【導讀】電(dian)感(gan)位(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)被(bei)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)微(wei)小(xiao)位(wei)移(yi)量(liang)檢(jian)測(ce)中(zhong)，但(dan)在(zai)一(yi)些(xie)工(gong)程(cheng)中(zhong)現(xian)有(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)和(he)靈(ling)敏(min)度(du)達(da)不(bu)到(dao)測(ce)量(liang)要(yao)求(qiu)。針(zhen)對(dui)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)，對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)前(qian)段(duan)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)改(gai)進(jin)，在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)下(xia)線(xian)圈(quan)並(bing)聯(lian)電(dian)容(rong)形(xing)成(cheng)LC電路，利用LC電路諧振效應改善電路的性能，以提高信號源頭的靈敏度；采用Multisim軟件對半橋和全橋電路在並聯不同大小的電容後的性能進行仿真，並用Matlabduishengchengdequxianjinxingzuixiaoerchengnihe，bijiaodechushidianluxingnengzuiyoudedianrongzhihebinglianfangfa。jieguobiaomingzaisunshiweixiaoxianxingdudeqingkuangxiakejianglingmindutigaoyibei。

電(dian)感(gan)位(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)被(bei)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)微(wei)小(xiao)位(wei)移(yi)量(liang)檢(jian)測(ce)中(zhong)，但(dan)在(zai)一(yi)些(xie)工(gong)程(cheng)中(zhong)現(xian)有(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)和(he)靈(ling)敏(min)度(du)達(da)不(bu)到(dao)測(ce)量(liang)要(yao)求(qiu)。針(zhen)對(dui)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)，對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)前(qian)段(duan)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)改(gai)進(jin)，在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)下(xia)線(xian)圈(quan)並(bing)聯(lian)電(dian)容(rong)形(xing)成(cheng)LC電路，利用LC電路諧振效應改善電路的性能，以提高信號源頭的靈敏度
；采用Multisim軟件對半橋和全橋電路在並聯不同大小的電容後的性能進行仿真
，並用Matlabduishengchengdequxianjinxingzuixiaoerchengnihe，bijiaodechushidianluxingnengzuiyoudedianrongzhihebinglianfangfa。jieguobiaomingzaisunshiweixiaoxianxingdudeqingkuangxiakejianglingmindutigaoyibei。

電dian感gan位wei移yi傳chuan感gan器qi的de實shi質zhi，是shi將jiang敏min感gan元yuan件jian的de變bian化hua量liang轉zhuan化hua成cheng電dian壓ya幅fu值zhi的de變bian化hua量liang來lai進jin行xing測ce量liang，其qi廣guang泛fan應ying用yong於yu檢jian測ce微wei小xiao位wei移yi量liang的de檢jian測ce係xi統tong中zhong
，因yin此ci對dui電dian感gan傳chuan感gan器qi的de測ce量liang精jing度du和he靈ling敏min度du要yao求qiu很hen高gao。電dian感gan位wei移yi傳chuan感gan器qi的de靈ling敏min度du是shi指zhi輸shu出chu電dian壓ya的de增zeng量liang與yu側ce頭tou位wei移yi增zeng量liang的de比bi。在zai其qi他ta條tiao件jian相xiang同tong的de情qing況kuang下xia提ti高gao靈ling敏min度du可ke以yi提ti高gao係xi統tong的de最zui小xiao分fen辨bian率lv和he精jing度du。提ti高gao電dian感gan傳chuan感gan器qi靈ling敏min度du的de方fang式shi有you多duo種zhong，但dan目mu前qian主zhu要yao都dou是shi通tong過guo對dui電dian感gan傳chuan感gan器qi的de信xin號hao調tiao理li電dian路lu的de改gai進jin來lai實shi現xian。文wen中zhong嚐chang試shi通tong過guo諧xie振zhen電dian路lu改gai變bian傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu信xin號hao
，從cong信xin號hao源yuan頭tou增zeng大da傳chuan感gan器qi靈ling敏min度du。這zhe種zhong方fang法fa相xiang當dang於yu對dui傳chuan感gan器qi本ben身shen進jin行xing改gai進jin，使shi得de它ta還hai可ke以yi與yu其qi他ta改gai進jin技ji術shu如ru：傳感器激勵源、輸出信號處理、計算機軟件補償等兼容以共同提高整個係統的性能。

