电感式微位移传感器汇总文档格式.docx
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Keywords:
Inductivesensor,phasesensitivedetection,zeroresidualvoltage
引言
电感式微位移传感器又称电感式测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（例如测量台架等），能够完成各种精密测量。
例如，检查工件的厚度、内径、外径、椭圆度、平行度、直线度、径向跳动等，被广泛应用于精密机械制造业、晶体管和集成电路制造业以及国防、科研、计量部门的精密长度测量。
主要的技术指标为⑴测量范围：
0~±
30μm档及0~±
500μm档。
⑵示值误差：
0~土30μm档为0.1μm，0~±
500μm档为1μm。
⑶分辨率：
30μm档为0.01μm，0~±
500m档为0.1μm。
⑷极性：
当测量值为负时，自动显示“-”；
为正时，无极性符号。
一、电感式传感器组成及原理
电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩和应变等多种物理量。
电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。
这类传感器的主要特征是具有绕组。
电感式传感器的优点①结构简单、可靠。
②分辨率高。
能测量0.1μm的机械位移，甚至更小；
能感受0.1角秒的微小角位移。
输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。
③重复性好，线性度优良在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。
④能实现远距离传输、记录、显示和控制。
电感式传感器的不足：
存在交流零位信号，不宜高频动态测量。
电感式传感器种类很多。
根据转换原理不同，可分为自感式和互感式两种；
根据结构形式不同，可分为气隙型和螺管型两种。
现在市场上的电感式测微仪多采用差动变压器式结构，故这里只针对差动式变压器进行说明。
（一）结构原理与等效电路
差动变压器的结构形式如图所示，它分为气隙型和螺管型两种形式。
气隙型差动变压器由于行程小，且结构较复杂，因此目前已很少采用，而大多数采用螺管型差动变压器。
下面仅讨论螺管型差动变压器。
（a）气隙型（b）螺管型
1-初级线圈2、3-次级线圈4-衔铁
差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。
初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边；
次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的相同线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。
差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。
一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图所示。
图U1为一次绕组激励电压；
M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：
L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；
L21、L22分别为两个二次绕组的电感；
R21、R22分别为两个二次绕组的有交电阻。
对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。
由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。
当衔铁移向二次绕组L21一边，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。
在传感器的是量程内，衔动移越大，差动输出电动势就越大。
同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。
因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。
由图4.2.2可以看出一次绕组的电流为：
二次绕组的感应动势为：
由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：
其有效值为：
差动变压器输出电势e与衔铁位移x的关系如图所示，其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。
差动变压器输出特性曲线
（二）线性度与灵敏度
（1）线性度。
差动变压器的线性范围受到螺管线圈轴向磁场不均匀的影响。
靠合理的设计保证所要求的线性范围和线性度。
（2）灵敏度。
差动变压器的灵敏度是指衔铁移动单位位移时所产生的输出电势的变化，可用mV/mm来表示；
在实用中考虑到激励电压的影响，还常用mV/mm/V来表示，即衔铁单位位移所产生的电势变化除以激励电压值。
差动变压器灵敏度的高低与初级电压、次级绕组匝数和激励电压的频率有关：
①与次级匝数的关系
次级匝数增加，灵敏度增加，二者呈线性关系。
但是次级匝数不能无限制增加，因为差动变压器零点残余电压也随之变大。
②初级电压
灵敏度与初级电压成正比关系，但初级电压也不能过大，过大时会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，一般采用3～8V。
