电路系统设计中互感式位移传感器的应用

张瑞

九江职业技术学院 江西 九江 332007

引言

位移传感器根据位移的大小而不同，它被用来确定小的位移，高精度。在位移传感器检测系统中，有简单的设计、大输出信号、高灵敏度、温度影响的小误差、良好的密封和其他广泛应用的好处。

1 互感式位移传感器

互感式位移传感器在电磁感应中使用互惠原则，将两个线圈以微分形式连接起来，称为微分变压器传感器。该类型传感器主要有两个部件：由初级线圈、两个反向连接的次级绕组构成的绕组结构，以及由铁磁材料构成并机械连接到被测物体的可移动铁芯，其中绕组结构和可移动铁芯之间没有物理接触。分配至左左方向和结论区别反向电压串联连接,入口初级绕组信号交流电时，根据电磁感应里面的核心骨架做理论上的位移传感器切断磁线，放大线圈间的磁感应产生感应电动势。传感器的输出电压与激励源频率、绕组线圈初级、次级匝数、铁芯的半径和长度、铁芯外端面与绕组骨架内端面之间的气隙厚度以及铁芯转动角度等有关。理想情况下当核心位于中心时，级线圈产生相同但相反的互惠电压，因此输出微分电压为零。当核心内部的位移发生变化时，输出电压随核心的位移而变化。

2 电路系统设计中互感式位移传感器的应用

2.1 感式位移传感器使用原理

它的结构核心由磁性材料组成，由扇形对称的两端组成，没有与线圈结构的摩擦。在输入量不变的情况下，位移传感器原本的输入输出关系应保持恒定，但在实际应用过程中，位移传感器输出量随着时间是变化的，一是位移传感器自身结构参数，线圈结构中绕线参数的不对称，绕线结构误差，引线长度不一致等；二是周围环境的改变，如温度、湿度等环境温度变化而引起输出量的变化。互感式位移传感器的线性范围是指在保证一定测量范围精度下，输出与铁芯位移量呈线性的工作范围，其线性范围越宽，表示传感器的量程越大。但由于传感器结构特性，输出的电压与传感器量程位移量之间并非完全呈线性关系，线性输出超出范围，输出的线性度会逐渐衰减。假设磁壳和空气中的磁散射被忽视，原始线圈产生的磁通量可以分为两种方式。

2.2 传感器电路设计

具有相互感应耦合的运动传感器电路是用来处理位移传感器信号的，电源输入15V，工作温度范围-45℃～105℃、外部尺寸70mm×42mm×18mm。整流电路有半波和全波整流两种，最常用的是单相桥氏整流电路。根据传感器输出电压的极性，利用二极管的单向导电，桥式整流二极管分为两组分别导通，保证次级线圈感应信号在整个周期内，整流输出的电压和电流在方向上始终保持不变，得到一个单方向的全波脉动电压。相对于半波整流，克服了交流分量大，输出电压低等缺点。同时，感应电压得到充分的运用效率较高。低通滤波电路最常采用电容滤波，利用电容的充放电进行滤波。当整流输出信号波形上升时，电容充电，其回路电阻为整流电路内阻，因而时间常数小，充电速度很快；当输出信号上升到峰值后开始下降，电容通过电阻放电，故放电时间常数远大于充电时间常数，放电速度很慢。在电容还没有完全放电的情况下再次开始进行充电，重复该过程，实现滤波作用。其电路结构简单，滤波后的输出电压平滑且平均值也得到提高，常用于负载电流较小的电路中。它的电路结构很简单，过滤后的输出电压被平滑，平均值也被提高，经常用于负载较低的电路。相敏感应器回路输出通过低带宽的二级滤波器阶段，而不是一级滤波器的宽度，滤波器效应。类似输入的电压调节电路提供了足够高的输出恒定电压稳定性。在传统的环绕探测器电路中，由于二极管的阈值电压降低，整流器电路在解调器信号振幅上犯了一个大错误。与此同时，无法确定探测器输出的解调器阶段。此外，在相同的整流模式下，绕过检波被用来在不同的频率上调制信号，使其无法识别信号的频率。当探测器处于中间位置时，剩余的零应力保持不变，导致接近零的麻木区。通过相敏探测器，可以在中间位置、相位和信号频率上消除高谐波引起的剩余电压。然而，低频过滤电路会导致时间延迟，从而增加理解电路的反应时间，使相敏电路受限。这个解调器电路通过简单的比较器和级联电路转换成数字信号，允许区分解调器信号的相位。取样控制电路取代传统的低频过滤电路，以适应刺激信号的半周期，并增加电路反应时间。采用相敏检波电路可以消除掉铁芯在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压，还具有判别信号相位和频率，提高抗干扰的能力。但是低通滤波电路将会引起时间的延迟，从而增大了解调电路的响应时间，使得相敏检波电路有一定的局限性。采样保持电路的解调电路拓扑和模拟查找表扩展线性范围结构。最后对电路整体结构和整体电路时序进行了分析说明了设计方案的可行性。

