电感式微位移测量仪的设计与实现

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1、电感式微位移测量仪的设计与实现摘要无论设计、制造或使用传感器，都希望输出量和输入量间具有线性关系，而对于实际应用来说，其输出量与被测量之间的关系大多是非线性的，为了达到提高传感器精度目的，必须对传感器的非线性特性进行补偿。电感微位移传感器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，因为其分辨力高、使用寿命长、工作性能稳定，应用于微位移测量己经有很长的历史，进行高精度微位移测量时选用电感位移传感器已经成为一种共识。关键词：电感；微位移；测量仪52一、电感式微位移测量仪的概况1、课题研究意义及发展状况无论是科学研究还

2、是生产实践，需要进行位移测量的场合非常多，可用于位移测量的传感器的种类也很多，其中用于直线位移测量的有电阻式、电感式、电容式、振弦式、编码式、感应同步器式、光栅式、磁栅式、光电式、霍尔效应式、磁敏电阻式、喷射式、激光式、复合式以及光纤式等，但这些传感器在实际应用中或多或少都存在着一些问题，有的设备复杂、成本高，有的对环境要求高，有的精度低、线性范围小，有的结构复杂、工艺要求高。电感式传感器因其具有结构简单可靠、输出功率大、抗干扰好、对环境要求不高、分辨率较高、示值误差小、价格低廉等特点在位移测量方面获得了非常广泛的应用，专用集成电路芯片的出现，更为人们使用电感式传感器带来了方便。

3、与此同时，在微电子行业中高精度模板的制造和定位，高精度传感器的标定都需要很高的位移测量精度，甚至有些应用要求测量精度达到纳米量级，同时，测量范围的要求也越来越大。这样测量精度与量程范围的要求构成了尖锐的矛盾，因此，需要设计一些通用性好、价格便宜的测量仪器，并对这一类的测量仪器进行不断地更新和改进，以进一步提高测量精度。另外，无论设计、制造或使用传感器，都希望输出量和输入量之间具有线性关系，而实际中对于传感器来说，一方面由于不可避免的原理误差，一方面由于工艺材料等一些客观因素的限制，其输出量与被测量之间的关系大多是非线性的，因此，为了达到提高传感器精度的目的，必须对传感器的非线性特

4、性进行线性化处理。因此，我们希望在原有的基础上对电感微位移传感器的非线性特性有进一步的研究，使之成为一种精度更高、通用性更好、测量更可靠的仪器，并力图使研制出的这种微位移测量仪向着通用化、商品化的方向发展。电感位移传感器的研究生产在国内外已经有很长的历史。国内有许多厂家、院校及科研单位从事电感位移传感器的研制和开发。国外也有许多公司和研究所研制和生产电感测头，比如作为传感器技术领先者的国际知名品牌TURCK，一直是人们关注的焦点和亮点，2005年年初，带来了其极具创新意义的产品:新一代电感式传感器UPROX十。新一代传感器的核心是采用了具有专利技术的柔性多线圈系统替代了传统的空气

5、线圈。UPROX十传感器具有无与伦比的性能特性，其技术核心主要体现在三个方面:52(1)首先是创造性的印刷电路板线圈结构;(2)采用专利技术的柔性多线圈系统替代了传统的铁芯缠绕线圈以及TURCK上一代的专利产品UPROX十所采用的空气线圈;(3)高性能的集成电路芯片;由于采用了具有专利的全新线圈技术，使UPROX十传感器的开关距离较传统铁芯传感器提高至250%。这意味着它具有超过任何相同外形尺寸的标准传感器的检测距离。同时UPROX十传感器确立了全新的金属检测标准。它能够以最高的检测精度实现对铁、不锈钢、铜、铝和黄铜等金属相同的超大检测距离。通过这些创新性的技术使UPROX十传感

6、器具有极大增强的开关距离和独特的柔性封装特性，可以说是迄今为止最好的传感器。2、电感测微仪硬件原理电感测微仪的硬件原理组成框图如图1-1所示。硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器、A/D及嵌入式处理器。工作过程是:正弦波振荡器输出的信号加到测量头中由线圈和电位器组成的电感桥路上，微小位移使电感式传感器的测头带动衔铁移动，使线圈内的电感量发生变化，信号经放大，由相敏检波器检测流过电表的平均电流的大小和方向来判别位移大小和方向，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到微处理器，经过数据处理进行显示。52图1-1电感测微仪硬件原理组成框图3

7、、电感传感器工作原理电感传感器是一种建立在电磁感应基础上，利用线圈的自感或互感变化原理来实现非电量电测的传感器。传感器测头检测到被测物体的位移，通过测杆带动衔铁产生移动，从而使线圈的电感或互感系数发生变化。自感或互感信号再通过引线接入测量电路进行测量。电感传感器本身是互感系数可变的变压器，当一次测线圈接入激励电源后，二次线圈就将感应产生的电压输出。互感变化时，输出电压将作相应的变化。传感器的工作原理如图1-2所示。图1-2电感传感器工作原理图52二、电感式微位移测量仪的设计电感式