刘 泊，邓惠元，冯志朝，符积宝，胡 逸

（哈尔滨理工大学 测控系，黑龙江 哈尔滨150080）

电感位移传感器具有灵敏度及分辨力高、线性度好、工作可靠、寿命长等优点, 作为一种精密的位移检测部件在很多领域有着广泛的应用[1]。在便携式位移检测系统中, 通常采用微处理器来处理位移信号并进行控制,这就要设计与传感器配套的信号变送电路, 将电感式位移传感器输出的交变信号转变为与位移成正比的直流信号, 经A/D转换后输人微处理器中[2-3]。为了提高电感传感器的检灵敏度和系统信噪比，本文提出了一种微弱信号处理电路的设计方法，有效降低了信号处理电路中系统噪声的大小。

1 传感器原理及整体电路的设计

1.1 电感传感器的原理

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测量的传感器。传感器的测头检测到被测物体的位移，通过测杆带动衔铁产生移动使线圈的电感或互感系数发生变化，把被测量的变化转化为自感或互感L的变化，L 接入测量电路就可以转换成电信号输出，再通过引线接入测量电路进行测量。一般电感传感器有线性差动电感器(LVDI)和线性差动变压器(LVDT)两种形式，它们都是当铁磁线圈的位置变化引起磁场的变化，通过测量磁场变化达到测量位移的目的，可以用来测量多种物理量。文中研究的电感传感器即为差动式自感传感器[4]。

电感传感器原理电路如图1所示，U1、U2为载波激励电压；r1、r2为电感内阻，L1、L2为电感量。理论上，电感传感器两端加载等幅、反相的载波信号，实际上难以严格保证。应用复指数表达形式，假设U1、U2满足以下条件：

图1 电感传感器等效原理图Fig.1 Equivalent schematic of inductive sensors

令C，V则输出信号U0为：

1.2 整体电路设计简介

电感传感器信号处理系统的核心部分主要由正弦激励信号发生电路、交流信号放大电路、全波整流电路、低通滤波电路等功能电路构成。系统框图如图2所示

图2 系统框图Fig.2 Block diagram of system

电感传感器输出测量信号后，经过交流放大电路放大、全波整流电路整流后的信号通过低通滤波器滤除高次谐波，得到直流电压[6]。

2 重点电路的设计

2.1 低失真文氏电桥正弦波震荡电路

文氏电桥正弦波震荡电路产生的载波是其中波形非常标准，但缺点也较为明显：带载能力不足，在后置电路中波形很容易走样。本文决定使用跟随器和变压器隔直的方法来增强文氏电桥正弦波震荡电路的带载能力，同时也滤掉了交流信号中的直流噪声。文氏电桥正弦波震荡电路结构如图3所示。

图3 文氏电桥正弦波震荡电路Fig.3 Wien bridge sine wave oscillator circuit

图4 采用差动放大电路的全波整流电路Fig.4 Full-wave rectifier circuit which used the differential amplifier circuit

在图3的电路中，C2=C3，R4= R5，文氏电桥电路的震荡频率.电容器C3的容量应保证其电抗X c在一千欧至数百千欧，决定C3的容量后，再根据求出R5的阻值。

2.2 采用差动放大电路的全波整流电路

差动放大电路是整个检测系统的关键部分, 利用差动放大电路的高度。

对对称性, 通过设计良好的电阻匹配, 使电路有较高的共模抑制比, 放大有用信号而抑制共模信号, 并抑制由温度等引起的零点漂移问题[7]。此外, 差动放大电路还大大提高了系统的检测灵敏度和信噪比。差动放大电路的结构如图4所示。

表1 信号处理实验数据Tab.1 Signal processing experimental data

3 实验结果及分析

实验条件：用信号发生器产生的正弦波模拟电感传感器的输入信号，经过放大及整流后输出，并用高精度万用表记录A/D转换前的输出结果如表1所示。

其中理论输出电压与输入电压的关系式为：

理论输出电压=输入电压×交流放大倍数×0.9×直流放大倍数

实验结果表明信号处理电路达到了测量误差不大于0.005 V要求。

4 结束语

由于在信号处理电路中使用变压器对载波信号进行隔直和差分放大电路整流的方式，降低了测量的误差，使得A/D转换前得测量偏差小于0.005 V且线性度良好。采用16位的A/D转换器在微处理器中可得到0.001 μm的分辨率。经长时间运行证明电路输出信号稳定，漂移很小。

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