2.3 电源转换设计

电源供电问题是电子电路中常见但极其重要的问题。在电路中，因为每个模块需要的电源电压不同，通过一个转换电路将一个直流电压转换成其他的直流电压。根据整体电路分析，整体电路供电15V，电路中需要独立供电的电路模块电压又各不相同，正弦波振荡电路、峰值检测电路、可控同反相电路需要供电12V电压，脉冲生成电路、数字逻辑门需要供电5V电压，而其中的比较器、积分电路需要±5V的供电电压[1]。因此，电源转换供电模块需要多种电压输出的能力。这种电路结构简单，虽然输入电压的扰动可以得到抑制，但输出电压不能调节，同时受到稳压管最大工作电流限制，使用范围受到限制，因此该电路适应于输出电压要求不高，负载电流小的场合。线性稳压电路是在稳压管稳压电路结构的基础上，通过采样输出电压，引入深度负反馈使输出电压保持稳定，同时改变反馈网络参数可以调节输出电压；并且利用晶体管的特性来增加负载电流。线性稳压器电路具有结构简单、反应速度快，输出纹波较小、输出电压稳定性强等优点。但该电路的散热是存在的最大问题，由于调整管始终工作在放大状态，自身功耗太大，故效率低。为了解决调整管的散热问题，必须匹配相应的散热装置。开关型稳压电路开关型稳压电路是把输入的直流信号转换成方波，通过低通滤波器再将方波滤波得到直流信号的电路，通过该过程降低电压，减少电压变换时的损失。经开关驱动后，得到控制信号控制调整管的工作状态。当输出电压变化时，采样电压同时变化，并作用于开关驱动中的比较放大电路，通过与基准电压比较放大，进而改变控制信号的占空比，改变调整管的导通时间，调节输出电压，从而达到稳压的目的。通常使用多谐振荡器和RC振荡电路。多谐振荡器多谐振荡器是无机振荡器，可以产生连续脉冲并应用更多。多谐振荡器由三极管、电阻和电容组成。当电路启动时，当电路连接到电源时，两个晶体管都关闭了。由于设备、晶体管、电阻和电容的技术错误，因此必须有一个晶体管为第一晶体管，另一个晶体管必须关闭，所以电路必须同时存在。因为在多谐振荡器中，输出频率主要由电阻和电容电荷的过程决定，在实际生产电路中，电阻、电容和三极管等不稳定因素对振荡周期产生了重大影响;与此同时，输入功率波动也对信号输出的振幅和振幅产生了一定的影响，纹理应力太大，无法满足实际应用的要求。在零输入下，反馈等于一个干净的输入。电压输入前经过整流桥，预防了因输入电压反接而损坏电路。整流桥内部主要是由四个二极管组成的桥路，同一时间只有两个二极管进行工作通过二极管的单向导通功能，使得输入端电压无论怎样接，电路都可以正常工作。在电路本身的外部扰动或最初不稳定信号下，当电路加固时，电路会产生一个小输出，振幅小，并产生初始刺激。在最初的刺激下，电路中的正反馈将增加性。

