三恒流源向线圈双向充电的电感式位移传感器.doc

恒流源向线圈双向充电的电感式位移传感器 1 测量原理 采用开关电路以恒流源电路向电感充电，只经过二极管放电的测量电感值的原理如图1所示，图中S和D构成互补开关，S闭合时电流源Is向被测电感充电，时间足够长使电感中的电流达到稳定值，而且有磁通链，。由于被测电感的性质，充电初期Is是变的，Is是恒流源电路，充电后期达到的平稳状态是恒流源性质，这样uL是自由可变的。S断开时，电感中储存的磁通链对应的电动势经二极管D放电，这时的电感电压是二极管D的正向压降，如果不考虑电压的符号，对应的电感电流从I1下降到I2所释放的磁通链为，所以有如下关系式 (1) 其中tD是二极管稳定正向导通的时间，当Is一定时，I1是确定的；当D一定时，I2也是确定的，并且要求放电电流线性下降，这用示波器可以看到。、I1和I2为常数，则测量出tD就可用电桥标定出电感值Lx。过了这段时间，磁场能量不足以击穿D的PN结，而与结电容构成LC阻尼振荡，直至磁场能量释放完毕。 适当的设置S的开关周期和占空比保证充电时间足够长，以致充电达到稳定状态，只要放电时间大于tD就可以用检测电路及单片机测量出tD，再用式（1）计算出电感值Lx。 式（1）与电容充放电的电路存在对偶性质。式（2） 图1 测量电感值的原理图 是电容值的计算公式[1]，其中是电容电压从U1下降到Ur的时间。式（2）的恒流源电路Io越小，可以测量的电容值就越小，对偶地对应式（1）是UD越小，可以测量的电感值越小。 (2) 2 恒流源双向充电 测量电感器的电感值，只在几秒钟便完成，但要做成电感式传感器，其电感长期工作在一个方向的励磁，将会出现剩磁并影响传感器的性能，而且正行程与反行程的变差大。如图2所示。因而要采用双向充电的方式。 电路如图3所示，其中S1—S4构成对电感Lx的双向充放电的开关，开关逻辑如表1所示，其中E1和E2分别是输出信号u1和u2的输出使能，也就是在放 图2 单向充电的变差 电时才允许输出到单片机，以便测量二极管D2或D4的正向导通时间tD，该时间tD的长短表示电感值的大小。与单方向时一样，要求充电时间足够长（长于电感电流i等于恒流源电流Is所需的时间）。对2mH的 图3 双向充放电测量电感值的电路原理 电感，可以取500us的充电时间。也就是表1中的4个工作状态，每个状态可以为500us。每1ms取出一个测量值，采样频率仍然是1kHz。 表1 双向充电开关逻辑 S4 S3 S2 S1 E1 E2 状态 1 0 0 1 0 0 正向充电 1 0 0 0 1 0 正向放电 0 1 1 0 0 0 反相充电 0 0 1 0 0 1 反相放电 3测量电感值的试验电路 双向充放电测量电感值的试验电路如图4所示。恒流源Is为100mA，由Q1、R1—R4及其VR1构成。Q11—Q14就是图2中的开关S1—S4，受uc1—uc3信号控制。Q11和Q14导通时电感Lx的电流从a到b充电。Q13和Q12导通时电流从b到a充电。放电用肖特基二极管，正向导通电压低，约为0.26—0.3V之间。电感a端的电压uL1经IC11放大、IC12比较，在E1信号允许时，经IC13A到单片机，即输出信号u1o。同样，电感b端的电压uL2经IC21放大、IC22比较，在E2信号允许时，经IC23A到单片机，即输出信号u2o。单片机定时测量u1o和u2o的时间为读数N1和N2。E1控制选择正向放电时的信号通过，E2控制选择反向放电时的信号通过。运放用直流12V电源供电，VR2设置门槛电压约为负的1.8—2.6V，门槛电压的设置与放电的肖特基二极管D12、D14的正向导通电压有关。 控制系统由LM3S3748芯片构成，按表1输出控制4个状态，每个状态500us。定时测量u1o和u2o的低电平持续时间tD。从显示屏上显示相应的定时计数值N=(N1+N2)/2，其中N1为正向放电时间计数值，N2为反向放电时间计数值。试验中单片机的程序可以按需要随时修改算法或开关逻辑等。 按表1对应的开关Q11—Q14，uc1—uc4需要反相，即uc1—uc4为0时Q11—Q14导通，E1和E2则不需要反相。 把位移传感器的线圈作为电感放到图4中的Lx位置，就可以通过测量其中的电感值来间接测量位移x。 图4 试验电路 4测量位移量的试验设计 测量位移量的试验设计，如图5所示。自制线圈及骨架，线圈单层绕160匝，20mm长。磁棒直径8mm长30mm，用强力胶粘在千分尺的移动杆上。磁棒与电感线圈有相对位移x，单位为mm。位移量用千分尺测量，其精度为0.01mm。磁棒位移量在线圈中向右侧移动，即磁棒朝远离线圈的方向移动时，