基于新唐M451的LVDT位移測(cè)量儀

陸小飛+孫海燕

摘 要：該文介紹了一種以新唐M451微控制器為核心的LVDT位移測(cè)量儀。測(cè)量儀的信號(hào)調(diào)理電路采用ADA2200同步解調(diào)技術(shù)，將LVDT傳感器的位移信息轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的直流電壓，單片機(jī)M451讀取ADS1232的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果并驅(qū)動(dòng)LCD將位移信息顯示在液晶屏幕上。該位移測(cè)量儀具有線性度高、誤差小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：LVDT 信號(hào)調(diào)理 鎖相放大器 同步解調(diào)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（b）-0062-02

LVDT是一種可以輸出位移信息的傳感器，內(nèi)部由一個(gè)初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈、一個(gè)可自由移動(dòng)的鐵芯以及線圈骨架、外殼等部件構(gòu)成。LVDT工作原理可以等效為一個(gè)鐵芯可動(dòng)的變壓器，在初級(jí)線圈加一個(gè)固定頻率的激勵(lì)信號(hào)，當(dāng)鐵芯位于兩個(gè)次級(jí)線圈中心位置時(shí)，次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓相等，兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓差是零；當(dāng)鐵芯由中間向兩邊移動(dòng)時(shí)，次級(jí)兩個(gè)線圈輸出電壓差與鐵芯位移成線性關(guān)系。由于可移動(dòng)鐵芯和線圈不需直接接觸，LVDT一般可以用于比較嚴(yán)酷的工作環(huán)境[1]。

1 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

LVDT信號(hào)調(diào)理電路的基本工作方框圖如圖1所示。其中ADA2200是一款采用同步解調(diào)器和可調(diào)諧濾波器，可以在噪聲干擾幅度大于信號(hào)幅度的情況下實(shí)現(xiàn)小信號(hào)測(cè)量的芯片[2]。ADA2200的激勵(lì)信號(hào)頻率可通過SPI編程來設(shè)定，輸出的激勵(lì)信號(hào)RCLK用來控制電子開關(guān)ADG794，產(chǎn)生固定頻率的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)LVDT的初級(jí)線圈。LVDT次級(jí)線圈輸出電壓的頻率與激勵(lì)信號(hào)相同，幅度與可移動(dòng)鐵芯的位置有關(guān)。ADA2200采用內(nèi)部的鎖相放大器及可編程濾波器將這個(gè)與位移相關(guān)的特定頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)與鐵芯位移成比例的直流電壓。電路中C7、R9、和R10等元件可降低輸出線圈的Q值，使電路不容易受LVDT輸出線圈電感和電阻的變化影響。R7、C9和R8、C8組成RC濾波器可以進(jìn)一步濾除外部干擾信號(hào)，經(jīng)過濾波后的信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1232。

2 整體電路設(shè)計(jì)

LVDT測(cè)量儀整體系統(tǒng)框圖如圖2所示。主要由前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、主控單片機(jī)、液晶顯示器、按鍵、調(diào)試下載接口以及供電電源等部分構(gòu)成。

2.1 主控制芯片

主控制芯片采用的是新唐M451MLC3AE微控制器。該系統(tǒng)中，M451用于設(shè)置ADA2200、ADS1232的工作狀態(tài)，同時(shí)讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1232輸出的與LVDT位移成線性關(guān)系的數(shù)字信號(hào)，再通過內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算后在液晶顯示器1602A上直接顯示位移值。

2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用的是TI公司的ADS1232，該ADC是一款高度集成的24 bit delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可用于低電平、高精度測(cè)量，特別是廣泛用于衡量器應(yīng)用。此ADC由一個(gè)低漂移、低噪聲的儀表放大器和一個(gè)數(shù)字濾波器組成。內(nèi)部放大器的增益可設(shè)置為1、2、64、128，ADS1232輸出數(shù)據(jù)率可以設(shè)置為10 SPS或80 SPS，10 SPS時(shí)可以同時(shí)抑制50 Hz及60 Hz頻率的干擾信號(hào)，該系統(tǒng)中輸出數(shù)據(jù)率設(shè)置為10 SPS。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證位移測(cè)量儀的工作情況，采用標(biāo)定儀對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測(cè)試，LVDT傳感器采用RDP公司的ACT1000。通過轉(zhuǎn)動(dòng)標(biāo)定儀中的千分尺，LVDT會(huì)產(chǎn)生相同的位移變化。記錄千分尺的位移數(shù)值，同時(shí)讀取LCD顯示的位移值可對(duì)位移測(cè)量儀做驗(yàn)證。

4 結(jié)語

文章根據(jù)實(shí)際工作需要，研制完成了基于新唐M451微控制器的位移測(cè)量儀，并對(duì)電路進(jìn)行了測(cè)量驗(yàn)證。實(shí)測(cè)表明M451配合ADA2200在采用同步解調(diào)的方法處理LVDT位移信號(hào)方面具備一定的優(yōu)勢(shì)，可極大地簡化電路設(shè)計(jì)。檢測(cè)電路精度高、抗干擾能力強(qiáng)，具備一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] The LVDT：construction and principles of operation[EB/OL].http：//www.meas-spec.com.

[2] Synchronous Demodulator and Configurable Analog Filter[EB/OL].http：//www.analog.com.