軸承檢測儀器中LVDT傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

楊晨，江純清，吉智軍

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039）

線性可變差動(dòng)變壓器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）傳感器廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械部件的尺寸測量中，其具有可靠性高、使用壽命長、靈敏度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，在軸承行業(yè)中經(jīng)常用于軸承公差等尺寸的測試。

傳感器需要激勵(lì)源，其輸出信號需要經(jīng)過整流、檢波處理，從而提取出位移信號。傳統(tǒng)的LVDT電路由集成運(yùn)算放大器等電子器件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量的穩(wěn)定性及精度難以提高。為此，設(shè)計(jì)了一款基于AD698集成信號處理芯片的信號調(diào)理電路。

1 LVDT傳感器

LVDT產(chǎn)生的交變電壓輸出信號與其鐵芯的位移成正比。如圖1所示，LVDT的不銹鋼內(nèi)殼中有1個(gè)初級線圈及對稱分布在其兩側(cè)的2個(gè)次級線圈，通過桿狀鐵芯的左右移動(dòng)，改變兩邊線圈的電感，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。

圖1 LVDT機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of LVDT

如圖2所示，當(dāng)通過外部交流電源給初級線圈通電后，2個(gè)次級線圈中將產(chǎn)生極性相反的電壓，2個(gè)電壓之差即為LVDT的凈輸出值。當(dāng)鐵芯位于中間位置（零位）時(shí)，2個(gè)次級線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢相等，極性相反，輸出電壓為零；當(dāng)鐵芯離開零位，鐵芯移動(dòng)方向上次級線圈的感應(yīng)電壓增加，同時(shí)另一側(cè)線圈的感應(yīng)電壓相應(yīng)降低，于是產(chǎn)生了極性與鐵芯趨向的次級線圈極性相同的輸出電壓。輸出電壓的大小取決于位移量的大小。需要注意的是，LVDT必須工作在線性范圍內(nèi)，即鐵芯的運(yùn)動(dòng)不能超出線圈機(jī)構(gòu)范圍，否則將產(chǎn)生非線性值［1］。

圖2 LVDT工作原理Fig.2 Working principle of LVDT

2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，信號調(diào)理電路主要由AD698信號轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大電路、濾波輸出電路、量程切換電路組成。LVDT傳感器輸出交流電壓信號的電壓值與傳感器磁芯位置成正比，AD698信號轉(zhuǎn)換電路將交流電壓轉(zhuǎn)換為與傳感器移動(dòng)位置成正比的直流電壓信號。直流電壓信號經(jīng)運(yùn)算放大電路放大后，再經(jīng)過濾波輸出電路將高頻干擾濾除，送入A／D卡處理后由計(jì)算機(jī)軟件輸出數(shù)值；同時(shí)，計(jì)算機(jī)通過I／O卡控制量程切換電路，改變運(yùn)算放大電路的放大倍數(shù)，使輸出電壓信號適應(yīng)不同量程，直觀顯示出位移數(shù)值。

圖3 電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of circuit construction

2.1 AD698信號轉(zhuǎn)換電路

AD698是一種完整的單芯片LVDT信號處理子系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。AD698內(nèi)置的低失真的正弦波振蕩器用來驅(qū)動(dòng)LVDT初級線圈；2個(gè)同步解調(diào)通道用于檢測初級線圈和次級線圈的幅度。AD698將次級線圈的輸出幅度除以初級線圈的幅度并乘以一個(gè)比例系數(shù)，消除了初級線圈幅度漂移所導(dǎo)致的比例系數(shù)誤差，能夠改善信號處理芯片的溫度性能和穩(wěn)定性［2］。

圖4 AD698工作原理Fig.4 Working principle of AD698

設(shè)計(jì) LVDT選用 DGC-6PG／A型旁向傳感器，激勵(lì)頻率約10 kHz，激勵(lì)電壓的有效值為2 V，靈敏度為70 mV·V-1·mm-1，總行程為1.5 mm。針對該傳感器的特性設(shè)計(jì)了基于AD698芯片的信號轉(zhuǎn)換電路，如圖5所示。

圖5 AD698信號轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Signal conversion circuit based on AD698

在電路中，AD698采用了±9 V雙電源供電，外接無源元件決定的參數(shù)有激勵(lì)電壓的頻率和有效幅值、AD698系統(tǒng)頻帶寬、增益系數(shù)及偏置調(diào)零。選擇這些參數(shù)及無源外接元件的步驟如下：

1）通過激勵(lì)信號頻率決定C1，即

式中：f為激勵(lì)電壓的頻率，由預(yù)選的LVDT傳感器決定。在本例中，確定激勵(lì)電壓的頻率為10 kHz，根據(jù)（1）式計(jì)算出 C1＝3 300 pF。

