新型电感式位移传感器在汽车位置动态测量中的应用.doc

新型电感式位移传感器在汽车无级变速中的应用 电气13-9班 李博文 摘要　 提出一种结构简单轻巧、驱动及测量电路简单、性能较好的新型电感式位移传感器, 可用于机械直线位移及位置的测量。给出了传感器的结构和测量电路的原理图, 对工作原理进行了分析, 并讨论了温度补偿的方法。该传感器可应用于汽车的电子无级变速系统中。 关键词　 传感器　电磁感应　位移测量 1.引言 电感式位移传感器具有工作寿命长、灵敏度及准确度较高、线性好、性能稳定可靠等特点[ 1 ] ,,在机械运动的测量和控制中得到广泛应用。目前,测量较大位移量(几十～几百毫米)的电感式位移传感器一般采用带铁芯的差动螺管式自感或互感传感器,如差动变压器等, 其测量线圈由两个以差动方式工作的螺线管组成并由正弦电源激励, 线圈内的铁芯棒由被测位移带动改变线圈的自感或互感, 再由测量电路转换为电压或电流信号输出。这种传感器由其结构决定了它也存在着以下一些问题: 1) 由于采用铁芯而使传感器较为笨重、惯量大、频响低、铁芯损耗大。2) 为获得较好的线性, 传感器的量程长度一般仅占线圈总长度的 1/10～1/4[ 2 ] , 因而体积过大。3) 需要采用较精密的元件构成振荡器, 形成稳定的、波形失真小的正弦电源激励圈。此外对测量电路的要求也较高。本文提出一种新型的电感式位移传感器, 较好地解决了这些问题, 使其精确度较高、线性好、性能得到进一步提高。它具有体积小、结构简单轻巧、惯量小、驱动及测量电路简单、无需正弦激励电源、易于和微机接口等特点, 很适合在微机控制的测控系统中使用。 传感器结构及测量电路 该传感器属互感型, 采用螺线管结构, 可测量较大的位移量, 结构如图 1 所示。它由静和动两部分组成, 静止部分是一细长的螺管线圈, 线圈上对称等间距地抽出多个中间抽头( 抽头数 n ≥3) , 与线圈两端一起引出。可动部分是一个用非导磁金属制成的滑环、套在线圈外壳上起短路环作用。当被测位移通过传动机构使滑环在线圈上移动时, 滑环与各线圈段的互感随之变化, 测量电路由此可将被测位移转换为相应电信号。由于本传感器无铁芯, 故不存在铁损, 而滑环可用轻金属制成, 其长度只需比线圈相邻两抽头的间距稍长, 因而惯量较小, 频响得以提高。同时由于线圈与滑环之间不是通过铁磁材料耦合, 所以线性段大为扩展, 使具有较 好线性度的量程范围可达线圈总长度的 3/4 以上。图1中的 a、b 两点之间为量程范围, c点是中点。 图 1　传感器结构 测量电路如图2所示。图中Ud是高频时钟信号,频率可选10kHz以上。该信号经驱动转换电路转换为V1、V2两个幅值稳定的对称交变激励电压接至测量线圈两端,Ud与V1、V2的波形见图3。各中间抽头经等值电阻R 1～ Rn接入运放Q1的反相端, 它们所引出的感应电压经Q1叠加、放大后,在Q1输出端可得到峰值及极性随滑环在线圈上所处位置的不同而变化的尖峰电压信号U 0 , 如图 4 中(a)、(b)、(c) 所示。U 0 经图 2 中的整形电路转换为幅值和极性与之相应的方波输出信号Us,以便于信号处理电路处理。Us的波形如图 4 中(d)、(e)、(f) 所示。由图可见, Us的幅值及极性同样随滑环位置而相应变化, 通过检测Us即可获得滑环的位置信息。 图 2　测量电路 图 3　对称激励时的V1、V2及Ud波形 图 4　运放输出Uo、整形输出Us及时钟信号Ud的波形 工作原理 由图2可见, 测量线圈有n 个等距中间抽头, 可看成是n+1段相同线圈L1～Ln+1 串联而成, 各段线圈的电阻和电感一样。在V1、V2 的对称激励下, 如无滑环影响, 则各线圈的电阻压降和感生电势相同。由于各抽头经等值电阻R1～ R n 接至Q1 ,它们所引出的电压经Q1迭加后将使U0 = 0。当滑环套于线圈上时, 两者间有互感形成, 滑环所处位置的线圈电感及其感生电势因互感而发生变化, 从而使U0不再恒为零。随着滑环的移动, U0 的峰值和极性会相应变化。下面作一简要分析。在图 2 中设 r1 = r2 = … = rn+1 = r为各线圈段的电阻, L1、L2、Ln+1 , e1、e2、en+1 为它们的电感和感生电动势峰值, 运放Q1的输入电阻R1 = R2 = … = R n = R ,并选“ref”点为电平参考点, U1、U2…Un 为各抽头相对于参考点的峰值电压。当Ud为高电平, 使V1 = E/2、 V2 = - E/2期间, 设 I0 为感生电势取峰值时的线圈电流, 则可得到以下方程: V 1 - V 2 = E = (n + 1) r I0 + e1 + e2 + … + en+ 1 U 1 =