基于软相敏检波算法的电感传感器测量电路的设计.pdf

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1、第 l 4 卷 第 4 期 2 0 0 6年 O 7月 河南机电高等专科学校学报 J o u r n a l o f He n a n Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e Vo 1 1 4 4 J u l y 2 0 0 6 基于软相敏检波算法的电感传感器测量电路的设计 范 峥 ， 刘孟华 ， 陈丙炎。 ( 1 河南机电高等专科学校 自 控系； 2 中石化管道储运公司 新乡输油处， 河南 新乡 4 5 3 0 0 2 ； 3 河南平高电气股份 有限公 司， 河南 平顶

2、山 4 6 7 0 0 1 ) 摘要 ：对 电感传感器的测量 电路进行 了分析， 讨论 了正 弦渡发生器的稳幅措施， 提 出了利用数 字相敏检 波技 术改 进传 感器 测量电路 的方法， 并给 出了性能测试数据。 关键词 ： 电感传感器 ； 数 字相敏检 波； 静态测试 中图分类 号： T H8 2 2 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 8 2 0 9 3 ( 2 0 0 6 ) 0 4 0 0 1 8 0 2 电感 测微 仪是 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。具有分

3、辨率高、 使用寿命长、 线性和稳定性好、 结构简单可靠 、 输 出功 率大、 输出阻抗小、 抗干扰能力强且价格便宜 、 安装简 单 、 对工作环境要求不高等优点 ， 因此在精密加工领 域 得到 了广泛 的应用 。 相对于其他的微位移测量仪， 电感测微仪的测量 电路比较复杂， 成本也较 高， 而且其设计 和制作 的合 理性对测量精度和可靠性有很大影响。同时 ， 在基 于 计算机的测量系统中， 利用计算机强大的数据运算与 处理功能 ， 合理地设计软件 ， 同样可 以提 高测量 的可 靠性和抗干扰性 ， 从而提高仪器的测量性能 儿 。 1 硬 件电路的整体 结构 该电感传感器测量 电路 主要包括正弦

4、波生成电 路 、 变压器电桥 、 交流放大电路 、 带 通滤波 、 A D采样 电路 、 I O及计算机部分 ， 如图 1 所示 。由于运算量较 大， 需要一种高性能 的 C P U， 经过对 主流单片机 的比 较 ， 最终 选 择 了 MO TOR OL A 6 8 HC1 1 微处 理器作 为 主控制器。该型处理器运行稳定可靠 ， 接 口丰富， 编 程简单 ， 具有很高的性价比。 测 头输 入 图 1 传感器测量电路结构图 1 8 由标准振荡器产生的频率稳 定的方波信号 ， 经过 正弦波生成电路转换为幅值稳定的正弦波， 作为激励 电源提供给变压器电桥。当测头检测工件使测杆产 生微位移时，

5、电桥平衡改变 ， 输 出含有被 检测工 件位 移信息的正弦调幅波 ， 信号经分档、 交流放大 、 带通放 大， 经 A D转换器转换后传送到计算机 。 1 1 变压 器 电桥 被测件的位移量通 过传感器转化成 电感 L的变 化， 再通过一 次测量 电路转换成电压的幅值的变化， 称为调幅电路。在电感测微 仪测量电路 中， 常见的调 幅电路有交流 电桥、 谐振式电桥和变压器 电桥等， 在 本系统 中采用变压器 电桥。由于变压器 电桥 的零点 残余电压对传感器的线性度 和灵敏度都有一定 的影 响， 所以在对变压器电桥的设计 和制作时必须采用一 定的措施 。在此通过并联调整电位器来减小零点残 余电压