2）通過激勵(lì)電壓幅值 VEXC決定 R1，通常，當(dāng)VEXC≥24 V時(shí)，10Ω≤R1≤100Ω；當(dāng)12 V≤VEXC≤24 V時(shí)，0.1 kΩ≤R1≤1 kΩ；當(dāng)5 V≤VEXC≤12 V時(shí)，1 kΩ≤R1≤10 kΩ；當(dāng)0≤VEXC≤5 V時(shí)，10 kΩ≤R1≤100 kΩ。根據(jù)本設(shè)計(jì)中的傳感器參數(shù)及反復(fù)試驗(yàn)，取 R1＝13 kΩ時(shí)效果最好［3］。

3）C2～C4決定了AD698的系統(tǒng)頻帶寬度fs，一般情況下［3］

本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)帶寬選定為250 Hz，根據(jù)（2）式及試驗(yàn)結(jié)果，確定C2＝C3＝C4＝0.47μF。

4）R5，R6為偏置調(diào)零電阻，若調(diào)節(jié)正偏置，則令 R5斷路，反之，令R6斷路［3］。試驗(yàn)中通過示波器觀察零位波形，需調(diào)節(jié)正偏置，因此令R6＝3 kΩ，R5斷路。

5）R2用來設(shè)定AD698的放大倍數(shù)和電壓輸出范圍，其計(jì)算公式為

式中：Vout為AD698輸出直流電壓的最大絕對值；S為傳感器靈敏度；D為LVDT傳感器從零位到滿量程的行程距離。設(shè)計(jì) Vout＝5 V，D＝0.4 mm，S＝70 mV·V-1·mm-1，計(jì)算得 R2＝360 kΩ。

2.2 運(yùn)算放大電路

運(yùn)算放大電路可將AD698輸出的直流電壓進(jìn)一步調(diào)整和放大，使之適用于不同的量程。由上文可得，傳感器行程為0.4 mm時(shí)，Vout＝5 V，如果使用量程變?yōu)椤?.2 mm，則AD698最大輸出的電壓Vout只有±2.5 V，沒有充分利用A／D卡±5 V的模擬電壓轉(zhuǎn)換精度，因此用運(yùn)算放大電路將Vout放大2倍后再送入16位的A／D卡，測量精度可達(dá)到0.01μm。

基本運(yùn)算放大電路如圖6所示，輸出電壓Vo與輸入電壓Vi的關(guān)系為

圖6 運(yùn)算放大電路Fig.6 Operational amplifier circuit

式中：Rf與Ri的比值為運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)，設(shè)計(jì)中取Ri＝10 kΩ，只需改變Rf即可改變電路的放大倍數(shù)。

2.3 量程切換電路

由2.2節(jié)可知，只要改變Rf的阻值就能改變電路的放大倍數(shù)，從而適應(yīng)不同量程的需要。因此，設(shè)計(jì)了量程切換電路：計(jì)算機(jī)發(fā)出數(shù)字信號控制繼電器的通斷，使不同阻值的Rf接入電路，每種阻值對應(yīng)一個(gè)量程，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制信號調(diào)理電路量程的切換。如圖7所示，當(dāng)Rf1接入電路時(shí)，運(yùn)算放大器的放大倍率為2，對應(yīng)的量程為前級AD698電路設(shè)定滿量程的1／2；當(dāng)繼電器斷開Rf1通路，將Rf2接入電路，運(yùn)算放大器的放大倍率變?yōu)?，對應(yīng)的量程為前級AD698電路設(shè)定滿量程的1／3。圖中僅顯示了2路量程的切換，只要增加繼電器的數(shù)量，就可實(shí)現(xiàn)更多路量程的切換。

圖7 量程切換電路Fig.7 Range switch circuit

2.4 濾波輸出電路

因放大后的直流電壓含有高頻成分，影響采樣電壓的穩(wěn)定度，因此在電壓信號送入A／D卡前增加了一個(gè)無限增益多路反饋二階低通濾波電路，如圖8所示。該電路將高于截止頻率f0的信號濾除，使低于截止頻率的信號通過，相比一般的濾波電路有效提高了高頻衰減斜率和截止頻率附近的頻率特性幅度，避免了自激震蕩的產(chǎn)生，有效地降低了高頻信號對輸出信號的干擾。

圖8 低通濾波電路Fig.8 Low pass power filter Circuit

無限增益多路反饋二階低通濾波電路的主要參數(shù)有截止頻率f0，通帶放大倍數(shù)Au和品質(zhì)因數(shù)Q，根據(jù)這3個(gè)參數(shù)可以確定其他的元件參數(shù)。

通帶放大倍數(shù)Au的表達(dá)式為

因之前運(yùn)算放大電路放大倍數(shù)已根據(jù)量程確定，所以設(shè)定通帶放大倍數(shù)的絕對值為1，根據(jù)（5）式得出 Rf＝Rl。

品質(zhì)因數(shù)Q和截止頻率f0分別為

3 結(jié)束語

基于AD698的LVDT信號調(diào)理電路已應(yīng)用于軸承旋轉(zhuǎn)精度儀、凸出量測量儀、圓柱度測量儀等多種儀器，長期實(shí)際使用表明該電路的芯片溫度穩(wěn)定、輸出信號漂移很小、量程切換簡單方便，測試精度和穩(wěn)定性也有顯著提高。