③激励电源频率
在频率很低时，灵敏度随频率增加而增加；
当频率升高，线圈的感抗大大高于其电阻时，灵敏度与频率无关；
当频率超过某一数值时（该值因衔铁材料而不同），由于高频时导线的集肤效应使导线有效电阻增加，衔铁的涡流损耗及磁滞损耗增加，使输出下降。
图2-1是某种导磁材料输入频率与灵敏度的关系，可供选择激励频率时参考。
差动变压器的激磁频率与灵敏度的关系
（三）差动变压器的误差因素分析
1、激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。
而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。
2、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。
当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。
适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。
3、零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。
但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值（从零点几mV到数十mV）存在，称为零点残余电压。
如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。
零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；
零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。
图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。
零点残余电压产生原因：
①基波分量。
由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。
又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。
②高次谐波。
高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。
由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦（主要是三次谐波）磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。
另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。
消除零点残余电压方法：
1、从设计和工艺上保证结构对称性
为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。
其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。
并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。
由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。
2、选用合适的测量线路
采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。
如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。
相敏检波后的输出特性
3．采用补偿线路
①由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图（a）。
由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。
图（b）中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。
调相位式残余电压补偿电路
②并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。
电容C（0.02μF）可防止调整电位器时使零点移动。
电位器调零点残余电压补偿电路
③接入R0（几百kΩ）或补偿线圈L0（几百匝）。
绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。
电路如图。
R或L补偿电路
（四）测量电路
差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。
用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量。
图示是二极管相敏检波电路。
差动电感式传感器的两个线圈作为交流电桥相邻的两个工作臂，指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。
这种电路容易做到输出平衡，而且便于阻抗匹配。
带相敏整流的交流电桥
设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。
当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点地位，电表指示为零。
当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=Z-△Z。
如果输入交流电压为正半周，则A点电位为正，B点电位为负，二极管V1、V4导通，V2、V3截止。