2.4 PCB版图设计

在整个信号处理电路中，主要的热仪器是晶体，将能量转化为电压稳定器、放电电路、开关、电感等。因此，在开发PCB电路时，应使用下列措施来提高热效率[2]：①低通滤波采用压控二阶低通滤波电路，在电路中，电容形成正反馈，进而对输出电压进行控制，而电容的阻抗趋于零，电路在通带截止频率附近时，引入正反馈增大电压放大倍数，但又不产生自激振荡。当频率由于电容阻抗大，正反馈信号较弱，不会影响电路的放大倍数；当频率信号被电容衰弱，输出电压小，同样也不会影响电路的放大倍数。②在设计PCB平板电脑时，按照模块化电路的有理分布和根据模块化电路的有理分布式配置，以减少每个电路模块化设备的热量散射影响到其他仪器的温度。特别是电源转换模块，电路中有更多的热量，必须安装在PCB的边缘附近，以减少传输路径。③电路的正反馈将得到的初始激励放大，输出越来越大。当输出信号的幅值增大到一定程度时，利用稳幅环节中半导体器件的非线性特性，当幅值增大到一定程度时，放大倍数的数值将减小。因此，当输出信号幅值电压达到某值时，输出信号与反馈信号相互维持，最终达到动态平衡，实现自行振荡。④编辑图需要根据设备电流密度的最小通道宽度，特别注意连接点上的通道垫；试着把表面画得更大一些。与此同时，缓冲放大器将电容器和负载隔离并保持输出电压不变，否则电容器上的电荷相守恒可以通过无法保存的负载来实现。容量在取样链中非常重要。容量必须能够在取样模式下快速充电，保持电路取样精度;在进入控制模式时，为了精确排出系统，电容器的减压速率必须低，电容放电必须缓慢。因此，将使用校正电容、校正信号或电路振幅来维持这个结构的容量，在输出时，电容器将比其他电容更有效、更快地工作。随着温度的变化，电容器的容量不会改变，电路的测量也会更精确。

3 发展态势

高灵敏度传感器是出口和入口之间的典型关系，这对传感器非常重要。反并联二极管的电阻在振荡器产生信号的一个周期内变化，信号瞬时值较小时电阻较大，信号瞬时值较大时电阻较小，振荡电路的环路增益在一个周期内随时变化，这个环路增益的变化会带来谐波失真，将振荡器输出正弦波控制在较小幅度，减小失真[3]。传感器的线性范围增加了灵敏度，传感器中磁场的微小变化，可以得到高精度、精度和信号处理的某些好处。在传统的传感器阶段，对相互感应的快速反应是通过同步解调器从二次线圈输出信号中提取出来的。模拟开关根据选通控制的电平，决定输入与输出的连接状态。一体化以确保整个系统的可靠性一体化振荡电路的加工和信号电路在同一晶体成为趋势，使整个电路与校准功能补偿监管、保护等，降低成本，减少外部电路简化结构和提高生产率和可靠的传感器目标。信号处理电路PCB板结构相对于专用集成电路芯片，电路体积大，整体性能较差。为应对各种复杂的使用环境，提高传感器整体的性能和可靠性，后续需将当前方案电路集成到同一芯片上，实现整体电路的集成化，这也是电路未来发展趋势。

4 结束语

根据传感器高线性度和宽范围的设计要求，对传统的解调电路拓扑结构和不同的线性扩展电路方式进行了对比和分析，最终采用了基于采样保持电路的解调电路结构和通过模拟查找表的方式，采用三角信号来扩展线性的结构，避免了因线圈结构所引起次级感应信号的非线性和相位差，扩展了线性范围，同时也提高了线性度和响应速度。在峰值控制电路、脉冲生成电路和受控制的相位电路的基础上，完成了一个基于离散支持链的解码电路，精确定义振幅和次级感应信号，使用集成电路和单个稳定电路完成程序模拟搜索表完成了设计。