4線制LVDT傳感器雙余度調(diào)理電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

王 浩，馮健朋，楊恒輝

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)載設(shè)備功能越來越復(fù)雜，如何提高機(jī)載設(shè)備的可靠性，成為了機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)的重要問題[1]。線性可調(diào)差動變壓器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT )是一種用來測量位移的電感傳感器，與其他位移傳感器相比，具有無接觸測量、無限分辨率、堅(jiān)固耐用、零位可重復(fù)性、精度高、可靠性高、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]，因此，對LVDT傳感器調(diào)理電路的可靠性提出了更高的要求，使用高質(zhì)量等級的元器件是提高可靠性的最直接辦法，但受制于元器件設(shè)計(jì)、制造工藝的限制，元器件級別的可靠性提升潛力有限。多余度設(shè)計(jì)是機(jī)載設(shè)備提高可靠性的有效方法，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時，能自動檢測與診斷，并對故障通道進(jìn)行隔離，使用備份通道恢復(fù)設(shè)備的功能，因此多余度設(shè)計(jì)可以克服元器件可靠性提升的限制[3]。綜合考慮設(shè)備體積、功耗及成本等因素，本研究四線制的LVDT傳感器調(diào)理電路采用雙余度架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

四線制LVDT傳感器包括一個初級線圈、兩個次級線圈和鐵磁芯體，線圈軸向放置并且纏繞到圓柱形腔體上，鐵磁芯體無接觸裝在圓柱腔體內(nèi)并且用來恒量被測物體的位移[4-6]。鐵磁芯體為初級線圈和次級線圈磁通量提供了一個低磁阻路徑，鐵磁芯體位置變化會引起磁阻的變化，進(jìn)而影響次級線圈輸出電壓的變化。四線制LVDT傳感器中兩個次級線圈反向串聯(lián)到一起，共引出四根線，傳感器的具體形式如圖1所示。

圖1 四線制LVDT傳感器結(jié)構(gòu)

四線制LVDT傳感器激勵一般為正弦信號，次級端感應(yīng)的信號也為正弦信號，處理器無法對其直接處理，需要專門的電路將其調(diào)理成直流電壓信號。國內(nèi)外學(xué)者對LVDT傳感器調(diào)理電路及方法進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[7]提出了一種五點(diǎn)估算正弦信號幅值的方法，不需將LVDT傳感器次級端的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，實(shí)現(xiàn)了使用中速器件完成LVDT傳感器信號調(diào)理；而文獻(xiàn)[8]提出了一種根據(jù)模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)正弦信號全波整流的方案，再通過低通濾波可實(shí)現(xiàn)將LVDT傳感器次級端的交流信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號；而文獻(xiàn)[9]利用精準(zhǔn)相位匹配的方式實(shí)現(xiàn)了LVDT傳感器次級端交流信號幅值信息的提取。以上LVDT調(diào)理電路均采用單通道實(shí)現(xiàn)，未考慮故障系統(tǒng)的影響，無法滿足機(jī)載電子設(shè)備高安全性要求。該文提出了一種LVDT傳感器信號雙余度調(diào)理電路，并且經(jīng)過實(shí)際的工程驗(yàn)證，具有較廣的應(yīng)用價值。

1 調(diào)理電路說明

1.1 LVDT傳感器工作原理

圖2為四線制LVDT傳感器的雙余度調(diào)理電路原理框圖，其中LVDT傳感器包括一個初級線圈LP和兩個次級線圈LS1和LS2，交流激勵Vex=A*sin(ωt)施加到初級線圈LP上，當(dāng)鐵磁芯體向上移動L時[10]，則次級線圈LS1和LS2產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢VA和VB分別表示為：

圖2 LVDT傳感器雙余度調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖

VA=K*A*sin(ωt)*(Lzero-L)

(1)

VB=K*A*sin(ωt)*(Lzero+L)

(2)

式中：

K——LVDT傳感器初級線圈與次級感應(yīng)系數(shù)；

Lzero——LVDT傳感器鐵磁芯體的參考零位；

L——鐵磁芯體相對于參考零位的位移。

對于四線制LVDT傳感器來說，LVDT傳感器次級輸出電壓VO可表示為：

VO=VB-VA=2*K*A*sin(ωt)*L

(3)

四線制LVDT傳感器輸出電壓VO和激勵電壓Vex的比值可表示為：

VO/Vex=2*K*L

(4)

由公式(4)可看出，LVDT傳感器相對于參考零位的位移L大小正比于次級輸出信號VO幅值和激勵Vex幅值的比值，當(dāng)L為正向位移時，LVDT傳感器次級輸出信號VO與初級激勵Vex同相位；當(dāng)L為負(fù)向位移時，LVDT傳感器次級輸出信號VO與初級激勵Vex相位差180°。

