高精度电感测微仪电路的设计

　　加工和检测密不可分,测量是对加工的支持,无论多么精密的加工,都必须用更为精密的测量技术作保障.因此,位移量的精密测量已经成为整个精密加工体系中一项关键技术.面对国内的超精密加工现状,如何降低测量技术成本和加工成本,对环境和操作水平的要求是目前迫切需要解决的问题.电感测微仪是一种建立在电磁感应基础上,利用线圈的自感或互感系数的改变来实现非电量(主要是位移)测量的低成本、高精度测量仪,具有分辨率高,使用寿命长,线性和稳定性好,结构简单可靠,输出功率大,输出阻抗小,抗干扰能力强且价格便宜,安装简单,对工作环境要求不高等优点,因此在精加工领域得到了广泛应用.

　　1　电感测微仪的测量电路

　　相对于其他的微位移测量仪,电感测微仪的测量电路比较复杂,其设计和制作的合理性对测量精度和可靠性的影响很大.在基于计算机的测量系统中,利用计算机的强大的数据运算与处理功能,合理地设计软件,可以提高测量的可靠性和抗干扰性,从而提高仪器的测量性能.

　　电感传感器常用电路如图1所示[1].电路由正弦波发生电路、变压器电桥、相敏检波电路、带通放大器和计算机组成.重点讨论正弦波发生电路和变压器电桥部分.

　　2　变压器电桥的设计和零残电压的消除

　　变压器电桥将传感器测头中电感的变化转换为交流电压幅值的变化输出,其制造工艺要求较高.对于变压器电桥,理论上,当电桥平衡时,输出电压为零,但实际制作时要满足两电感线圈的等效参数完全相等很难,因此,即使衔铁位于平衡位置,仍然存在一定的电压输出,称为零点残余电压.零点残余电压对传感器的线性度和灵敏度都有一定的影响,所以在对变压器电桥的设计和制作时要采取一定的补偿措施,用试探法[2]对变压器电桥进行设计和改进的电路如图2所示.

　　首先将100Ω的电位器串入电桥的一臂,然后通过示波器观察交流放大器后的输出,移动测头将衔铁向平衡位置移动,同时调电位器的阻值,使示波器上的波形幅值尽量降低至零.

　　当零点残余电压的基波分量调为零后,只剩下高次谐波分量,这主要是由于传感器磁芯的磁化曲线的非线性引起的.理论上差动式结构传感器对于这些高次谐波分量可以完全抵消,但由于电桥并不能严格对称,在2电感线圈的非线性不一致的情况下,只能抵消一部分.为此,在2电感线圈上并联了2个1 kΩ的电阻和200Ω的电位器,对电感线圈分流,改变磁化曲线上的工作点,使其工作在线性阶段.

　　3　正弦波发生电路的设计

　　正弦波作为变压器电桥的桥源,其精度对电桥的输出信号影响极大,对于其幅值和频率的稳定性要求很高.由于传感器的工作环境通常比较恶劣,窜入电源的随机干扰不可避免,因此在电路设计中应该具有自动补偿环节,总体设计方案如图3所示.