电感式微位移测量仪的设计与实现

　　0　引言

　　电感式微位移传感器是利用线圈的电感变化来实现微位移测量的一种装置。它具有精度高、工作稳定、结构简单的特点,尤其是测量仪所配用的轴向式电感式传感器,其外形和机械式百分表相同,适合产品测量系统的改造与开发。以前电感式微位移测量仪的二次仪表多为模拟式仪表,其功能与性能受到了一定的限制。本文介绍的测量仪以单片机为中心,采用液晶汉字显示与按键,实现了人机交互。引入数字式滤波与查表插值技术,使仪器具有较高稳定性与测量精度。同时,具有打印与串行数据通信等功能。

　　1　测量仪的组成

　　测量仪由电源、单片机控制板、放大板、液晶显示器、嵌入式微型打印机和键盘等组成。结构如图1所示。

　　2　传感器及其信号处理电路

　　电感式传感器的任务是将被测部件几何尺寸的微小变化转换为电感L的变化。信号处理电路的作用是实现测量信号的变换、放大。

　　轴向式电感传感器的基本结构如图2所示,电感线圈呈管状,连接测杆的磁芯置于线圈的中部。

　　当测杆接触被测部件时,部件位置的变化使磁芯在线圈内发生微小位移,此位移引起线圈电感量的变化。电感量变化的表达式为[1]

　　式中:h,R,r,u0均为与线圈和磁芯几何、物理参数有关的常数;to为磁芯在线圈内初始伸入深度;L0为初始电感量。由式(1)可见,线圈电感量的变化ΔL正比于测杆位移量的变化量Δt,也就正比于被测部件位置的变化量。

　　为了对传感器给出的电感信号进行放大、处理和显示,需将电感量的变化ΔL转换为电压信号。该测量仪采用交流测量电桥完成这一任务,其原理如图3所示。

　　电桥的两臂Z1和Z2为电感传感器中两个线圈的阻抗(线圈电感L与电阻r的等效阻抗),另外两臂为电源变压器次级线圈的两半绕组(每半绕组的电势为u)。输出电压usc为

　　当电感传感器的铁芯处于中间位置时,两线圈的阻抗相等,即Z1=Z2,则usc=0,电桥处于平衡状态,无输出电压。当测杆上升时,上线圈阻抗增加,即Z1=Z+ΔZ,下线圈阻抗减少,即Z2=Z-ΔZ,则有

　　当测杆下降同样位移时,上述变化相反,有

　　因为测量电桥的两个桥臂是电感传感器的电感线圈,所以测量电桥实际上是交流电桥,必须采用交流电源。振荡器即是给传感器的线圈提供合适的励磁电压的电源。该测量仪采用电感三点式LC振荡器,具有容易起振、输出幅度较高,调节频率方便等优点。为了提高振幅和频率的稳定度,增设了一个稳幅电路。振荡器的频率为:f=12000Hz。