【正文】 ............................481 緒論 本文的課題背景及意義21 世紀(jì)是人類全面進(jìn)入信息電子化的時(shí)代，隨著人類探知領(lǐng)域和空間的拓展，使得人們需要獲得的電子信息種類日益增加，需要信息傳遞的速度加快，信息處理能力增強(qiáng)，因此要求與此相對(duì)應(yīng)的信息采集技術(shù)——傳感器技術(shù)必須跟上信息化發(fā)展的需要。作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大核心技術(shù)之一的傳感技術(shù)是 21 世紀(jì)世界各國(guó)在高新技術(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)重要領(lǐng)域。在信息社會(huì)中，人們?yōu)榱送苿?dòng)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，需要用傳感器來(lái)檢測(cè)許多非電量信息，如位移、力、壓力、流量、速度、溫度、濕度以及生物量等等。一些早已形成傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)國(guó)家在上世紀(jì)末乃至本世紀(jì)仍把傳感器技術(shù)作為重點(diǎn)技術(shù)加以發(fā)展。電感傳感器是很重要的一類傳感器，它作為一種位置反饋元件，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于幾乎所有自動(dòng)化控制的行業(yè)與領(lǐng)域之中，對(duì)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有關(guān)鍵性的作用?？傮w來(lái)說(shuō)，目前國(guó)外的傳感器生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)，精度水平和可靠性較高，而國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)水平與國(guó)外有相當(dāng)大的差距。而且無(wú)論是光柵、容柵、還是電感調(diào)頻、電感差動(dòng)變壓器式的位移傳感器測(cè)量系統(tǒng)大多擺脫不了 1 次儀表(傳感器)+2 次儀表+3 次儀表的模式，使儀器體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受環(huán)境干擾，精度很難進(jìn)一步提高，可靠性難以保證。所以必須研制和改進(jìn)電感傳感器測(cè)量系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的性能。為了提高傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)的性能，新的技術(shù)和方法不斷地被應(yīng)用于傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器技術(shù)不斷發(fā)展。根據(jù)傳感元件的結(jié)構(gòu)、所使用的材料、測(cè)量原理以及轉(zhuǎn)換方式，目前常用的位移傳感器主要有：電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、感應(yīng)同步器、磁柵、光柵、激光傳感器等。電感式傳感器因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、沒(méi)有觸點(diǎn)摩擦問(wèn)題、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境要求不高、測(cè)量精度及分辨力較高、示值誤差較小以及穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)在精密計(jì)量和測(cè)試領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。電感測(cè)微儀的精度現(xiàn)在可以做到很高：國(guó)外以瑞士 TESA、意大利 MARPOSS、日本東京精密為代表，測(cè)量?jī)x的分辨力可達(dá) ，線性測(cè)量范圍達(dá) 177。由中原量?jī)x生產(chǎn)的 DGS6C 和 DGS6D 型數(shù)顯電感測(cè)微儀與該廠生產(chǎn)的 DGC8ZG/A 型或 DGC6PG/A 型電感式傳感器組合使用，用于機(jī)械加工中的精密測(cè)量，其性能指標(biāo)如下表 11：表 11 DGS 系列電感測(cè)頭性能指標(biāo)檔位 測(cè)量范圍 m?分辨率 ?示值誤差 m?第一檔 10? ??第二檔 100 第三檔 1000 1 10可見(jiàn)其性能指標(biāo)與國(guó)外生產(chǎn)的電感測(cè)微儀比較，還存在很大的差距。而國(guó)內(nèi)在此方面的研究還比較落后，相同精度下的線性范圍一般僅達(dá) ，而且測(cè)量?jī)x的功能單一、技術(shù)水平發(fā)展慢。