在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；
而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。
如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管V2、V3导通，V1、V4截止，则在A-F-C-B支中中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负）；
而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，电压表正向偏转。
同样可以得出结果：
当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。
可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。
（五）电感式传感器系统总结构
电感式测微仪硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。
正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压，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。
工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。
当衔铁处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。
当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少；
若上线圈的电感量减少，下线圈的电感量则增加。
交流阻抗相应地变化，电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比，频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。
此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到单片机，经过数据处理进行显示、传输、超差报警、统计分析等。
二、电感测头的结构
图示是轴向式电感测头的结构图。
测头10用螺钉拧在测杆8上,测杆8可在钢球导轨7上作轴向移动。
测杆上端固定着衔铁3。
线圈4放在圆筒形磁心2中,两线圈差动使用,当衔铁过零点上移时,上线圈电感量增加,下线圈电感量减少。
两线圈输出由引线1接至测量电路。
测量时,测头10与被测物体接触,当被测物体有微小位移时,测头通过测杆8带动衔铁3在电感线圈4中移动,使线圈电感值变化,通过引线接入测量电路。
弹簧5产生的力,保证测头与被测物体有效地接触。
防转销6限制测杆转动,密封套9防止灰尘进入传感器内部。
电感测头结构图
三、差动变压器应用
位移测量是差动变压器最主要的用途。
凡是能够变换成位移的物理量都可以用差动变压器测量。
注意，一般用差动变压器测量都是接触式的，在某些场合会影响被测对象的状态（例如振动等），即所谓“负载效应”，这时须选用其他形式的传感器，例如电涡流传感器。
◆它可以作为不少精密量仪的主要部件，如制成高精度电感比较仪，配上相应的测量装置，能对零件进行多种精密测量：
长度、内径、外径、不平行度、不平面度、不垂直度、振摆、偏心、和椭圆度等。
◆作为轴承滚动体自动分选机的主要测量部件，可以分选大、小钢球，大、小圆柱，大、小圆椎，滚针等。
◆用来测量各种零件的膨胀、伸长、应变、移动等。
应用各类传感器其位移测量范围可从±
3μm到1000mm以上。
◆振动和加速度测量。
利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可以构成测量振动的加速度计。
◆压力测量。
差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒、弹簧管等）相结合，可以组成开环系统的压力传感器和闭环系统的力平衡式压力计。
四、电感式微位移传感器应用实例
这里选用深圳信为科技发展有限公司的SDVB20M-5A直流LVDT位移传感器作为应用实例介绍。
（一）产品介绍
实物图
产品概述
差动变压器式位移传感器（LVDT）可广泛应用于航天航空，机械，建筑，纺织，铁路，煤炭，冶金，塑料，化工以及科研院校等国民经济各行各业，用来测量伸长,振动,物体厚度，膨胀等的高技术产品。
直流LVDT具有优良的性能，采用方便的单电源9-28VDC供电，电子电路密封在304不锈钢金属管内,可以在潮湿和灰尘等恶劣环境中工作,输出信号为标准的可被计算机或PLC使用的0-5V或4-20mA输出。
特点
1、外径Φ20mm,不锈钢304外壳,回弹式；
2、内置精密直线轴承，重复性好；
3、探头经过淬火处理，耐磨性好；
4、直流单电源供电，内置高性能信号解调器；
5、二线4-20mA电流输出，三线制电压输出0-10V。
应用领域
轴径跳动检测、纺织机械检测、阀门位置检测与控制、辊缝间隙测量、车辆制动装置磨损测量。
安装夹具尺寸
LVDT的定位安装要求采用温度膨胀系数小的非金属夹具进行固定,如果采用金属块夹具安装会对产品性能产生影响。
（二）应用举例
利用此差动变压器式位移传感器构建实际振动量测试系统，实际构建的振动量测试系统组成如图1所示。
图1 典型振动量测试系统组成
实验中,被测工件采用悬臂梁;
激励源为低频振荡器,输出频率为5～30Hz,幅值可调;
差动变压器初始线圈接入高频交流电压,频率在4～5kHz,幅值可调;
传感器与被测工件如图3所示安装,所用典型测量电路如图4所示。