6、。 1 2 正 弦波 发生 器 正弦波发生器作为变压器电桥的桥源， 其精度对 电桥的输出信号影响极大， 对 于其幅值和频率的稳定 性都有很高的要求。由于传感器的工作环境通常 比 较恶劣 ， 窜人 电源的随机 干扰不 可避免 ， 因此在电路 设计中应该具有 自动补偿环节 。 正 弦波 电源 主要包 括信 号发 生 电路和 稳幅 电 路。其中由石英 晶振和 MC1 4 0 6 0分频器构成 ， 石 英晶体振荡器产生 2 4 5 7 6 MHz的稳定方波信号 ， 经 振荡分 频器 1 2 8和 2 5 6分频后 产 生 1 9 2 0 8 k Hz 和 9 6 0 4 k Hz 的方波信号分别作为激

7、励 信号 。 电源信号的幅值将直接影响传感器的输 出， 为保 证正弦波信号幅值的稳定性 ， 在 电路设计上采用 了稳 幅电路进行 自动补偿 。稳幅 电路的基 本思路是将输 霎 羿 誓 1 01卜9 7 36- ) ， 男 ， 河 南 新 乡 人 ， 硕 士 ， 讲 师 ， 研 究 方 向 ： 计 算 机 测 控 技 术 。 作 者 简 介 ： 范 峥 ( 一 ) ， 男 ， 河 南 新 乡 人 ， 硕 士 ， 讲 师 ， 研 究 方 向 ： 计 算 机 测 控 技 术 。 基金项 目： 河南省 自然科学基金资助项 目( 编 号= 0 4 1 1 0 1 5 0 0 0 ) 维普资讯 范峥等 ：

8、 基于软相敏检波算法的电感传感器测 量电路的设计 出的变化量取 出， 补偿到输入端。当输 出增大 时， 补 偿的作用是负反馈， 使输入信号减少 ， 反 之则使输 入 信号增大。为保证正弦波电源的精度， 本电路采用 了 图 2所示 的直流 比较电路， 改善由于积分放大的波形 转换环节引起的波形失真， 在该部分引入了波形反馈 环节 5 。实验证 明， 该电路品质因数高， 选频特性好 ， 波形失真小 ， 频率稳定性好， 完全可 以满足传感器对 电源 的要 求 。 堕 而 匝 匝 丽 J 图 2 直流 比较 电路 1 3 交流放大电路和带通滤波器 在本 系 统 中， 采 用 了 可 编 程 增 益 放

9、 大 电 路 ( P GA) ， 并采用 了光 电耦合器 T L P 5 2 1 2和继 电器 对于模拟电路部分和数字电路部分进行了电气隔离。 该电路结构简单 ， 通过控制开关并接人不同个数的放 大单元以得到不 同的增益 ， 开关导通 电阻和分布 电容 对放大电路的精度 和工作速度无影响 ， 具有低 漂移 、 高输人阻抗、 高共模抑制 比、 增益精度高、 调试简单等 优点 。 为了消除各种高频噪声和低频噪声 的影响， 需对 放大后的交 流信号进行滤波。因为电路设计采用 峰 一 峰值采样的原理 ， 所以滤波器 的设计的中心频率为 正弦载波的频率， 且应使带通范围要窄。电路设计采 用无限增益多路反

10、馈型带通滤波的设计结构。 1 4 A D转换电路 模拟信号经带通滤波之后进入到 A D转换器进 行模数转换 。本 系统 采用 的 AD7 8 8 4是一种高速 高 精度的 l 6位 A D转换 器。它的内部有采样保持器 ， 无须外接时钟电路， 转换结果 以并行 1 6位输 出， 与 目 前市场上的 AD芯 片相 比， AD 7 8 8 4有很高的分辨率 和线性度， 转换 速度很快 ， 使用 中不需要外加采样保 持 电路， 很适合应用于高精度、 高速度的采集系统。 2 数字相敏 检波 由于变压器电桥不能够分辨位移 的方向， 所以在 信号调幅之后都进入相敏检波 电路， 由相敏检波器检 出极性 。常