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電感測(cè)微系統(tǒng)還普遍如下問(wèn)題：高精度檔位量程范圍小，分辨率不高，漂移比較大，穩(wěn)定性差等。高精度電感測(cè)量系統(tǒng)包括電感傳感器測(cè)頭、二次測(cè)量電路及相應(yīng)的軟件。從目前來(lái)看，電感測(cè)頭的技術(shù)水平在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)相當(dāng)成熟：在國(guó)內(nèi)最有代表性的中原量?jī)x生產(chǎn)的 DGC 系列差動(dòng)電感測(cè)頭線性度優(yōu)于177。Durham Instruments 公司生產(chǎn)的電感傳感器對(duì)溫度變化大的工作環(huán)境很適合，工作溫度范圍可以為55℃~+120℃、非線性優(yōu)于 %。由美國(guó) NCODER 生產(chǎn)的 LVDT 測(cè)頭的靈敏度達(dá)到 900mV/mm，溫度漂移為 %/℃，穩(wěn)定性為 24 小時(shí)內(nèi)小于 %，精確度為 %。而對(duì)其測(cè)量電路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)或改進(jìn)，使之與成熟的電感測(cè)頭技術(shù)相適應(yīng)則是一項(xiàng)低成本、高收益的措施，很適合目前國(guó)內(nèi)的超精測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。而且實(shí)驗(yàn)證明，即使選用性能很高的傳感測(cè)頭，其測(cè)量電路的性能跟不上，也無(wú)法提高整臺(tái)儀器的測(cè)量性能。為提高系統(tǒng)的整體性能，人們?cè)诎l(fā)展傳感器和數(shù)字化信息采集系統(tǒng)方面開(kāi)展了大量富有成果的研究工作，主要體現(xiàn)在以下二方面：一、為大力改進(jìn)傳統(tǒng)傳感器的性能，采用高精度、高穩(wěn)定度的元器件以及各種校正電路，使傳感器特性得到了一定的改善；二、采用數(shù)字化儀表作為傳感器與計(jì)算機(jī)之間的接口，它將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并作相應(yīng)的預(yù)處理后再傳送給計(jì)算機(jī)。各種對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ū惶岢鰜?lái)，包括硬件補(bǔ)償法：調(diào)節(jié)交流電橋橋臂法、連續(xù)模擬補(bǔ)償法、電橋非線性模擬連續(xù)補(bǔ)償法、傳感器特性非線性的連續(xù)模擬補(bǔ)償法等；軟件補(bǔ)償法：校正函數(shù)法、擬合法、函數(shù)分段擬合和線性插值的綜合算法等。所以要研究展寬電感式位移傳感器線性范圍、提高測(cè)量精度的方法。精度更高、速度更快、更準(zhǔn)確、更能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境和要求，這是測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。 課題研究方法 本次課題設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)對(duì)電感傳感器輸出信號(hào)的調(diào)理，即對(duì)電感傳感器微弱信號(hào)的交流放大、相敏檢波、直流放大、A/D轉(zhuǎn)換并通過(guò)以 AT89S52單片機(jī)為核心控制A/D轉(zhuǎn)換和液晶顯示。為滿足能對(duì)不同量程和不同分辨率的信號(hào)調(diào)理要求，也應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的量程變換電路，從完成電感傳感器接口電路設(shè)計(jì)，最終通過(guò)電感傳感器將測(cè)量位移的變化量以電壓的形式顯示在液晶顯示屏上。主要內(nèi)容如下:（1）在對(duì)傳感器作了綜述的基礎(chǔ)上，對(duì)電感傳感器的類型、功能以及特點(diǎn)進(jìn)行了全面的闡述。（2）進(jìn)行了電路硬件設(shè)計(jì)。采用高性能、低價(jià)格、小體積的微處理器進(jìn)行控制并實(shí)現(xiàn)信息處理與管理；小體積器件使電路板尺寸很小，并與傳感元件一體化設(shè)計(jì)，從而使整個(gè)系統(tǒng)具有體積小、成本低的特點(diǎn)。（3）在對(duì)電感傳感器電路的功能研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制程序，系統(tǒng)程序分為初始化模塊、液晶顯示模塊和主程序模塊。2 電感傳感器 電感傳感器的介紹電感傳感器就是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量 L 或互感量 M 的變化, 再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出, 這種裝置稱為電感式傳感器。