一種LVDT信號調(diào)理電路的設(shè)計

李陽 程陶然

摘要：該文介紹了一種五線制LVDT信號調(diào)理電路的設(shè)計方案，其中包括正弦波激勵電路、整流電路以及濾波電路。通過對該電路方案進行功能測試，結(jié)果表明該設(shè)計方案具有較高的測試精度，并且在理論上可用于其他類型LVDT傳感器信號的調(diào)理，實用性強。

關(guān)鍵詞：LVDT傳感器；整流電路；調(diào)理電路

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0246-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 概述

線性可調(diào)差動變壓器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）是一種常見類型的位移傳感器，可將以機械方式耦合的物體的直線運動轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電氣信號，其主要由鐵芯、初級線圈和次級線圈等部件組成，在工業(yè)控制和航空發(fā)動機控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，其特點是原理和結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、精度和靈敏度較高、具有較強的適用性等特點，線性可調(diào)差動變壓器的輸出信號為兩個線圈的差動電壓信號，能夠?qū)崟r地、高準確性地將機械位移信號轉(zhuǎn)化成電信號。LVDT傳感器信號調(diào)理電路一般包括正弦波激勵信號、LVDT傳感器、全波整流電路以及濾波電路等。本文介紹了一種五線制LVDT傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計。

2 五線制LVDT傳感器

五線制LVDT 傳感器是一種常用的LVDT傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個傳感器主要由鐵芯、初級線圈、次級線圈等組成，工作原理為通過次級線圈VA和VB的振幅來計算鐵芯的位移。當鐵芯處于中間時，VA 和VB的感應(yīng)電動勢相等，此時輸出電壓為0。當鐵芯在線圈內(nèi)部來回移動時，VA和VB的感應(yīng)電動勢不相同，鐵芯位移的大小決定了VA和VB差值的大小，同時VA與VB振幅之間的差和鐵芯位移大小具有線性關(guān)系，所以在實際應(yīng)用中通過VA和VB感應(yīng)電動勢的振幅差值即可計算出鐵芯的在傳感器內(nèi)部的位移變化值[2] [3]。

3 電路設(shè)計方案

本文設(shè)計的LVDT信號調(diào)理電路的原理框圖如圖2所示，該電路主要包括正弦波激勵電路和采集電路。正弦波激勵電路為五線制LVDT傳感器提供正弦波激勵，采集電路的整流部分實現(xiàn)LVDT傳感器輸出信號的全波整流；濾波部分實現(xiàn)對信號及其他耦合到線路中的干擾信號進行隔直和濾波等處理。

3.1正弦波激勵電路

LVDT傳感器的輸入是一路正弦波激勵電路，本文在設(shè)計中采用RC橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生周期性正弦波信號[4]，原理如圖3所示。在電路中，由R1、Rf構(gòu)成負反饋，并聯(lián)的RC電路和串聯(lián)RC電路再串聯(lián)構(gòu)成正反饋，D1、D2是兩個二極管，其具有的非線性可以改變電路啟動到穩(wěn)定工作的負反饋深度。通過調(diào)節(jié)R、C可以調(diào)節(jié)輸出頻率。在實際運用中，使其輸出頻率為3KHz，幅值為7Vrm。

3.2采集電路

本文采用精密全波整流電路[5]實現(xiàn)對正負反饋電壓的采集，以將電壓信號轉(zhuǎn)換為位置信息。如圖4所示，采集電路首先通過一階有源帶通濾波電路進行濾波，然后通過由運放和二極管構(gòu)成的精密整流電路實現(xiàn)交流信號到直流信號的轉(zhuǎn)變，在圖中匹配電阻需要滿足R3=R4=R5=2R7=R9，最后通過一個一階有源低通濾波電路濾除全波整流信號的交流信號，僅保留直流信號。

在圖4中，可以通過調(diào)整R1、C1、C2、R2取值以改變?yōu)V波器的通頻范圍；中間部分的整流電路利用二極管的正向?qū)ㄐ?，將交流信號的負半周信號翻轉(zhuǎn)為正半周信號；在運算放大器A2處置放電容C3，構(gòu)成積分運算電路，最后一級由R10、C4組成的低通濾波器實現(xiàn)濾除全波整流信號的交流信號，僅保留直流信號。在Multisim12中，對采集電路進行模擬仿真，結(jié)果如圖5所示，其中紅色表示輸入到采集電路中的正弦波，綠色表示經(jīng)過整流后的輸出。

4 電路測試結(jié)果

在實際電路測量中LVDT傳感器的行程是通過設(shè)置LVDT的比率來實現(xiàn)，比率設(shè)置為0 ，表示LVDT傳感器位移為0；比率設(shè)置為-1，表示LVDT傳感器位移位于負向最大值；比率設(shè)置為1 ，表示LVDT傳感器位移位于正向最大值。表1為LVDT信號調(diào)理電路的實際測試結(jié)果，從表1中可以看出，本文設(shè)計的調(diào)理電路經(jīng)過測試得到的LVDT比率和設(shè)置的比率之間差異較小，在精度方面控制在0.5%。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種五線制LVDT傳感器信號調(diào)理電路，經(jīng)過對電路測試，結(jié)果表明，本文設(shè)計的電路測量精度高，實用性強，同時在理論上，該電路也可用于其他類型LVDT傳感器信號的調(diào)理。

參考文獻：

[1] 張云青，孫燕明，張秀娟，等. 多通道LVDT 傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計[J].工程與試驗，2012，52（ 2） ： 68-70.

[2] 楊愛民，宋仲康. 基于LVDT 傳感器的圓柱體直徑測量儀的設(shè)計[J].儀表技術(shù)，2005（5）：52-54.

[3] 王浩，趙剛，盧玉芳.基于無損全波整流電路的LVDT信號調(diào)理電路設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017（1）：34-39.

[4] 陳亮，施智星.文氏橋正弦波產(chǎn)生電路淺析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（8）：244-245.

[5] 童師白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2015：382-384.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】