【文章內容簡介】 由于是雙臂工作形式當銜鐵下移時， Z1=Z△ Z， Z2=Z+△ Z，則有： 同理，當銜鐵上移時，則有： 可見，輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，由于是交流信號，還要經(jīng)過適當電路處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。 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M L L c) 緊耦合電感臂電橋 U ． U/2 ． U/2 ． U 0 ． b) 變壓器式電橋 Z 1 Z 2 Z 1 Z 2 U 0 ． U ． R 1 R 2 R 1 ˊ Z L U 0 ． a) 電阻平衡臂電橋 圖 3 交流電橋的幾種形式 ZZUURZZ ZZRRZURR RUZZ Z ???? ???????? 22)( )(2 ..21211.211.2110.LLUU ?? 2.0.2112..221...20.222 ZZZZUUZZZUUIZ????????ZZUU ?? . ZZUU ??? .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 我們設計及測試系統(tǒng)時，很多時侯需要正弦波信號 。在電感式位移傳感測量電路中，我們需要一個頻率和幅值都穩(wěn)定的電路， 否則會造成測量不穩(wěn)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(wěn)定性都有很高的要求。由于傳感器的工作環(huán)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(huán)節(jié)。 圖 5 正弦波發(fā)生電路 由差動電感傳感器的幅頻特性可知，傳感器的頻率選在平坦區(qū)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，引起幅值的變化。而圖 傳感器的幅頗特性另一方面，電路總體 設計要求實現(xiàn)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。顯然，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(wěn)定。對于頻率單一穩(wěn)定的信號發(fā)生，最理想的是石英晶體振蕩器，石英的物理特性十分穩(wěn)定，而且品質因數(shù)高，選頻特性石英晶振 可變增益放大器 K 積分放大 積分放大 比例積分 精密整流 參考電壓 好，波形失真小，在 20186。~60186。的范圍內其頻率的穩(wěn)定度可以達到 107。所以電路采用了由石英晶振和 MC14060分頻器構成信號源。石英 晶 體 振蕩器產生，經(jīng)振蕩 分頻器 27，和 28分頻后產生 4KHZ的方波信號分別作為激勵信號和采樣的觸發(fā)信號實現(xiàn)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。 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(wěn)定性，在電路設計上采用了穩(wěn)幅電路進行自動補償。穩(wěn)幅電路的基本思路是將輸出的變化量取出，補償?shù)捷斎攵?。當輸出增大時，補償?shù)淖饔檬秦摲答?，使輸入信號被減少，當輸出減少時，補償?shù)淖饔檬馆斎胄盘栐龃?，從而保持輸出不變。在實際的測試電路中，主要有直流比較（如圖 6所示）和交流比較（如圖 7所示）兩種典型電路 。 圖 6 直流比較 圖 7 交流比較 在圖五所示的直流比較電路中，輸出信號經(jīng)衰減和精密整流之后，與標準直流信號進行比較，誤差值經(jīng)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(wěn)定。這種電路由于有積分環(huán)節(jié)，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(huán)節(jié)引起的波形失真沒有 補償。 標準直流信號 放大 衰減 相 加 功放 比 較 輸出 衰減 精密整流電路 標準直流信號 比 較 放大電路 信號 相 乘 功放 輸出 在圖六所示的交流比較電路中，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(wěn)定輸出。這種電路線路相對比較簡單，由于是交流瞬時值的比較，還可補償功率放大的波形失真，缺點是 :標準交流信號與交流輸出信號之間有靜差，因此線性比較差。為保證正弦波的精度，我們選擇直流比較電路來提高波形精度。 對于 變 壓 器電橋，從理論上來說，當 Z1=Z 2時，電橋平衡，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(shù)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。 差動變壓器的輸出特性曲線如圖八所示 .圖中 E2 E22分別為兩個二次繞組的輸出感應電動勢， E2為差動輸出電動勢 x表示銜鐵偏離中心位置的距 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。 E0為零點殘余電動勢， 這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位 置等因素所贊成的。 為了減小零點殘余電動勢可采取以下方法： 盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩(wěn)定。 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。 U ． U ０ ． R 0 a) U ． U ０ ． R 0 b) U ． U ０ ． R 0 c) C 0 C 圖 8減小零點電路 E 2 E 2 E 22 E 21 E 0 x 0 圖 9 差動變壓器輸出特性） 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(lián)適當數(shù)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。 在許多需要 A/D轉換和數(shù)字采集的單片機系統(tǒng)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(shù)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(yōu)越的儀表用放大器。 交流放大電路的誤差主要由于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(shù)不為零，電阻器阻值隨溫度的變化，外部電網(wǎng) 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 3． 7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，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(qū)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(jīng)放大等處理后，還要從已經(jīng)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。 通過調制，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(shù)字電壓表。 圖 11 帶相敏整流的交流電橋 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(tài)， 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+△ Z，則下部線圈阻抗減少， Z2=Z△ Z。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 V V4導通， V V3 截止。在 AECB 支路中， C 點電位由于 Z1 增大而比平衡時的 C點電位降低；而在 AFDB 支中中， D 點電位由于 Z2 的降低而比平衡時 D 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 V V3導通， V V4截止，則在 AFCB 支中中， C點電位由于 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 AEDB支路中， D點電位由于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。 3． 8 A/D轉換及顯示電路 在測量出信號之后送入單片機時要經(jīng)過 A/D轉換。 A/D轉換器是測控系統(tǒng)中將模擬信號轉換成數(shù)字信號的重要器件。 A/D轉換的技術主要有：計數(shù)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(qū)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(shù)字量的位數(shù)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(fā)出啟動轉換命令到轉換結束獲得整個數(shù)字信號為止所需的時間間隔。我們常用的集成 A/D芯片有 ADC0809，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 圖 12 ADC0809引腳圖 ADC0809外部引腳示于圖 12，其引腳功能為： IN7～ IN0： 8路模擬量輸入端，在多路開關控制下，任一時刻只能有一路模擬量實現(xiàn) A/D轉換。 A、 B、 C：多路開關地址選擇輸入端，當取值 000～ 111時與 A/D轉換對應的通道為 IN0～ IN7。 ALE：地址鎖存輸入線，該信號的上升沿可將地址選擇信號 A、 B、 C鎖入地址寄存器。 START：啟動轉換輸入線，其上升沿用以清除 A/D內 部寄存器，其下降沿用以啟動內部控制邏輯，開始 A/D轉