這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制, 在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。具體過(guò)程如圖 21 所示：被 測(cè) 物 理 量（ 非 電 量 ： 位 移 、振 動(dòng) 、 壓 力 、流 量 、 比 重 ） 線 圈 自 感 系 數(shù) L/互 感 系 數(shù) M 電 感 /互 感 電 壓 或 電 流（ 電 信 號(hào) ）電 磁 感 應(yīng)圖 21 電感式傳感器的工作基礎(chǔ)電感傳感器分為變磁阻式、變壓器式、渦流式等種類。 電感傳感器的工作原理1圖 22 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 2 2 所示。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成, 在鐵芯和銜鐵之間有氣隙, 氣隙厚度為 ,傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。根據(jù)電感定義, 線圈中電感量可由下式確定: （21）wLI???式（21 ）中: ——線圈總磁鏈。  w——線圈的匝數(shù)。?由磁路歐姆定律, 得 （22）mIwR?式（22 ）中, Rm 為磁路總磁阻。若忽略磁路磁損, 則磁路總磁阻為 Rm = （2120LSS???3） 式(2 3)中：μ 1——鐵芯材料的導(dǎo)磁率； μ2——銜鐵材料的導(dǎo)磁率；  L1——磁通通過(guò)鐵芯的長(zhǎng)度；  L2——磁通通過(guò)銜鐵的長(zhǎng)度；  S1——鐵芯的截面積；  S2——銜鐵的截面積；  μ0——空氣的導(dǎo)磁率；S0——?dú)庀兜慕孛娣e；  ——?dú)庀兜暮穸龋?通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻, 即20LS?? （24）10?則式(2 3）可近似為 Rm = （25）02S??聯(lián)立式(2 – 1)，式(2 2）及式 (2 5）, 可得 （220mwL??6）上式表明, 當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí), 電感 L 僅僅是磁路中磁阻 Rm 的函數(shù), 只要改變 或 S0 均可導(dǎo)致電感變化, 因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度 的傳感器? ?和變氣隙面積 S0 的傳感器。 ? 電感傳感器的輸出特性設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?, 初始電感量為 L0, 銜鐵位移引起的氣隙變化量為0?, 從式(2 6）可知 L 與 之間是非線性關(guān)系, 特性曲線如圖 2 3 表示。 ??L??＋ ????－ ? ?oL0L0＋ ?LL0－ ?圖 24 變隙式電感傳感器的 L 關(guān)系由圖 24 可以看出：銜鐵上移,切線斜率變大:銜鐵下移 ,切線斜率變小。為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。  電感式傳感器的等效電路電感式傳感器的線圈并非是純電感，有功分量包括：線圈線繞電阻和渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻，其總電阻可用 R 來(lái)表示；無(wú)功分量包含：線圈的自感 L, 繞線間分布電容 C。189。189。設(shè) Z1=Z+ΔZ1 (218)Z2=Z－ΔZ 2 (219) Z 是銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的復(fù)阻抗，ΔZ ΔZ 2 分別是銜鐵偏離中心位置時(shí)兩線圈阻抗的變化量。差動(dòng)傳感器電感的總變化量 ΔL=ΔL1+ΔL2, 具體表達(dá)式為： （221）412022LL??????????????????????對(duì)上式進(jìn)行線性處理, 即忽略高次項(xiàng)得 （222）0L??靈敏度 K0 為 （223）02K???比較單線圈式和差動(dòng)式有：①差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。單線圈的非線性項(xiàng)（忽略高次項(xiàng))： （224）20/L????????? （225）300/?由于 ，因此，差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。 ? （226）002UL??? 變壓器式交流電橋 U?C2U?2U? Z1Z2oU?ABD圖 27 變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋測(cè)量電路如圖 27 所示，電橋兩臂 ZZ 2 為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的 1/2 阻抗。當(dāng)傳感器銜鐵上移：如 Z1=Z+ΔZ，Z 2=Z－ΔZ 此時(shí) （228）oL??????當(dāng)傳感器銜鐵下移：如 Z1=Z－ΔZ ，Z 2=Z+ΔZ 此時(shí) （229） 2oUL??可知