11、用的相敏检波电路 由二极管实现 ， 有线性 差、 温漂大等缺点， 且模拟电路检波后 的直流信号放 大时易受低频 噪声 、 温漂 、 失调电压及 电流等因素的 干扰 。为此 ， 本系统采 用了高精度 的数 字相敏检 波 ( D P S D ) 技术。 如图 1 所示， 经带通放大后的模拟调幅信号 f ( t ) 中心频率为 f 0 ， 送人 A D转换器进行采样 ， e ( t ) 作为 A D采样的触发信号， 其上升沿触 发， 频率 为 2 f 0 ， 相 位与 e ( t ) 相差 9 O 。 ， 因而实现对 f ( t ) 的波峰 、 波谷采 样， e ( t ) 和 h ( t ) 经

12、I 0进入计算机 ， 作为调幅信号的波 峰、 波谷的判断信号， 计算机根据检测到的 e ( t ) 和 h ( t ) 进行判断， 通过外部程序将 U( n ) 进行峰值平均， 实现全 波数字相敏检波。 在系统 中经带通放大后的信号 f ( t ) 送 A D转换 器进行采样 ， 并整形为 h ( t ) ， 采样触发信号为 e ( t ) ， 其 频率为 f ( t ) 的 2倍 ， 相差 9 O 。 ， 因而实现对 f ( t ) 的波峰、 波谷采样 ， e ( t ) 和 h ( t ) 经 r 0进入计算机， 作为调幅信 号的波峰、 波谷的判断信号， 计算机根据检测到的 e ( t )

13、 和 h ( t ) 进行判断， 通过外部程序将 U( n ) 进行峰值平均， 实现全波数字相敏检波。信号如图 3 所示。 u ( t U ( n ) 信号 图 3峰 值 采 样 和 数 宇 相 敏 检 波 的 实 现 则 A D转换器输出的采样信号为 ： 【 厂 ( ) = p ( ) 厂 ( ) = A s 一 ( ，z + ) 一 A s i n a o ( +) 式 中： 户 ( f ) 为采样脉冲， T为调幅信号频率 ， 2 一 T o 一丁 一 。 当 为偶数时， 采集到波峰信号， U( ， z ) =A； 为奇数时采到波谷信号 ， U( ， z ) =一A。 由计算机通过对采样信

14、号 ( ) 和参考信号 h ( ) 的检测来实现波峰、 波谷 的判断， 在采样的同时， h ( ) 为 l则所采集信号为波峰， ( ) 为 0 则为波谷。 在上述过程中， 由于采样速度较高( 1 9 2 O 8 k Hz ) ， 每 次采样间隔时间仅为 5 0 s ， 故对程序的实时性要求非常 严格 。 ( 下转 第 1 0 8页) l 9 维普资讯 河南机电高等专科学校学报 2 0 0 6 年 4期 参考 文献 ： 1 北京大学数学系与代数教研 室前代数小组编 王萼芳 ， 石生明修订 高等代数 M 北京 ： 高等教育出版社 2 0 0 1 The M i n i m a l Po l y n

15、 o m i a l GUO 2 王心介 高等代数与解析几何 M 北京 ； 科学出版社 ， 2 0 0 2 3 蒋定华 大学数学词典 M 北 京； 化 学工业 出版社 ， 1 9 9 3 a n d M a t r i x Op po s i t e Ang l e Ya me i ( De p a r t me n t o f Ma t h e ma t i c s， An y a n g No r ma l Un i v e r s i t y， An y a n g 4 5 5 0 0 2 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： M a t r i x o p po

16、s i t e a n gl e g e ne r a l l y t hr o u gh m a t r i x whe t h e r h a s s o me l i n e a r i n de pe nde nt c h a r a c t e r i s t i c v e c t o r s t O pe r f or m t o p r ov e，we at t e m pt t O pr o du c e t he m a t r i x t O be p os s i bl e o p po s i t e a n gl e a n o t he r s u f f i c

