傅晓程， 张德华， 张 伟

(浙江大学 电工电子实验中心， 浙江 杭州 310058)

电感式非接触位移测量的实验研究

傅晓程， 张德华， 张 伟

(浙江大学 电工电子实验中心， 浙江 杭州 310058)

本实验应用集成运算放大电路构成电子电路来实现信号的产生，经功率放大电路驱动初级线圈，然后对信号整流和滤波，得到的信号通过直流差分电路以及线性比例放大和偏移电路进行零点定标从而实现对信号的模拟测量；有三条路径应用FPGA来替代硬件电路对信号处理和测量。根据测量的电压信号与电感位移的比例关系，实现电感式非接触位移测量。

电感位移传感器；FPGA；功率放大电路；模拟显示整定

0 引言

电感位移传感器是利用电磁感应原理将机械位移变化转换成电量输出的检测装置，在大范围、高精度的长度计量中得到广泛应用[1,2]。电感式位移传感器具有无磨损、结构简单可靠、无累积误差、信号输入与输出电路相互隔离、高分辨率与高抗干扰能力等诸多优点，在非接触式位移测量领域得到广泛应用[3,4]。

本文利用变压器式电感位移传感器设计一个非接触式位移测量仪。要求位移测量从左10 mm至右10 mm；测量误差不大于0.5 mm；响应时间不大于1 s；能够实现双向模拟表头显示和四位数码管数字显示。此项实验的具体步骤是先设计电路，然后进行理论分析、仿真研究，再实际搭建电路，记录实验数据、显示实验波形与设计结果、最后比较实验结果与仿真结果是否一致。整个实验任务呈开放性，要求学生集思广益，勇于创新，以此培养学生探究能力与创新意识。

1 实验方案

实验方案如图1所示。激励电路模块产生初级线圈所需的交流正弦信号，经过功率放大电路放大后驱动初级线圈。对两个副边的感应电压独立进行均值检测，然后对两副边均值检测结果实现差分；而后通过模拟和数字两种方式显示最后结果。

图1 实验方案

模拟显示是用两个精密整流电路分别对两个副边线圈进行整流和滤波，得到两个副边交变信号的平均值。然后通过直流差分电路，以及线性比例放大和偏移电路进行零点定标，输出至模拟表头显示。

使用数字显示时，参见图1上所标注的A1，A2，B1，B2，C；即可以通过三条路径采集两个副边的感应交变电压值于以显示。

(1)采样方法A

直接对两副边的交流信号A1，A2进行采样。为保证采样可靠，采样频率至少为激励信号频率的3至5倍，最好是整数倍周期采样。典型方式是一个周期能够采集64点以上。这种采集方式可以省略图1硬件电路中精密整流和滤波，差分放大和整定电路，但对采样速度要求较高，同时需要在此后的FPGA内部做较复杂的运算。

(2)采样方法B

直接对各副边精密整流和滤波后的绝对平均值B1,B2进行采样。采样完成后，在数字域实现相减和整定。这种采集方式可以省略图1硬件电路中的差分放大和整定电路。

(3)采样方法C

直接对模拟域经过整定后的输出C进行采样。由于C端输出有正有负，进入ADC时必须加偏移电压。这种采集方式的最大优点是只需一路ADC采样通道，数字域内处理较简单。

2 模拟测量方案

2.1正弦波发生电路

电感位移传感器的初级线圈需要一个振荡频率大约是数kHz的正弦激励信号。常用的正弦波信号产生电路有RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路、石英晶体正弦波振荡电路等三种[5]。

RC正弦波振荡电路一般用来产生1 Hz到1 MHz范围内的低频信号，而LC和石英晶体正弦波振荡电路则一般用来产生1 MHz以上的高频信号。因此，本设计可以选择产生低频正弦信号的RC文氏桥振荡电路或双T型RC振荡电路。

2.2功率放大电路

低频正弦信号发生电路的输出由于功率较小，无法直接驱动电感位移的初级线圈，必须进行功率放大或电流放大。采用如图2所示的方案,两个运放UIB和UIC输出相位相差180度的两个信号，分别驱动OCL电路，此时施加在初级线圈两端的电压幅度相等，相位正好相反，驱动能力提升一倍，且初级线圈的两端均不接地。

图2 采用分立器件的双 OCL功率放大电路

2.3精密整流和信号处理

为了获取副边线圈感应电压的平均值，首先要将感应的交流电压整流成单向脉动信号，然后再进行均值滤波。在电感位移测量中，随着铁芯偏离次级线圈距离越来越远，线圈中感应到的电压幅度会越来越小，其幅度与二极管的开启电压相近，甚至更小。因此需要应用运放和二极管构成的精密整流电路来弥补。

2.4低通滤波和差分放大

副边线圈的感应电压经过精密全波整流后得到的是脉动信号，需要经过滤波得到其直流电压平均值后，才能输出至模拟表头显示大小[6]。然后，对两个副边线圈的感应电压的平均值进行差分放大，其差值与位移成比例关系。

