电感传感器测量电路设计与改进
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摘要
电感测微仪是一种分辨率极高、工作可靠、使用寿命很长的测量仪，应用于微位移测量已有比较长的历史。国外生产的电感测微仪产品比较成熟，精度高、性能稳定，但价格昂贵。国内生产的电感测微仪存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范围小等问题，一直与国外的传感器水平保持一定的差距。在超精密加工技术迅猛发展的今天，这种测量精度越来越显得不适应加工技术发展的需求。本文针对这些问题，对电感传感器测量电路进行了一定的设计和改进。对电感测微仪的正弦波生成电路、交流分档放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路、数据采集电路等进行了精确的分析和相应的设计，并提出了必要的改进措施。在电路的制作与调试方面，从电路的合理布局与布线、电子元器件的选择与安装、电路的调试等方面做了大量的工作，并通过软件实现数据处理，使测量精度得到进一步的提高。通过一系列的静态测试实验，对传感器的性能进行了一定的评价。实验表明，电感测微仪性能比较稳定，在量程为-20μm到+20μm时，每20分钟的漂移量为10nm，灵敏度为281mV／μm，分辨率优于10nm，重复精度约为0.12％F．S，线性度为0.2％F．S。本文通过对电感测微仪的各种改进，为其成为一个通用化、仪器化、商品化的产品打下了基础。
Inductive displacement sensor, with a virtually infinite resolution, high
reliability and extremely long life, has been applied to the measurement of micro-displacement for a long experience. The product made abroad has very high accuracy and reliability due to the ripe technology, but it is very expensive as well. There are some defects in domestic sensor such as high temperature drift, low reliability, small measuring range etc. Against these defects, this paper proposes a series of improvements on the measuring circuit of inductive displacement sensor, adapting it to the development of ultra-precise technology. On the basis of accuracy analysis, some techniques are combined to improve the measuring precision on the sine wave generating circuit, AC signal amplifying circuit, band-pass filtering circuit, phase sensitive detection circuit, data acquisition circuit and so on. Many changes have been made about the layout and wiring of circuit board, the choice of circuit and components, the assembly and debugging of circuit and so on. The data processing software further improves the precision. By a series of testing experiments, the static performance of the sensor is obtained. The experimental results indicate that if the temperature is normally constant, the sensor will be very stable. Under the measurement range of -20μm to +20μm, the drift is 10nm/20minute; sensitivity is 281Mv/μm; resolution is higher than 10nm; repeatability is 0. 12% F. S; linearity is 0.2% F. S. The improvements on the sensor have laid the foundation for its further unification, instrumentalization and commercialization .
Inductive displacement sensor, with a virtually infinite resolution, high
reliability and extremely long life, has been applied to the measurement of micro-displacement for a long experience. The product made abroad has very high accuracy and reliability due to the ripe technology, but it is very expensive as well. There are some defects in domestic sensor such as high temperature drift, low reliability, small measuring range etc. Against these defects, this paper proposes a series of improvements on the measuring circuit of inductive displacement sensor, adapting it to the development of ultra-precise technology. On the basis of accuracy analysis, some techniques are combined to improve the measuring precision on the sine wave generating circuit, AC signal amplifying circuit, band-pass filtering circuit, phase sensitive detection circuit, data acquisition circuit and so on. Many changes have been made about the layout and wiring of circuit board, the choice of circuit and components, the assembly and debugging of circuit and so on. The data processing software further improves the precision. By a series of testing experiments, the static performance of the sensor is obtained. The experimental results indicate that if the temperature is normally constant, the sensor will be very stable. Under the measurement range of -20μm to +20μm, the drift is 10nm/20minute; sensitivity is 281Mv/μm; resolution is higher than 10nm; repeatability is 0. 12% F. S; linearity is 0.2% F. S. The improvements on the sensor have laid the foundation for its further unification, instrumentalization and commercialization .
引文
[1]李圣怡，戴一帆 超精密加工机床及其新技术发展．国防科技大学学报：2000(2)
[2]吴敏镜 从精密加工看计量技术的现状与发展．宇航计测技术：2000(2)
[3]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．中国机械工程：2000
[4]吴宇列 超精密电容微位移传感器关键技术的研究．国防科大：硕士论文，1998．1
[5]蔡卫平 精密圆度度和表面轮廓度测量技术研究．国防科大：硕士论文，1996．1
[6]强锡富 传感器．北京：机械工业出版社，1993．5
[7]王幸之 等单片机应用系统抗干扰技术．北京航空航天大学出版社，1999．12
[8]张国雄，金篆芷．测控电路．北京：机械工业出版社，2000．9
[9]徐科军等 自动检测和仪表中的共性技术．北京：清华大学出版社，2000．12
[10]阮德生 自动测试技术与计算机仪器系统设计．西安：西安电子科技大学出版社，1997．6
[11]童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，1987．5
[12]何立民 单片机应用技术选编(5)．北京：北京航空航天大学出版社，1997．10
[13]何立民 单片机应用技术选编(4)．北京：北京航空航天大学出版社，1997．2
[14]王化祥，张淑英 传感器原理及应用．天津：天津大学出版社，1988．9
[15]余瑞芬 传感器原理．北京：航空工业出版社，1995．8
[16]徐爱钧 智能化测量控制仪表与原理设计．北京：北京航空航天大学出版社，1996．1
[17]吕俊芳 传感器接口与检测仪器电路．北京：北京航空航天大学出版社，1994．6
[18]赵新民 智能仪器设计基础．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999．7
[19]孙焕根 电子测量与智能仪器．杭州：浙江大学出版社，1992．3
[20]李志全 智能仪表设计原理极其应用．北京：国防工业出版社，1998．6
[21]浦昭邦 王宝光 测控仪器设计．北京：机械工业出版社，2001．3
[22]吴兴惠 王彩君 传感器与信号处理 北京：电子工业出版社，1998．8
[23]吴道悌 非电量电测技术．西安：西安交通大学出版社，2001
[24]王瑞华等 电子变压器设计手册．北京：科学出版社，1993．8
[25](美)K·莱斯多夫等著；希望图书创作室译．Borland C++ Builder实用培训教程．北京：宇航出版社，1998．6
[26]史惠康Borland C++ Builder实用编程技术．北京：中国水利水电出版社，1999
[27]郑子和 王忠民 学习和使用Borland C++．南京：南京大学出版社，1994
[28]蒋庄德 纳米测量技术与微型智能仪器．中国机械工程，2000(3)
[29]赵维谦等 改善调幅式传感器测量电路精度的措施．仪器仪表学报，2001(3)
[30]王秀梅 新型微位移电感传感器设计．仪表技术与传感器，1999(9)
[31]文晓希 圆度仪维修改造时的几点做法．计量技术，2002(7)
[32]龚国盛 影响高精度测量仪器稳定性的几种因素．精密制造与自动化，2001(3)
[33]刘强 不确定度表示体系的误差分析和数据处理方法．工科物理，1999(5)
[34]费业泰 精度理论若干问题研究进展与未来．中国机械工程，2000(3)
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[24]王瑞华等 电子变压器设计手册．北京：科学出版社，1993．8
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