基于LVDT微位移測(cè)量系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李慧妍 姜彪 李榮正 戴國(guó)銀

摘要：針對(duì)現(xiàn)有微位移測(cè)試系統(tǒng)的諸多不足，設(shè)計(jì)了一種基于LVDT的微位移測(cè)量系統(tǒng)。采用線性差動(dòng)變壓器LVDT作為系統(tǒng)位移敏感元件，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的靜態(tài)測(cè)試，并著重對(duì)微位移測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)在量程400內(nèi)，能夠手動(dòng)進(jìn)行任意標(biāo)定，分辨率約為0.1，精度約為2～3，相對(duì)誤差小于4%，線性度可達(dá)0.06%以內(nèi)，時(shí)間穩(wěn)定性約為0.2/h。

關(guān)鍵詞：線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT） 微位移測(cè)量 線性度

隨著科技的發(fā)展，微位移測(cè)量廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事和工業(yè)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的微位移測(cè)量系統(tǒng)存在功能單一、采集通道少、采集速率低、操作復(fù)雜、并且對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高等問(wèn)題。為了解決目前在研的微位移測(cè)量系統(tǒng)普遍受限于測(cè)量精度高、穩(wěn)定性差和系統(tǒng)操作復(fù)雜等問(wèn)題，本系統(tǒng)從傳感器的位移分辨率，可靠性及靈敏度等角度出發(fā)，采用線性差動(dòng)變壓器LVDT作為位移敏感元件，設(shè)計(jì)出了一種基于LVDT的多通道微位移測(cè)量系統(tǒng)，并在搭建的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行了一系列的靜態(tài)測(cè)試。

1 LVDT微位移測(cè)量原理

動(dòng)變壓器LVDT（ Linear Variable Differential Transformer）是指線性可變差動(dòng)變壓器，屬于直線位移傳感器，其模型如圖1所示，當(dāng)正弦波信號(hào)（電壓、電流I-p、頻率f）激勵(lì)LVDT傳感器初級(jí)線圈時(shí)，在LVDT次級(jí)線圈即可得到相應(yīng)的輸出信號(hào)，該信號(hào)隨LVDT感應(yīng)棒在線圈中的位置變化而變化。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LVDT的多通道微位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

在上圖中，微處理器產(chǎn)生的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)有源濾波電路濾波后，將2.5kHz的正弦基波信號(hào)送人平衡驅(qū)動(dòng)單元，進(jìn)而激勵(lì)LVDT傳感器初級(jí)線圈，在LVDT次級(jí)線圈上即可獲得相應(yīng)的輸出電壓信號(hào)，但由于該輸出信號(hào)非常微弱且含有大量噪聲，故通過(guò)儀表放大器和有源帶通濾波器對(duì)信號(hào)中的噪聲進(jìn)行濾除。利用交直流變換單元將交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，微處理器通過(guò)AD采樣單元采集到有效信號(hào)，并轉(zhuǎn)化成感應(yīng)棒在線圈中的位移值，通過(guò)顯示單元將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

該微位移測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括：微處理器電路、電源轉(zhuǎn)換電路、多重反饋有源帶通濾波電路、正弦波激勵(lì)電路、平衡驅(qū)動(dòng)電路、儀表放大器電路、RMS轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理電路、傳感器運(yùn)動(dòng)方向判別單元電路等幾部分，其中圖3和圖4分別為對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度貢獻(xiàn)較大的兩個(gè)電路：RMS轉(zhuǎn)換電路單元和微位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方向判別單元。

RMS轉(zhuǎn)換主要實(shí)現(xiàn)將雙極性正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。本系統(tǒng)采用低成本、低功耗的RMS—_TODC轉(zhuǎn)換器AD8436進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，它可以在很寬的輸入電平和溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換，從而解決系統(tǒng)測(cè)量精度低的問(wèn)題。

傳感器運(yùn)動(dòng)方向判別單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)LVDT傳感器方向的判別。該電路能夠保證微位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的線性可變差動(dòng)變壓器式傳感器的輸入信號(hào)和該方向判別單元所檢測(cè)信號(hào)的相位保持一致，同時(shí)能夠有效防止線性可變差動(dòng)變壓器式傳感器輸入阻抗和輸出阻抗在檢測(cè)過(guò)程中的波動(dòng)，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)測(cè)量精度。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括方波的產(chǎn)生、數(shù)字濾波、AD采樣、按鍵功能子程序等。系統(tǒng)上電后，利用定時(shí)器中斷產(chǎn)生2.5kHz方波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)變換電路轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄐ盘?hào)后，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)LVDT傳感器，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，單片機(jī)利用A/D轉(zhuǎn)換讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并通過(guò)數(shù)字濾波算法和一定的運(yùn)算，得到位移值，根據(jù)系統(tǒng)的顯示模式，將數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在數(shù)碼管上，系統(tǒng)顯示模式可以由按鍵選擇，其軟件流程框圖如5所示。

3 系統(tǒng)測(cè)量與分析

線性度是衡量系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在本實(shí)驗(yàn)中，利用LVDT位移傳感器，使微動(dòng)測(cè)量臺(tái)以步長(zhǎng)10 做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，記錄相應(yīng)的LVDT微位移測(cè)量系統(tǒng)的輸出直流電壓值。通過(guò)MATLAB編程，用基于最小二乘線性擬合算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，并繪出擬合曲線及誤差曲線，分別如圖6和圖7所示。

從圖中可以看出，調(diào)零后該LVDT微位移測(cè)量系統(tǒng)在0- 400量程內(nèi)，實(shí)測(cè)曲線和線性擬合曲線基本完全重合，靈敏度約為2.9V/mm，相對(duì)誤差小于4%，最大絕對(duì)誤差為4mV，經(jīng)計(jì)算可得系統(tǒng)線性度（非線性誤差）小于0.0.6%，說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度。

另外，由圖7中的b和c可知，經(jīng)調(diào)零電路校正以后誤差曲線更加均勻，此時(shí)輸出的非線性誤差主要來(lái)自測(cè)量過(guò)程中的人為誤差、測(cè)試儀器本身的誤差、外界干擾引起的誤差、系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性引起的誤差等，這些誤差因?yàn)榫哂须S機(jī)性，因此無(wú)法通過(guò)調(diào)零電路進(jìn)行消除。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于LVDT的微位移測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)線性度、穩(wěn)定性和測(cè)量誤差進(jìn)行了測(cè)試并分析， 實(shí)驗(yàn)表明了該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高和穩(wěn)定性好，具有較高的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。

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