影响振动量测试系统测量精度的主要因素分析
1.1零点残余电压的影响及消除办法
1.1.1零点残余电压产生的原因
当差动变压器铁芯处于线圈中间位置时,由于对称的两个次级线圈反极性串联,理论上次级线圈产生的感应电势应该大小相等,方向相反。
因而,差动输出电压应该为0,但实际情况并不为0,如图5所示为差动变压器产生的零位输出电压的波形。
在零点附近总会有几mV到几十mV的电压输出。
无论如何调整,该电压也难以消除,把零位移时差动变压器输出的电压称为零点残余电压。
零位输出电压的存在使得传感器输出特性在零位附近不灵敏、分辨率变差、引起非线性误差,造成实际特性和理想特性不完全一致,致使仪器测量电路不能正常工作,不利于测量并带来测量误差。
因而零位输出电压的大小是评定差动变压器性能优劣的重要指标。
图5 零点残余电压输出削顶波形
零点残压产生的根本原因主要有以下几方面:
（1）两个次级线圈结构、几何尺寸、电气参数不对称,以及初次级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因形成。
所以,即使铁芯处于中间位置时输出也不为0。
导致两线圈的感应电势幅值不等,相位不同。
无论如何调整铁芯位置,两线圈中的感应电势都抵消不了。
（2）高次谐波由于磁性材料磁化曲线的非线性造成零点残余电压存在。
磁路工作在磁化曲线的非线性段,激励电流产生的磁通被削顶如图6所示,这种削顶波主要是由基波和三次谐波组成,因而次级线圈零位输出电压便产生三次谐波。
另外,激励电流波形失真,内含高次谐波分量,这也使零位输出电压中有高次谐波的成分。
图6 未调整前传感器输出电压波形
1.1.2消除办法
为了减少零残电压,除了对传感器本身在设计和工艺上尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电器参数和磁路对称、两次级线圈绕法一致,铁芯加工精度要高,磁性材料必须经适当处理,消除内部残余应力使其磁性能均匀、稳定外,还要选用导磁性能好的材料作保护外壳,同时起到磁屏蔽的作用,要求高时也可以用导电材料设置静电屏蔽层,以减小外界电磁干扰。
同时控制铁芯的最大工作磁感强度,使其小于磁化曲线μmax处对应的Bm值,以便使磁路工作在磁化曲线的线性段,减小高次谐波。
这些可以靠选择合适的传感器来保证。
而在实际测试工作中,保证传感器安装精度,从而减小铁芯与线圈的摩擦和选用合适的测量电路补偿就成为消除零残的最好的办法。
因而在实际使用时往往从传感器的安装精度和测量电路两方面来实现零残的补偿。
（1）保证传感器的安装精度
如图3所示,将差动变压器传感器安装在工作台连接桥板上。
首先用手按压振动台,保证差动变压器的铁芯没有卡死现象,同时调节铁芯安装高度,使铁芯与线圈之间无摩擦现象,且大致在传感器中间位置。
这时,给传感器初级线圈加入交流电源,频率为5kHz左右,幅值为4V,同时利用示波器观察差动变压器传感器的输出如图6所示。
可看出输出波形不对称且上、下波峰高度不一致。
此时反复调整升降台,使传感器输出波形近似对称,如图7所示,升降台的这个位置即为传感器最佳安装位置。
图7 调整后传感器输出电压波形
（2）零残的外电路补偿法
从示波器观察到的零残波形图5可看出,它一般由基波和高次谐波两部分组成。
因而,采用加入串、并联电阻,电容的测量电路的补偿办法来消除零残电压,如图8所示。
在没接入补偿电路时,在差动变压器安装的最佳位置,如图7所示,零点残余电压Uo=4215mV,而接入补偿电路后仔细调节串、并联电阻RW1、RW2,会使Uo幅值下降可达到Uo=5mV,如图9所示,波形近似为一条接近零点的直线。
图9 接入补偿电路后输出电压波形
这时差动变压器输出的波形如图10所示,上、下波峰近似相等,波形接近于理想的包络线。
图10 补偿后的传感器电压输出波形
1.2测量电路的影响
差动变压器测量振动信号,不经过测量电路时,输出波形为如图10所示的包络线。
要想从中恢复初始振动信号,必须采用相敏检波技术。
如图4为所采用的相敏检波电路。
检波即是将被测信号由电压调制的调幅波还原为信号原形,而相敏检波能将信号的电压极性反映出来。
实验中,将差动变压器输出信号接入,用手按住振动平台（让传感器产生一恒定输出）,利用示波器观察检波器输出。
如图11所示,此时调节相敏检波器旋钮RW1、RW2和升降台高度,观察相敏检波器输出,示波器显示的波形为一个非常漂亮半波整流波形,如图12所示。
松手后,整流波形消失,变为一条接近零点的直线。
图11 相敏检波器输出
此时,再给传感器初级线圈加入交流电源,频率为5kHz左右,幅值为4V,同时利用示波器分别观察
图12 调节后相敏检波电路电压输出波形
无零点残余电压时,差动变压器输出振动信号波形和相敏检波输出如图13、14所示。
即为非常漂亮包络线和半波整流波形。
将相敏检波器输出半波整流波形通过RC低通滤波器,输出波形如图15所示,是一标准的正弦波形。
1.3电源激励频率和电压的选择
提高电源频率有下列优点:
（1）能提高品质因素Q;
（2）灵敏度有一定程度的提高;
（3）有利于放大器的设计。
但过高的电源频率会产生负面影响,如铁芯涡流损耗增加,导线的集肤效应会使灵敏度降低,增加寄生电容及外界干扰的影响使其零残增加。
一般选取2πf>
10·
R/L,R、L为次级线圈的损耗电阻与电感,即频率f的高低应与铁芯材料相匹配。
同样地,激励幅值增加,也可提高灵敏度,但激励过大会产生负面影响,如线圈发热、磁能饱和等等,致使零残电压增大。
因此,我们选择激励幅值为4V以下,激励频率5kHz左右,得出的波形比较接近包络波形。
表1为激励电源幅值、频率不同时,输出电压的变化。
应用讨论
采用差动变压器组建振动量测试系统,其原理简单,检测电路一般采用集成电路。
通过仔细调节
升级会员 