射频谐振式电感传感器转换电路设计

骆先达，傅 星

（天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072）

电感传感器是利用线圈自感或互感的变化实现测量的一种装置，它具有结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、稳定性好等优点[1-2]，因此在众多电子仪表中得到广泛应用。电感传感器通常由电感测头和转换电路两部分组成。不同形式的电感测头可以将位移、角度、压力、磁场等不同物理量的变化转换成线圈电感的变化，再将线圈接入到转换电路中就能以电信号的形式将被测量的变化反映出来。最后结合高精度的信号采集电路以及计算机软件补偿技术可以制成多种类型的电子测量仪表，如电感测微仪，电磁流量计等[3]。

近年来，很多学者以改进电感传感器的信号调理电路或计算机软件补偿算法的方式来提高电感传感类仪表的性能[4-6]。本文从电感传感器自身出发，设计了射频谐振式转换电路，利用谐振时电路阻抗极低的特性，实现输出电压的放大。以达到从信号源头增大传感器灵敏度、提高测量系统信噪比的目的。这种方法还可以与其他改进技术如：传感器激励源、输出信号处理、计算机软件补偿等兼容以共同提高整个系统的性能[7]。

1 射频谐振式转换电路的原理

电感传感器常使用变压器电桥作为转换电路，从而将线圈的自感变化转换成电压信号输出。图1所示为变压器电桥改进而得的射频谐振式转换电路。Z1、Z2表示传感器两个线圈的阻抗，与线圈串联的两个电容器的大小均为C0，电桥另两臂为电源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压均为u/2。

图1 射频谐振式转换电路Fig.1 RF resonance conversion circuit

根据基尔霍夫定律可得转换电路的空载输出电压为

式中：ω 为交流电源角频率。在初始平衡状态，Z1=Z2=Z，u0=0。对于差动型电感测头，当被测量发生变化时会引起两个线圈的阻抗发生相反的变化，即Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，代入式（1）得：

调节交流电源的频率使电容与电感线圈谐振，则电感线圈的感抗与串联电容的容抗相等，电路表现为纯电阻性，此时转换电路的空载输出电压为

式中：Zr为电感线圈阻抗的实部大小。根据电感线圈的等效电路[8]计算出电感线圈的阻抗为

线圈电感变化引起阻抗变化的大小为

将式（5）代入式（3）得到射频谐振电桥的空载输出电压为

式中：Q=ωL/R，为品质因数。从式（6）可看出射频谐振电桥的灵敏度不仅与电源电压相关，而且还与品质因数成正比，与传统变压器电桥[9]相比，在相同激励电压的条件下，射频谐振电桥的输出电压扩大了Q 倍，且频率越高，Q 值越大。因此可以通过提高激励频率，从电信号输出的源头实现提高信噪比和灵敏度的目的。从上述分析中可以看出，电路只有在谐振状态下才能满足模型成立的条件。考虑到在实际测量中，电感量会随着被测量的变化而变化，本文设计了偏移检测和反馈控制电路，在电感量发生变化，使得频率发生偏移时，偏移检测电路检测出偏移量，通过反馈控制电路输出一个相应的调节电压，施加到与线圈串联的两个电容器上，调节电容量，使得电路一直保持谐振状态。差动信号的输出经由信号调理电路（由交流放大电路、带通滤波电路、峰值检测电路组成）将电感传感器的输出信号调理成直流信号以方便模拟数字转换器采集信号，最后通过计算机对采集到的信号进行数字滤波得到精确的测量结果。测量系统如图2所示。

图2 测量系统框图Fig.2 Measurement system block diagram

2 实验验证与结果分析

实验选择位移量测量，使用精密位移台为电感传感器提供位移输入。为了对比射频谐振电桥与普通变压器电桥的性能，将相同的电感测头分别接入这两个不同类型的转换电路中进行实验。使用网络分析仪测出对应频率下线圈的Q 值。

实验中，对于由普通变压器电桥组成的电感传感器，其工作频率设置为30 kHz，输出电压与输入位移之间的关系如图3所示，计算出的灵敏度为S普=68.48 mV/mm。对于射频谐振式电感传感器，选择 在380.1 kHz，424.2 kHz，459.8 kHz 的频率下实验，其输出电压与输入位移之间的关系如图4所示，不同谐振频率下线圈的Q 值以及传感器的灵敏度S谐如表1所示。

图3 普通电感传感器输出电压位移关系Fig.3 Relationship between the output voltage and the input displacement of ordinary inductive sensor

图4 射频谐振式传感器输出电压位移关系Fig.4 Relationship between the output voltage and the input displacement of RF resonant inductive sensor

表1 实验结果汇总表Tab.1 Summary of experimental results

从表1所示的结果中可以看到，射频谐振式电

感传感器与普通电感传感器相比，灵敏度明显提高，且提高的倍数近似等于电感线圈的Q 值。

3 结语

本文在传统变压器电桥的基础上，利用LC 谐振原理设计出射频谐振式转换电路。根据电感线圈的射频等效电路，证明射频谐振式转换电路的灵敏度与电感线圈的品质因数Q 直接相关，并且与普通变压器电桥相比，射频谐振转换电路的灵敏度提高了Q 倍，显著提高了仪表测量系统的精度与分辨力。实际应用中，本设计与不同形式的电感测头结合起来，可以实现对位移、角度、压力、磁场等多种物理量的测量，具有一定的通用性。