浅谈电感传感器微位移检测仪的原理与设计

杨沁佳

（东北大学，沈阳 110000）

1 引言

电感测微仪是一种分辨率高、工作可靠、使用寿命很长的测量仪，它是能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，被广泛应用于精密制造业以及国防、科研、计量部门的精密长度测量。本次课题的目标是研究电感测微仪的软硬件设计与实现方法，实现能对传感器探头感受到的微位移信号进行实时的测量并显示的目的。通过对相关知识的了解，构建测量系统框图、分析系统工作原理进而对电路的硬件部分进行设计。

2 测微仪方案确定

2.1 测微仪的设计思想

位移检测通常用电感式、电容式、光栅式等传感器检测位移量的变化。本次设计选用可接触测量的电感式差动传感器。其建立在电磁感应基础上，利用线圈电感或互感的改变来实现非电量的测量。把输入的物理量如位移量、振动、压力、流量等参数，转换为线圈的自感系数 L 和互感系数M 的变化，而 L 和 M 的变化在电路中转换为电压或电流的变化，即将非电量转换成电信号输出。电感式传感器有以下特点： 工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨力高；精度高，线性好；线性稳定，重复性好。

本课题涉及到的信号调制，就是将微位移信号调制到正弦波信号上进行检测。电感测微仪测头由差动螺管线圈和可在线圈内部移动的磁芯组成，当线圈由交变信号驱动时，线圈内部产生一个磁场。调制部分采用差动变压器电桥的思想，即实现无位移输入时铁芯位于中央处，输出为零；反之，当铁芯移动时，改变线圈内部的磁场分布，测量电路产生一个与磁芯移动量大小成正比的电压幅值。这个电压的幅值信号就是整个系统的处理对象，它的幅值和相位就间接反映出了位移量的大小和方向。

2.2 测微仪的方案设计

系统的硬件电路设计如图1所示，调制信号所用测量线圈由两个以差动方式工作的螺管线圈组成并由正弦电源激励，内部铁芯棒由被测位移X 带动以改变螺管线圈的自感或互感，再由信号调理电路将自感或互感的变化转换为电压或电流信号至A/D 转换电路，计算机从转换电路获取被测位移变化X 的数字信号，通过分析处理得到测量结果及相关的信息。

图1 电感传感器微位移测试仪系统框图

2.3 系统模拟电路的设计与仿真

模拟电路的设计包含测量电路的设计，由于微位移信号经变压器电桥后产生的输出信号较小，因而需要对其采集的信号进行放大使得其调制后的电压有效值满足AD 转换器的输入范围，即放大整流电路设计以及其后续的精密整流电路设计等。在模拟电路仿真方面，选择了更侧重于模拟数字电路原理特性级仿真分析的Multisim 软件，整体仿真见图2。

图2 系统模拟电路的设计与仿真

2.4 系统数字电路的设计与仿真

数字电路的设计包含AD 转换器电路、单片机及其外围电源电路、复位、时钟电路、数码管显示电路以及通信电路的设计。同时编写主程序、AD 转换程序、数字处理以及数码管显示程序，利用PROTUES 对数字电路进行仿真，整体仿真见图3。

图3 系统数字电路的设计与仿真

3 结束语

本次设计通过查阅资料，结合所学，成功完成了以单片机为核心器件的电感测微仪的相关电路设计，并分别利用Multisim 和PROTEUS 进行了电路仿真，电路调试后基本可以实现相应的功能，同时也对系统可能存在的误差和外界干扰进行了相关的分析，并提出了一些解决措施。