非接触式线位移传感器及其调理电路的应用

非接触式线位移传感器及其调理电路的应用

王伽

（贵州航天控制技术有限公司，贵州贵阳 550009）

摘要：介绍了一种应用于直线输出式电动伺服机构的非接触式线位移传感器及其解码电路的设计方案，针对LVDT线性位移差分变压器的工作原理及配套调理芯片AD698AP进行了分析，在此基础上对该传感器的调理电路进行了设计，并对其进行了试验验证。

关键词：非接触式位置传感器；LVDT；AD698AP；调理电路

1、前言

与广泛采用的有刷电位计相比，LVDT线性位移差分变压器具有灵敏度高、分辨力小、可靠性高；传感器的输出信号强，有利于信号的传输；重复性好，在一定位移范围内，输出特性的线性度好，并且比较稳定，因此广泛应用于压力、位移传感器的设计制造中，尤其在航空、航天等环境恶劣、环境温度高的领域得到了广泛的应用。本文针对LVDT线性位移传感器（以下简称LVDT）的工作原理及配套调理芯片AD698AP进行了分析，并在此基础上对该传感器的调理电路进行了设计，最终应用于舵机位置伺服控制中。

2、工作原理

2.1、非接触式位移传感器的工作原理

LVDT是一种机械-电子传感器，其输入是铁芯的机械移动，输出是与磁芯位置成正比的交流电压信号。LVDT主要由一个初级线圈和二个次级线圈组成，初级线圈由外部参考正弦波信号源激励，二个次级线圈反向串联。活动铁芯的移动可改变初级线圈之间的耦合磁通，从而产生二个幅值不同的交流电压信号。串联次级线圈的输出电压随着铁芯移离中心位置升高，通过测量输出电压的相位可以判断铁芯移动的方向。

2.2、解码芯片的工作原理

本方案中解码芯片采用美国ADI公司的单片式线性位移差分变压器AD698AP。AD698AP首先驱动LVDT，然后读出LVDT的输出电压并产生一个与磁芯位置成正比的直流电压信号。AD698AP用一个正弦波函数振荡器和功率放大器来驱动LVDT，并用二个同步解调级来对初级和次级电压进行解码，解码器决定了输出电压与输入驱动电压的比率（A/B）。滤波级和放大器可按比较整输出结果。

AD698AP的输入包括二个独立的同步解调通道A和B。B通道用来监测驱动LVDT的激励信号，A通道的作用与之相同，但是它的比较器引脚是单独引出来的。因为在LVDT处于零位的时候，A通道可能达到0V，所以A通道解调器通常由初级电压（B通道）触发。另外，可能还需要一个相位补偿网络给A通道增加一个相位超前或滞后量，比此来补偿LVDT初级对次级的相位偏移。

3、方案设计

3.1、LVDT结构设计

本方案采用分体式LVDT，本体部分安装在中空丝杠内并与舵机壳体固连，铁芯与舵机输出连杆相连，电路部分布置在舵机控制器中。

LVDT采用内置分体式设计，壳体、绕组等部件置于中空丝杠内。铁芯插入壳体内，作为运动部件与舵机输出轴固连，铁芯与壳体的轴向相对位移即为舵机输出轴与舵机壳体的相对位移。

3.2、调理电路的设计

对于LVDT和AD698AP有较为成熟的应用，只需通过外围少量电阻电容即可完成LVDT初级激磁信号、次级信号调理功能，实现带宽、幅值、灵敏度等参数的调整。本方案中，LVDT调理外围电路原理图如图5所示。

图5 LVDT调理外围电路原理图

调理外围电路根据LVDT信号处理的具体要求来计算调整激励、输入信号频率、滤波等功能外围器件的选择，其对应的传递函数为（R2为输出增益电阻)，单路信号调理电路具体参数选择如下：

a)首先确定LVDT所在系统要求机械运动频率Fsys:500Hz(暂定)；

b)选择LVDT最近似最低激磁频率Fexc,一般选Fsys的10倍频作为近似激磁频率即：

                        (2)

c)选择确定激磁电压频率电容C1：

                       (3)

d)根据Fexc选合适的LVDT:行程(d)±32mm、灵敏度(S)6mV/V/mm；

e)确定决定放大器输出电压幅值R1：激励信号电压由电阻R1确定，当激励电压Vexc=2V时，依据激励电压和电阻R1的特征曲线可确定阻值，设计中先用100kΩ，调试获得准确的值后，再采用标准电阻；

f)电容C2、C3、C4是AD698AP位置测量系统要求的频带宽度函数，标称值应为：

                  (4)

g)根据舵机最大位移线性输出±9V电压范围，可计算电阻R2值：

       (5)

根据计算，C1选用0.0068uF的电容，C2、C3、C4选用0.2uF的电容，R1选用阻值100kΩ的电阻，R2选用阻值94kΩ的电阻。

4、试验验证情况

将带LVDT的舵机壳体固定在位移标定工装上，使舵机输出轴做直线运动，实时读取其位移及对应位移的调理电路输出电压。通过MATLAB对数据进行最小二乘法拟合处理，得出位移量x与测量电路输出电压U近似成线性关系，全行程内位移x与电压U的关系可由方程U=0.2367x-0.2268表示；小行程内位移x与电压U的关系可由方程U=0.2362x-0.2197表示。

由公式

                        (6)

可计算出满量程时线性度为0.34%，小行程的线性度为0.45%。

5、结论

作为电机位置的检测装置，从目前的实验结果来看，LVDT的输出的线性度好，并且比较稳定，电路设计简单可靠，可以满足设计需求。

参考文献：

[1] AD698技术手册.AD公司.1995.

[2] 《伺服控制系统中的传感器[M]》．曲家骐，王季秩．北京:机械工业出版社，1999.

[3] 《传感器原理设计与应用》.刘迎春，叶湘滨.国防科技大学出版社，2002：117-123.

1