电感测微仪中激励电源的研究

    0　引言

   在精密测量系统中,传感器的激励电源质量往往对测量仪器精度起着关键性的影响,因此,设计一种幅值和频率都稳定的精密激励电源对精密测量而言有着非常重要的意义。本文就电感传感器的激励电源进行了一定的研究和设计,并将其应用在精密电感测微仪中,实验结果和应用实例表明该电源性能良好,能在精密测量中使用。

    1  电感传感器的工作特性

    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系数变化原理来实现非电量电测的传感器。

    如图1所示为螺管型差动式电感测头的结构。它主要由测头10、铁芯3、以及两个电气参数和磁路相同的电感线圈2和4组成。传感器测头10检测到被测物体的位移,通过测杆8带动铁芯3产生移动,从而使线圈2、4的电感发生变化,电感信号再通过引线1接入测量电路进行测量。

    电感线圈在工作时的等效电路如图2,其中Rc表示线圈的铜损电阻,re和Rh分别代表铁芯的涡流损失及磁滞损失;电容C反映了线圈的自身电容,在高频时须考虑。两电感线圈的感抗可表示为:Z=R+jωL,其中R=re∥Rh+Rc。

    测量电感的电路有许多,变压器电桥是其中最典型的一种。如图3所示,它是从变压器次级中心抽头,把次级分为两个绕组接入电桥作为电桥的两邻臂,另外两臂由两差动电感线圈构成。若次级绕组上下两部分完全对称,则两部分的电压相等为U1=U2=U2,设两电感线圈的角频率为ω,在某一位置的电感变化量为ΔL,则电桥的输出为:

由(1)式知,电桥电源的幅值和频率直接影响传感器的输出[1]。因此,电感传感器激励电源的质量对整个测量系统的稳定性和精度是很关键的。

     2　激励电源的设计

    为了保证激励电源幅值和频率的稳定性,我们设计了如图4所示的稳频稳幅电路。

采用石英晶振和MC14060分频器构成信号源。石英的物理特性十分稳定,波形失真小,具有很高的频率稳定度和精度。在-20°~60°的范围内其频率的稳定度可以达到10-8~10-9级,且长期稳定性好,精度也能达到10-5级。    可变增益稳幅控制系统由精密整流电路、基准电压源、误差放大电路、波形反馈环、积分放大、可变增益放大器等环节构成。由精密整流电路将交流电压U取样,经整流后变换为幅值与输出的交流量U成正比的直流电压Uf,稳幅放大电路将此Uf作为幅值反馈电压,并与基准源提供的稳定的基准电压Ur相比较,取其偏差量Ur-Uf进行积分放大,以控制可变增益放大器的增益K。电路通过自动增益控制实现了激励信号的自稳幅[2-3]。