1 改進後電路的模型建立

1．1 半橋式改進電路

如圖1如果沒有C1和C2為(wei)普(pu)通(tong)半(ban)橋(qiao)電(dian)路(lu)，虛(xu)線(xian)框(kuang)中(zhong)為(wei)電(dian)感(gan)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)等(deng)效(xiao)電(dian)路(lu)，傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)頭(tou)的(de)位(wei)移(yi)帶(dai)動(dong)螺(luo)線(xian)管(guan)中(zhong)鐵(tie)芯(xin)上(shang)下(xia)移(yi)動(dong)
，從(cong)而(er)改(gai)變(bian)上(shang)下(xia)兩(liang)個(ge)線(xian)圈(quan)的(de)電(dian)感(gan)值(zhi)。將(jiang)兩(liang)線(xian)圈(quan)等(deng)效(xiao)成(cheng)純(chun)電(dian)阻(zu)和(he)純(chun)電(dian)感(gan)的(de)串(chuan)聯(lian)
，如(ru)圖(tu)中(zhong)R1和L1組成上線圈，R2和L2組成下線圈，輸出接在上線圈上。實際傳感器中線圈與輸出的接線不會變，隻是通過鐵芯移動來改變電感，所以R1和R2固定不變。輸出電壓

圖1在上下兩個線圈並聯電容C1和C2後，分別形成了諧振回路I和回路II。如果鐵芯在最下方時：回路II諧振，回路I失諧。當鐵芯在最上方時：回路I諧振，回路II失諧。由於諧振電路在諧振時的阻抗會遠大於失諧時的阻抗。可以定性地得出
，鐵芯在最下方時Uout的de幅fu值zhi會hui比bi沒mei有you電dian容rong小xiao，在zai最zui上shang方fang時shi會hui比bi沒mei有you電dian容rong時shi大da，所suo以yi靈ling敏min度du會hui增zeng大da。但dan在zai最zui下xia方fang和he最zui上shang方fang中zhong間jian的de變bian化hua情qing況kuang，以yi及ji它ta的de線xian性xing度du則ze需xu要yao後hou邊bian仿fang真zhen來lai確que定ding。輸shu出chu電dian壓ya

1．2 全橋式改進電路

普通全橋電路圖2（a），傳感器上下兩線圈分別與匹配電阻R3和R4相連
，在L1=L2時電橋平衡，當向上發生△X的位移時
，鐵芯上移
，L1增大△L，L2減小△L，Uout的變化會比半橋方式增加近兩倍，輸出電壓

如圖2（b）和圖2（c）對上下兩線圈分別采用並聯和串聯電容C1和C2的方式，形成諧振回路I和回路II
，通過後續仿真觀察這兩種方式電路性能的變化情況。輸出電壓

2 電路的仿真

2．1 仿真平台及仿真條件

仿真平台使用MulTIsim
，它是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用於板級的模擬／數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入
、電路硬件描述語言輸入方式
，具有龐大的元器件庫和全麵的儀器儀表庫和豐富的仿真分析能力。采用它來對改進前後的電路進行仿真。

在仿真之前

，先結合工程實際情況對仿真條件進行一些設定：

（1）激勵電源：頻率為7．5 kHz，峰峰值為5 V的交流電。

（2）傳感器：總電感值為10mH差動電感傳感器，線性範圍為3～7mH，電感的自身的電阻值為54Ω。

如上文所述R1和R2固定不變
，所以R1和R2為27Ω。而對應的純電感L1和L2，會隨著位移線行變化
，滿足L1+L2=10 mH（3《L1《7，3《L2《7）。

2．2 仿真過程及結果

對於半橋時電路II由於希望鐵芯在最下方時回路II諧振，最上方時回路I諧振
，因為L1和L2的變化範圍為3～7 mH。L2為7 mH時回路II諧振
，L1為7 mH時回路I諧振。按照仿真條件計算C1=C2=65 nF。簡化仿真不妨取C1=C2，在65 nF附近從55～100 nF間隔5 nF進行仿真，觀察電路性能，仿真結果如圖3所示。

圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)容(rong)值(zhi)對(dui)電(dian)路(lu)的(de)性(xing)能(neng)影(ying)響(xiang)很(hen)大(da)

，如(ru)果(guo)選(xuan)擇(ze)不(bu)恰(qia)當(dang)，反(fan)而(er)會(hui)使(shi)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。隻(zhi)有(you)選(xuan)擇(ze)適(shi)當(dang)容(rong)量(liang)的(de)電(dian)容(rong)大(da)小(xiao)才(cai)能(neng)使(shi)測(ce)量(liang)靈(ling)敏(min)度(du)提(ti)高(gao)，同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)盡(jin)量(liang)小(xiao)的(de)線(xian)性(xing)誤(wu)差(cha)。所(suo)以(yi)選(xuan)取(qu)曲(qu)線(xian)在(zai)L1=3～7 mH段時，靈敏度最高，線性度最好，進行最小二乘計算
，它與普通半橋的對比如圖4所示。

經Matlab計算普通半橋在3～7 mH段
，電壓變化範圍1．5～3．5 V，電壓對電感的靈敏度為0．5V／mH。線性度近似為1。對圖4（b）采用最小二乘法擬合直線後，在3．8～6．3 mH段，輸出電壓的變化範圍0．77～4．39 V。線性度可達2．39％
，靈敏度為1．448 V／mH。

對全橋電路的仿真與半橋的方法類似
，需要注意的是希望電橋在L1=L2=5 mL時平衡，所以對於匹配電阻的選取需要根據仿真條件計算

對於電路I：R3=R4=|jw×0．005+R1|=237 Ω；電路II：R3=R4=|（jwL+R1）∥（1／jwC1）|=817Ω
；電路III：R3=R4=|jwL+R1+（1／jwC1）|=98Ω。

對於使用電容的電路
，同樣對不同的電容值條件下的電路進行仿真，選出性能最好的如圖5所示。

普通全橋在3．8～6．3 mH段，電壓變化範圍為-1．2～+1．3 V
，電壓對電感的靈敏度為1 V／mH。線性度近似為1．38。對圖5（b）和圖5（c）使用Matlab進行最小擬合直線如圖所示，在3．8～6．3 mH段，並聯方式輸出電壓的變化範圍為-2．66～+2．66V
，靈敏度為2．130V／mH線性度可達1．68％。串聯方式的輸出電壓範圍約為-1．25～+1．25V
，靈敏度約為2．130V／mH線性度可達1．33％。

3 分析與結論

如表1所示，為各電路的靈敏度和線性度
，可以在損失較小線性度條件下，將靈敏度提高。對於半橋雖然將靈敏度提高了近200％，但犧牲的線性度較大。串聯電容的方式靈敏度幾乎沒有增大。性能最好的是並聯電容後的全橋電路，靈敏度提升了113％

，且損失的線性度較小，隻比原來增大21．7％，而且實際應用中，可以通過軟件補償和事先標定來彌補線性度的不足。

如何提高電感傳感器的測量精度和靈敏度

綜zong合he理li論lun分fen析xi和he仿fang真zhen結jie果guo
，在zai激ji勵li源yuan確que定ding和he電dian感gan傳chuan感gan器qi參can數shu確que定ding的de情qing況kuang下xia，通tong過guo計ji算suan可ke以yi得de到dao一yi個ge恰qia當dang的de電dian容rong值zhi，當dang在zai傳chuan感gan器qi的de兩liang部bu分fen線xian圈quan上shang並bing聯lian這zhe個ge電dian容rong時shi
，測ce量liang的de靈ling敏min度du會hui有you顯xian著zhu提ti高gao，同tong時shi仍reng可ke以yi保bao持chi較jiao好hao的de線xian性xing度du，從cong而er達da到dao改gai善shan和he提ti高gao電dian感gan傳chuan感gan器qi性xing能neng和he最zui小xiao分fen辨bian率lv的de目mu的de。

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