2.5模拟显示整定

为了保证模拟表头显示与实际铁芯位置对应起来，需要进行零位整定和比例调节。如果模拟表头的输入范围是-5 V至+5 V，与铁芯位置的对应关系应该是当铁芯在最左边时，对应-5 V；当铁芯在最右边时，对应+5 V；当铁芯在中间时，对应0 V。当差分平均电压值与铁芯位移成线性关系时，就可用线性模拟表头显示。

设平均电压与位移之间的关系是：yAV=a+k·xshift。其中xshift是位移值，yAV是差分电压平均值。如图3所示的整定过程如下：运放同相端的偏移直流量用于零点校正(调节RW2)，当铁芯位于中间，调节此电位值，使运放输出等于0。电位器RW1用于比例调节，当位移达到最大值时，调节此电位器，使模拟表头指针偏移至最高位置。

图3 表头零位整定和最大范围调节

3 数字测量方案

3.1模数输入预处理和模数转换

为了能实现数字测量，需要模数输入预处理和模数转换。ADC转换器对输入信号的大小和范围均有具体限制，且需对最大输入电压进行限幅，防止损坏ADC转换芯片。如果采用ADS7886的SPI接口逐次逼近型ADC，其输入电压范围要求是0 V至3.3 V之间。则要通过模数输入预处理电路将输入电压调整到ADC所能接受的范围之中。

3.2FPGA数字测量

图4所示为其整体设计框图[7]。具体实现过程是：首先，省略二十进制转换模块和数字整定模块，直接将ADC采样的二进制值在数码管是显示，通过手工数据后处理再得到实际位移值；其次，仅省略数字整定模块，直接将ADC采样的十进制值在数码管上显示，通过手工数据后处理再得到实际位移值；最后，进行完整设计，数码管直接显示位移测量值。

图4 FPGA数字测量的设计框图

3.3DAC数模转换器用于产生正弦信号

直接对副边电感的感应交流信号采样，在数字域完成整流、整定等运算；由FPGA产生5 kHz左右的激励正弦波，通过外部D/A转换器输出驱动初级线圈。这样就只保留功率放大部分，其他都由FPGA实现。

上述模拟和数字两种方案，为了保证测量的准确性，必须对电路进行逐个调节整定，然后测量结果跟传感器的线性度等技术指标对比修正。

4 结语

本文介绍的位移测量实验其研究对象为变压器式电感位移传感器，学生从实验过程中，能了解其静态特性和动态特性[8,9]；熟悉模拟电子技术，尤其是各基本运算放大电路、有源滤波电路、振荡电路等；同时还能熟悉数字电子技术以及FPGA知识。完成实验后，还锻炼了数据分析处理能力。实验内涵丰富。因此，认真独立地完成该设计，将可使学生进一步加深已学理论知识的理解，进一步深化理论知识与实际应用的联系，以促进创新能力的培养；将使学到的知识与特定功能的对象对接，培养学生探究能力与创新意识。

[1] 陈伟，张剀，戴兴建. 基于AD698的半桥式电感位移传感器高灵敏度测量电路设计[J]. 北京：电子技术应用 2008，7：69-71.

[2] 刘晓，赵辉，刘伟文等. 深亚微米精度电感位移传感器及测量电路研究[J]. 南京：传感技术学报 2006，19(6)：2428-2431.

[3] 狄伟. 虚拟电感位移测量仪的研制[D]. 武汉：华中科技大学，2002.

[4] 贺水燕，蔡静等. 自制电感传感器测量微小位移[J]. 上海：实验室研究与探索 2008，27(2)：33-35.

[5] 王小海，祁才君，阮秉涛. 集成电子技术基础教程(下)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6] 远坂俊照. 测量电子电路设计-滤波器篇[M]. 北京：科学出版社，2006.

[7] 潘松 黄继业. EDA技术实用教程[M].北京：科学技术出版社，2002.

[8] 宋黎明. 电感式位移传感器特性分析及其工程应用研究[D]. 青岛：山东科技大学，2012.

[9] 谭六喜. 电感位移传感器线性扩展的优化研究[D]. 武汉：华中科技大学，2004.

ExperimentalStudyonTheNonContactMeasurementofInductance

FUXiao-cheng，ZHANGDe-hua,ZHANGWei

(ElectricalEngineeringandElectronicExperimentCenter,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

This paper introduces that an operation amplifier electric circuit is built to generate signals. The power of the generated signal is amplified before being sent to drive the primary winding. After being rectified and filtered, the signal is operated by a DC differential amplified and a linear amplifier. Then an offset circuit is used to set zero-point. Therefore, the signal can be measured by analog circuit.There are three ways of using FPGA to process and measure the signal other than using analog circuit. According to the proportional relation between the measured voltage signal and the position offset of the inductor, an inductive non-contact displacement measurement is realized.

inductive displacement sensor;FPGA; power amplifier circuit; simulation display setting

2016-10-01;

2017-02-09

傅晓程(1973-)，硕士，高级实验师，主要从事电子技术的实验教学，E-mail:fxche@zju.edu.cn

TN710

A

1008-0686(2017)05-0108-04