电位计式角位移传感器测试系统的动态性能研究

郭华玲， 孟立凡， 冯 伟

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西 太原 030051)

0 前 言

图1 电位计式角位移传感器

随着科学技术的发展，测试技术越来越为人们所重视，掌握测试原理，正确选择测试方法和测试装置，进行必要的数据处理是改善产品质量，推动工业技术发展，开展科学实验的重要手段.电位计式角位移传感器以其结构简单、价格低廉、性能稳定、能适应恶劣环境条件、输出信号大等优点广泛应用于航天航空、军用、民用各行业，但是由于电位计本身的一些缺点也大大限制了传感器的使用范围.在现代军工工业中出现了大量的瞬变信号急需测量，而电位计精度不高，动态响应较差，不适于测量快速变化的信号[1].为了弥补电位计的缺点，让其能在更广泛的领域内应用，人们在测试领域中提出了动态补偿技术，它可以很好地提高传感器的动态响应特性[2].本文通过对滤波器的设计和调整滤波器的参数来提高系统的动态响应特性.

1 电位计式角位移传感器的工作原理

电位器是人们熟知的机电元件，在传感器中，它是一种可以把线位移和角位移转换成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件，因此可以用来制作位移、压力、加速度、油量、高度等各种用途的传感器.

线性电位计的理想空载特性曲线应具有严格的线性关系,如图1所示.假定全角度为αmax的电位器，其总电阻为Rmax,电阻沿长度的分布是均匀的，电阻与角度，电压与角度的关系分别为[3]：

(1)

2 电位计式角位移测试系统的组成

本设计的测试系统由以下几部分组成：传感器、放大器、滤波器构成的模拟部分和采样保持器、A/D转换器及80C51单片机构成的数字部分.通过改变角位移传感器的角度引起电位计电阻值的变化，从而得到具有与电阻值成一定函数关系的电压值的输出.这个电压经过放大、滤波后通过A/D转换成数字量，再由接口输入单片机，如图2所示.

图2 电位计式角位移测试系统框图

3 滤波器设计思想

图3 滤波器补偿原理图

从传感器输出的信号有很多的高频干扰，为了便于测试并具有可靠的测试精度，需对这个信号进行放大及滤波处理.为了消除高频干扰以提高测试精度，本文采用仪用差动放大器构造了一个低通滤波器.随着滤波器的引入，虽然滤除了干扰，但同时也带来了一些问题：首先，低通滤波器的引入会对所测信号产生负相移(即相位的迟后).对于原来的信号来说，信号通过滤波器后会发生波形失真[4,5]，而失真的这部分有时往往是我们所需要的、有用的测试信号，如果不对这些信号加以补偿而直接与后续电路相连，则得到的测试结果是不可用的，所以动态补偿技术对于一个系统来说是很重要的，必不可少的；其次，电位计式传感器本身的动态响应性能不好，不适宜测量变化较快的信号.针对以上两个问题，本文提出了通过对滤波器的参数进行调整来提高系统动态响应的思想，并达到了如3图所示的补偿效果.

4 动态补偿电路设计与仿真

图4 压控电压源三阶低通滤波电路

测试系统的动态特性反映的是测试系统在动态测量过程中的特性.在动态测量过程中，描述系统的一些特征量是随时间而变化的，而且随时间的变化过程不是缓慢的，为此作者设计了一个模拟滤波器来实现对电位计式角位移传感器测试系统噪声滤除及对系统的动态性能补偿.

4.1 三阶低通压控电压源型滤波电路

将一个一阶低通基本环节和一个二阶低通基本环节电路级连起来就可以构成三阶低通滤波器，但这需要在一阶低通和二阶低通间采用一个缓冲器.为了节省一个运放，可采用如图4所示的三阶低通滤波电路.

本设计采用零极点配置设计其补偿电路，设传感器的二阶模型为:

(2)

替换传感器模型的极点，不动零点，其补偿环节为:

(3)

当确定ξ、ωn后，即可得到补偿环节的模型.

4.2 补偿结果仿真

转折频率fc=50 Hz,Kp=2，其中选取R1=R2=1 kΩ,C1=C2=0.1 μF,ω0=104，ξ=0.707.

幅频及相频特性曲线如图5 (a)所示, 输入单位阶跃后的响应曲线如5(b)所示.

图5(a) 未补偿前的幅频及相频特性曲线 图5(b) 未补偿前的阶跃响应图

图6 补偿后的阶跃响应图

选ξ=0.707，ωn=20 000 rad/s，加补偿环节后的阶跃响应如图6所示.

5 结束语

本文通过对电位计式角位移传感器的原理的分析,设计了电位计式传感器的测试系统，重点设计了模拟滤波器，利用对滤波器参数的调整来提高系统的动态响应特性，分析了它们对系统动态性能的影响，得出了能改善系统动态性能影响的设计方法.仿真结果表明，加补偿环节后，电路的动态性能明显得到了改善.该方法能改善系统的动态响应，提高所测信号的精度.

参考文献

[1] 樊尚春，周浩敏. 信号与测试技术[M]. 北京: 北京航天航空大学出版社, 2002.

[2] 朱明武, 李永新. 动态测量原理[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1993.

[3] 栾桂冬, 张金铎, 金欢阳. 传感器及其应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2002.

[4] 刘正士,汪 骏,陈心昭.一种基于优化的动态补偿滤波器的设计方法[J].信号处理，1998，(1)：107-110.

[5] 楚亚菲, 胡永红, 麻远扬.角位移传感器数据处理算法实现[J].计算机测量与控制，2008，16(8):1 210-1 212.

[6] 车 晴. 电子系统仿真与MATLAB[M]. 北京: 北京广播学院出版社, 2000.