差动式电涡流传感器在摆式加速度计中的应用

　　0　引言

　　电涡流位移传感器是一种无损、无接触的特殊电感传感器。它具有结构简单、灵敏度高、测量线性范围大、不受油污等介质的影响和抗干扰能力强等优点,在机械系统的测量领域得到了广泛应用。由于电涡流式传感器基于电涡流效应,因此灵敏度和零点温度漂移一直是电涡流传感器存在的主要问题。影响电涡流传感器温漂的因素有检测线圈阻抗温度漂移和感抗温度漂移。其中线圈阻抗温度漂移表现为线圈电阻的温度漂移,是电涡流传感器温度漂移的主要因素。为了弥补电涡流传感器的温度漂移,采用差动式电涡流传感器,即另外设计一个与检测线圈参数完全相同的补偿线圈,以实现对涡流传感器温度漂移的补偿。

　　1　电涡流传感器的工作原理

　　金属导体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时,金属导体内部都要产生感生电动势,并形成闭合电流,称为电涡流,如图1所示。这个电涡流必然引起线圈阻抗的变化,线圈阻抗Z是被测金属导体材料的电阻率ρ、磁导率μ、线圈几何参数r、励磁频率f以及线圈与被测金属导体的距离x的函数,即

　　若电阻率、磁导率、尺寸因子以及励磁频率为一定值,那么线圈阻抗则是线圈与被测金属导体的距离的单值函数,即

　　其中,k为比例系数。因此只要测出阻抗的变化,就可得出线圈与被测金属导体的距离。

　　2　摆式加速度计的工作原理

　　惯性导航加速度计是惯性导航系统的关键元件之一,被广泛地用于火箭、导弹、飞机、空间飞行器、舰船等的惯性导航系统。摆式加速度计(见图2)能够承受较大的加速度,有较宽的量程和较高的精度。其工作原理为:当系统存在外加加速度a时,力矩器线圈1发生偏转,带动检测金属块2发生位移,从而检测线圈系统3的阻抗发生变化,通过解调电路产生直流误差信号。这一信号经过放大电路5进行放大处理,在力矩器线圈1中产生电流,因而,产生平衡力矩,使检测质量即力矩器线圈1回到中心位置。此时力矩器线圈1中的电流正比于加速度a的值。通过采样电阻R和滤波电容C,最终将电流信号转换成为电压信号,如图3所示。

　　3　差动电涡流传感器工作过程

　　差动电涡流传感器实物图见图4,解调电路如图5所示。当位于差动电涡流传感器两线圈中间的检测金属块处于中间平衡位置时,两个线圈阻抗相等,即Z1=Z2,因线圈通有相同的激励电流I,故A, B两点电势差为零,因此输出为零。当系统存在加速度a时,检测金属块发生偏移,则A, B两点电势差为

　　A, B两点电势的高低反映出检测金属块的偏移方向,据此即可判断出加速度a的方向。