图中可以看出不同的电容值对电路的性能影响很大,如果选择不恰当,反而会使系统性能下降。只有选择适当容量的电容大小才能使测量灵敏度提高,同时保持尽量小的线性误差。所以选取曲线在L1=3~7 mH段时,灵敏度最高,线性度最好,进行最小二乘计算,它与普通半桥的对比如图4所示。
经Matlab计算普通半桥在3~7 mH段,电压变化范围1.5~3.5 V,电压对电感的灵敏度为0.5V/mH。线性度近似为1。对图4(b)采用最小二乘法拟合直线后,在3.8~6.3 mH段,输出电压的变化范围0.77~4.39 V。线性度可达2.39%,灵敏度为1.448 V/mH。
对全桥电路的仿真与半桥的方法类似,需要注意的是希望电桥在L1=L2=5 mL时平衡,所以对于匹配电阻的选取需要根据仿真条件计算
对于电路I:R3=R4=|jw×0.005+R1|=237 Ω;电路II:R3=R4=|(jwL+R1)∥(1/jwC1)|=817Ω;电路III:R3=R4=|jwL+R1+(1/jwC1)|=98Ω。
对于使用电容的电路,同样对不同的电容值条件下的电路进行仿真,选出性能最好的如图5所示。
普通全桥在3.8~6.3 mH段,电压变化范围为-1.2~+1.3 V,电压对电感的灵敏度为1 V/mH。线性度近似为1.38。对图5(b)和图5(c)使用Matlab进行最小拟合直线如图所示,在3.8~6.3 mH段,并联方式输出电压的变化范围为-2.66~+2.66V,灵敏度为2.130V/mH线性度可达1.68%。串联方式的输出电压范围约为-1.25~+1.25V,灵敏度约为2.130V/mH线性度可达1.33%。
3 分析与结论
如表1所示,为各电路的灵敏度和线性度,可以在损失较小线性度条件下,将灵敏度提高。对于半桥虽然将灵敏度提高了近200%,但牺牲的线性度较大。串联电容的方式灵敏度几乎没有增大。性能最好的是并联电容后的全桥电路,灵敏度提升了113%,且损失的线性度较小,只比原来增大21.7%,而且实际应用中,可以通过软件补偿和事先标定来弥补线性度的不足。
如何提高电感传感器的测量精度和灵敏度
综合理论分析和仿真结果,在激励源确定和电感传感器参数确定的情况下,通过计算可以得到一个恰当的电容值,当在传感器的两部分线圈上并联这个电容时,测量的灵敏度会有显著提高,同时仍可以保持较好的线性度,从而达到改善和提高电感传感器性能和最小分辨率的目的。