自感式传感器的测量电路（信号调理电路）

被测量的变化使自感式传感器的电感量L发生变化，只要用测量电路把电感的变化转换成电压、电流、频率等电参量的变化，然后把输出电参量进行放大和信号调理之后即可求测出被测量的大小。电感变化属于阻抗型变化，常用的测量电路主要有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振电路等，差动型自感式传感器通常采用变压器式交流电桥。

如图6．9所示为变压器式交流电桥的基本结构，考虑到传感器线圈不仅具有电感，而且线圈导线具有一定的电阻，因此用Z1和Z2来表示为差动自感式传感器的两个线圈，另外两个桥臂为电源变压器次级线圈的两个副半边，电桥由交流电源供电。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为

图6．9 变压器式交流电桥

当传感器的衔铁位于中间位置时，Z1＝Z2＝Z，此时电桥平衡，输出电压＝0。

当衔铁向上移动，则上线圈的阻抗增大为Z1＝Z1＋ΔZ1，而下线圈的阻抗减小为Z2＝Z1－ΔZ2，当衔铁的位移Δδ＜δ0时，可近似认为ΔZ1＝ΔZ2＝ΔZ，由式（6．24）得

同理，当衔铁向下移动时，上面线圈的阻抗减小，即Z1＝Z1－ΔZ，而下面线圈的阻抗增大，即Z2＝Z1＋ΔZ，此时输出电压为

由式（6．25）和式（6．26）可知，变压器电桥的输出为被测位移信号（调制信号）与高频电源信号（载波信号）相乘，为具有被测位移包络线的交流调幅信号，故变压器电桥电路又称为调幅电路。当衔铁向上和向下移动相同距离时，若忽略电感线圈的等效电阻，则两者的输出电压大小相等，方向相反（即相位差180°）。

（1）变压器式交流电桥的相敏整流电路

变压器式交流电桥的输出电压为交流调幅信号，在图6．9中，若衔铁上移，则输出电压与交流电源电压的相位相同，若衔铁下移相同大小的位移，则输出电压与交流电源电压相位相反。使用双通道示波器观察测量结果，其中示波器通道1测量，示波器通道2测量，则衔铁向上、向下移动时示波器两个通道观察到的波形如图6．10所示。

通过对比示波器两个通道的波形，不仅能判断衔铁位移的大小，而且还能判断衔铁位移的方向，但是，示波器的价格是比较昂贵的，而且其信号波形难以直接用于自动控制等场合。而用普通的交流电压表测量交流电桥的输出调幅信号，只能测量出调幅波的幅值而不能测出调幅波的相位，即测量结果只能反映衔铁位移的大小而不能反映衔铁位移的方向，因此，在实际工程中通常是把变压器式交流电桥的输出电压用相敏整流电路进行整流、滤波等信号处理之后，用直流双向电压表或数字万用表进行测量。

图6．10 使用双通道示波器观察变压器式交流电桥的信号波形

图6．11 二极管相敏整流电路

图6．11为一种二极管相敏整流电路的基本结构，图中4个二极管VD1～VD4的参数完全相同，Z1和Z2为差动自感式传感器的两个线圈的阻抗，Z3和Z4为平衡阻抗，Us为交流电源，Uo为输出电压，用双向电压表测量（为方便起见，Uo的参考方向取上负下正）。

当传感器的衔铁位于中间位置时，Z1＝Z2＝Z0，此时电桥平衡，输出电压Uo＝0。

①当衔铁向上移动时，上面线圈的阻抗增大为Z0＋ΔZ，而下面线圈的阻抗减小为Z0－ΔZ，此时假设电源Us处于正半周，则二极管VD1和VD2导通，而VD3和VD4截止，假设I1为流过Z1、VD1和Z3的电流，I2为流过Z2、VD2和Z4的电流，则I1的流向为A→Z1→B→VD1→C→Z3→D→GND，而I2的流向为A→Z2→F→VD2→E→Z4→D→GND，因为此时Z1＞Z2，很明显，在整个电源正半周内都有I2＞I1，即对于Z3和Z4支路而言，总的电流方向是由下往上流的，因此，此时输出电压Uo为正电压，信号波形如图6．12（a）所示。