17、 i e nt l y t o wa n t t he c on di t i o n k e y wo r d s： The mi ni mal po l y no mi a l ；M a t r i x；The o pp o s i t e a n gl e c o n c e a l s ( 上接第 l 9页) 为了抑制采样和数字相敏检波过程 中 混入的随机噪声 ， 消除由于上下波形不对称引起的误 差 ， 需对同一信号进行多次重复采样 ， 并对采样数据 进行峰值平均以实现全波数字相敏检波。 3 结束语 在电路设计制作完成之后， 对其性能进行了必要 的测试。在测试过程 中， 采用 B C

18、T一5 C微动 台架作 为位 移给 进机 构 ， 以 中原 量 仪 生 产 的 GT5 7 9电 感 测头与 自行设计 的包括二次测量 电路和相应的数据 采集处理软硬件 的测试 系统配合 ， 德国生产 的 Mi l l i t r o n n o 1 2 3 4 I C电感 测微仪进行对 比实验 ， 结果 如 下 ： 稳定性 ： 在 经 过 2 0 mi n预 热后 ， 零点 稳 定性 为 1 0 0 n m h； 灵敏 度 ： 2 9 3 mV m； 分辨 率 ： 1 0 0 n m； 重复性： 0 1 5 F S ； 线性度 ： 0 2 5 9 6 。 本电感测微仪系统与国内同类产 品相

19、比， 具有精 度高 、 稳定性好 、 结构简单 、 价格便宜等优点 。 该系统成功地运用于 自主开发的轴瓦测高机等 系统中 ， 从其运行情况看 ， 其实际工作精度明显高于 传统电路 ( 实 际工作误差小 于 1 m) ， 工作稳 定可靠 ( 可连续工作 8小时以上 ) ， 抗 干扰能力强 ， 完全能够 满足 工业现 场应 用 的需 要 。 ( 责 任编 辑 吕春 红) 参考文献 ： 1 D o e b e i l i n E OMe a s u r e me n t s y s t e ms ： Ap p l i c a t i o n a n d De s i g n M Ne w Yo r

20、 k Mc Gr a w - Hi l l B o o k C o mp a n y 1 9 8 3 2 谭久彬 超精密测量技术 与仪器工程研 究中 的几个热点 问题 J 中国机械工程 ， 2 0 0 0， ( 3 ) 3 张珍 明， 等 电感式 传感 器信 号处 理模 块 的研 制 J 计量 技术 1 9 9 9。 ( 2 ) 4 3王秀梅 新 型微 位移 电感传 感 器设 计 J 仪 表技 术 与 传感 器 1 9 9 9， ( 5 ) 5 张亚林 方波激励 的电感传感器 测量电路 的没计 J 中国仪 器仪 表 ， 1 9 9 7 ， ( 3 ) 6 张黎军 ， 等 一种实用的电感式位移传

21、感器测量 电路 J 自动化 仪 表， 1 9 9 6 ， ( 4 ) Th e De s i g n a n d Ap pl i c a t i o n o f t h e M e a s u r i n g Ci r c u i t o f I nd u c t a nc e S e ns o r ba s e o n t he S o f t Di g i t a l Pha s e S e ns i t i v i t y De t e c t i o n FAN Zhe n g ( He n a n M e c h a n i c a l a n d El e c t r i c a

22、l En g i n e e r i n g Co l l e g e ，Xi n x i a n g 4 5 3 0 0 2 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：t he me a s u r i n g c i r c u i t of i nd uc t a n c e s e ns or h a s b e e n a n a l y z e ， d i s c u s s e d t he m e a s u r e t O l e v e l o f f t h e a m pl i t ud e o f s i n e wa ve g e ne r a t

23、i n g c i r c u i t ，i nt r o du c e t h e me t h o d t O i m pr o v e d t he pe r f or ma n c e of me a s ur i n g c i r c ui t b y us e d d i g i t a l ph a s e s e n s i t i v i t y d e t e c t i o n，a nd ga v e t h e d a t a o f s t a t i c t e s t i n g Ke y wo r d s：i n du c t a nc e s e ns o r ； di gi t a l p h a s e s e ns i t i v i t y d e t e c t i o n； s t a t i c t e s t i ng l 0 8 维普资讯