢。在差動變壓器二次側串、并聯適當數值的電阻電容元件，當調整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小六、交流放大電路在許多需要A/D轉換和數字采集的單片機系統中，很多情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數的放大，才能滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求，這種情況下，就必須選擇

16、一種符合要求的放大器。儀表器的選型很多，我們這 里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，其實就是典型的差動放大器。它只需三個廉價的普 通運算放大器和幾只電阻器，即可構成性能優越的儀表用放大器。誤差分析差動變壓器的輸出特性曲線如圖八所示輸出感偏離中心位置的距R0E2E2E0 xCJUo圖 9 差動變壓器輸出特性）址電動勢，主要因為集成運放的輸入偏置電流、失調電流和失調電壓以及溫漂等參數不為零，電阻 器阻值隨溫度的變化，外部電網電壓、溫度和負載電流的選擇運放和電阻器，合理地進行布 線和安裝元器件，對運放仔細調零等。圖 10 放大電路七、相敏檢波電路在精密測量中，進入測量電路的除了傳感器輸出的測量信號外

17、，還往往有各種噪聲。而 傳感器的輸出信號一般又很微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是測量電路的一 項重要任務。為了便于區別信號與噪聲，往往給測量信號賦以一定特征，這就是調制的主要功用。在將測量信號調制，并將它和噪聲分離，再經放大等處理后，還要從已經調制的信號 中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為解調。調制對測量信號賦以一定的特征，使已調信號的頻帶在以載波信號頻率為中心的很窄的范圍 內，而噪聲含有各種頻率，即近乎于白噪聲。這時可以利用選頻放大器、濾波器等，只讓以 載波頻率為中心的一個很窄的頻帶內的信號通過，就可以有效地抑制噪聲。采用載波頻率作 為參考信號進行比較，也可抑制遠離參考頻

18、率的各種噪聲。圖 11是一個采用了帶相敏整流的交流電橋。差動電感式傳感器的兩個線圈作為交流電橋 相鄰的兩個工作臂，指示儀表是中心為零刻度的直流電壓表或數字電壓表。設差動電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當銜鐵處于中間位置時，Z1=Z2=Z電橋 處于平衡狀態，C點電位等于D點地位，電表指示為零。當銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+乙則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-A乙如果輸入交流電壓為正半周，則A點電位為正，B點電位為負，二極管VI、V4導通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C點電位因為Z1增大而比平衡時的C點電位降低； 而在A-F-D-B支中中，D點電位因為Z2的降低而比平衡時D

19、點的電位增高，所以D點電位高于C點電位，直流電壓表 正向偏轉。如果輸入交流電壓為負半周，A點電位為負，B點電位為正， 二極管V2、V3導通，VI、V4截止， 則在A-F-C-B支中中，C點電位因為Z2減少而比平衡時降低平衡時，輸入電壓若為 負半周，即B點電位為正，A點電位為負，C點相對于B點為負電位，Z2減少時，C點電位更 負）；而在A-E-D-B支路中，D點電位因為Z1的增加而比平衡時的電位增高，所以仍然是D點電位高于C點電位， 電壓表正向偏轉。同樣可以得出結果：當銜鐵下移時，電壓表總是反向偏轉，輸出為負。可見采用帶相敏整流的交流電橋，輸出信號既能反映位移大小又能反映位移的方向。八、A/D轉

20、換及顯示電路在測量出信號之后送入單片機時要經過A/D轉換。A/D轉換器是測控系統中將模擬信號轉換成數字信號的重要器件。A/D轉換的技術主要有：計數式A/D轉換；逐次逼近型A/D轉換；雙 積分式A/D轉換；并行A/D、串/并行A/D轉換及V/F變換等。在這些轉換中，主要區別是速度、 精度和價格。A/D轉換器的主要技術指標有分辨率、量程、精度、轉換時間。分辨率它是表示 轉換器對微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉換器輸出數字量的位數來表示，目前常用芯 片有8位、10位、12位、14位等。轉換時間是指從發出啟動轉換命令到轉換結束獲得整個數字信號為止所需的時間間隔。我們常用的集成A/D芯片有ADC080

21、9它具有8路模擬量輸入，可在 程序控制下對任意通道進行A/D轉換。本設計只有一路信號輸入，因此地址A、B、C直接接地CLOCK轉換定時脈沖輸入端。它的頻率決定了A/D轉換器的轉換速度。使用頻率小于等 于640KHz對應轉換速度大于等于100us。Ref(+,ref(-(V REF(+和VREF(-:是內部D/A轉換器的參考電壓輸入線。VCC為+5V, GND為地。下圖為ADC080與單片機的接口電路ADC080與單片機的接口比較簡單，圖3.3為ADC0809與8031的典型接口電路。圖13中虛線為查詢連接方式， 當系統主頻為6MHZ寸，ALE為1MH?則應將其經過2分頻后 與ADC080的CLOC連接。P0圖 13 ADC0809與-T4