图6．12 衔铁上移时的输出波形

当衔铁向上移动且电源Us处于负半周时，则二极管VD3和VD4导通，而VD1和VD2截止，假设I3为流过Z4、VD4和Z1的电流，I4为流过Z3、VD3和Z2的电流，则I3的流向为GND→D→Z4→E→VD4→B→Z1→A，而I4的流向为GND→D→Z3→C→VD3→F→Z2→A，因为此时Z1＞Z2，很明显，在整个电源负半周内有I4＞I3，即对于Z3和Z4支路而言，总的电流方向仍然是由下往上流的，此时输出电压Uo仍为正电压，信号波形如图6．12（b）所示。

因此得出结论：只要衔铁上移，则无论电源Us处于正半周还是负半周，输出电压Uo的幅值总是正的，将Uo进行滤波之后，即可得到与位移大小成正比的直流正电压Uo。

②当衔铁向下移动时，上面线圈的阻抗减小为Z0－ΔZ，而下面线圈的阻抗增大为Z0＋ΔZ，此时假设电源Us处于正半周，则二极管VD1和VD2导通，而VD3和VD4截止，假设I1为流过Z1、VD1和Z3的电流，I2为流过Z2、VD2和Z4的电流，则I1的流向为A→Z1→B→VD1→C→Z3→D→GND，而I2的流向为A→Z2→F→VD2→E→Z4→D→GND，因为此时Z2＞Z1，很明显，在整个电源正半周内都有I2＜I1，即对于Z3和Z4支路而言，总的电流方向是由上往下流的，因此，此时的输出电压Uo为负电压，信号波形如图6．13（a）所示。

当衔铁向下移动且电源Us处于负半周时，则二极管VD3和VD4导通，而VD1和VD2截止，假设I3为流过Z4、VD4和Z1的电流，I4为流过Z3、VD3和Z2的电流，则I1的流向为GND→D→Z4→E→VD4→B→Z1→A，而I2的流向为GND→D→Z3→C→VD3→F→Z2→A，因为此时Z1＜Z2，很明显，在整个电源负半周内有I4＜I3，即对于Z3和Z4支路而言，总的电流方向仍然是由上往下流的，此时输出电压Uo为负电压，信号波形如图6．13（b）所示。

得出结论：只要衔铁下移，则无论电源Us处于正半周还是负半周，输出电压Uo的幅值总是负的，将Uo进行滤波之后，即可得到与位移大小成正比的直流负电压U。

图6．13 衔铁下移时的输出波形

当采用无相位鉴别的整流电路时，输出电压与衔铁位移的关系曲线如图6．14（a）所示。由此可知，无论衔铁上移还是下移，输出电压的符号都是相同的，无法辨别位移的方向；当采用相敏整流电路时，输出电压与衔铁位移的关系曲线如图6．14（b）所示，输出电压的极性随位移的方向变化而变化。图6．14（a）中的实线为理想特性曲线，当衔铁处于中间位置（位移为零）时，理想的输出电压应该也为零，且位移与输出电压应该为线性关系，而实际的特性曲线如虚线所示，由图中可知，不仅输出电压与在衔铁位移较大时存在一定的非线性，而且位移为零时，输出电压并不为零，而是有一个最小的输出电压ΔUo，该电压称为零点残余电压，零点残余电压的存在会造成较大的测量误差。从图6．14（b）还可知，采用相敏整流电路可减小零点残余电压和非线性误差。

图6．14 变压器交流电桥的输出电压-衔铁位移关系

（2）零点残余电压产生的原因及其消除方法

零点残余电压的存在，将使传感器的非线性误差增大，降低测量的精度和分辨率，甚至会造成放大器末级趋于饱和，使测量系统不能正常工作。因此，零点残余电压的大小是电感式传感器的一个重要的性能指标。产生零位点残余的主要原因如下：

①由于差动式两个电感线圈绕制的不均匀、磁路的不对称以及磁性材料的特性不一致等，造成传感器两电感线圈的电气参数和几何尺寸等参数不对称。

②电感线圈存在铁损，即磁化曲线存在非线性。

③激励电源中含有高次谐波成分。

④线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁芯间存在分布电容。

减小零位误差的主要措施是：在设计制造时采取措施，保证两电感线圈的对称；减少电源中的谐波成分，减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段；采用相敏整流电路作为测量电路；另外，在测量电桥中可接入可调电位器，当电桥有起始不平衡电压时，可以调节电位器，使电桥达到平衡条件。图6．15为两种用于减少零点残余电压的补偿电路，图中电位器Rp用于调节两线圈的参数使之趋于一致，而电容C用于滤除高次谐波。

图6．15 零点残余电压补偿电路