1.2 某集成LVDT調(diào)理芯片工作原理

某集成LVDT調(diào)理芯片是完整的四線制LVDT傳感器調(diào)理模塊，可以較高精度和可重復(fù)性將LVDT傳感器位移信息轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，可通過配置偏移將輸出的直流電壓設(shè)置為單極性和雙極性電壓，直流電壓正比于LVDT傳感器位移[11]。某集成LVDT調(diào)理芯片內(nèi)部原理框圖如圖3所示，A通道輸入端接入的正弦交流信號與A通道同步輸入端接入的信號完全同步和反相時，該集成芯片內(nèi)部的全波整流電路才能正常工作，通過低通濾波才能得到與A通道輸入端正弦交流信號的幅值成正比的直流電壓，進(jìn)而才能得到A通道輸入端正弦交流信號與B通道輸入端的交流信號幅值的比值信息。因此A通道輸入端信號與A通道同步輸入端接入的信號是否同步是該集成芯片能否正常工作的前提。

本文采用聚類分析方法對不同載荷分布比例的車輛進(jìn)行區(qū)分，聚類后同類數(shù)據(jù)盡可能地聚集到一起，不同類的數(shù)據(jù)盡量分離，以找到隱含的規(guī)律。聚類算法的選擇取決于數(shù)據(jù)的類型和聚類的目的。K-均值(K-Means)是劃分方法中比較經(jīng)典的聚類算法,效率較高，廣泛應(yīng)用于大規(guī)模數(shù)據(jù)的聚類。

圖3 某集成LVDT調(diào)理芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1.3 LVDT傳感器雙余度調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖2為提出的LVDT傳感器雙余度調(diào)理電路的原理框圖，主要包括防護(hù)濾波電路、通道切換電路、兩通道LVDT調(diào)理電路、激勵幅值檢測電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。由于兩通道LVDT調(diào)理電路需對同一個LVDT傳感器信號進(jìn)行調(diào)理，為保證可靠性，兩片LVDT調(diào)理電路輸出的激勵之間不能短路，故需通過通道切換電路對兩通道LVDT調(diào)理電路輸出的激勵信號進(jìn)行選擇。當(dāng)LVDT調(diào)理電路A為主調(diào)理通道時，CPU輸出的通道切換控制信號CFL_CHCV令單刀雙擲開關(guān)S1、S2上端與輸出端短接，則施加到LVDT傳感器的初級線圈激勵來自于LVDT調(diào)理電路A；同理，當(dāng)LVDT調(diào)理電路B為主調(diào)理通道時，CPU輸出的通道切換控制信號CFL_CHCV令單刀雙擲開關(guān)S1、S2下端與輸出端短接，則施加到LVDT傳感器的初級線圈激勵來自于LVDT調(diào)理電路B。

為保證兩通道LVDT調(diào)理電路能夠正常工作及消除兩片LVDT調(diào)理電路激勵不同帶來的調(diào)理誤差，單刀雙擲開關(guān)S1、S2輸出端同時與兩通道LVDT調(diào)理電路的BIN端與ACOMP端相連，LVDT傳感器的次級輸出信號經(jīng)過防護(hù)濾波電路后直接與LVDT調(diào)理電路的AIN端相連，此時兩通道LVDT調(diào)理電路輸出電壓與LVDT傳感器的位移L成正比，CPU經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路得到LVDT傳感器位移信息。同時CPU還監(jiān)控兩通道LVDT調(diào)理電路輸出的交流激勵幅值，當(dāng)檢測到主調(diào)理通道的LVDT調(diào)理電路輸出的激勵幅值異常時，CPU通過輸出通道切換控制信號實(shí)現(xiàn)主控/備份通道切換控制，并忽略故障LVDT調(diào)理電路輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了故障屏蔽及電路恢復(fù)功能設(shè)計(jì)。

1.3.1 通道切換電路設(shè)計(jì)

通道切換電路由2個單刀雙擲模擬開關(guān)構(gòu)成，單刀雙擲開關(guān)選擇某型集成芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片內(nèi)部集成了4路單刀雙擲開關(guān)，導(dǎo)通電阻最大為35 Ω，導(dǎo)通時間不超過175 ns，斷開時間不超過145 ns，單路開關(guān)持續(xù)通過電流不超過25 mA。通道切換電路原理如圖4所示。為保證電路系統(tǒng)可靠性，提高通過模擬開關(guān)電流的上限，該文采用將兩個單刀雙擲開關(guān)并聯(lián)的方案，將兩個開關(guān)的輸入端與輸出端分別短接，且都由通道切換控制信號CFL_CHCV控制。并聯(lián)后，驅(qū)動電流可達(dá)到50 mA，滿足LVDT傳感器激勵驅(qū)動電流的要求。

圖4 通道切換電路原理

1.3.2 LVDT調(diào)理電路設(shè)計(jì)

LVDT調(diào)理電路A和LVDT調(diào)理電路B設(shè)計(jì)完全相同，以LVDT調(diào)理電路A為例對該電路設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。LVDT調(diào)理電路A基于某集成LVDT調(diào)理芯片實(shí)現(xiàn)[12]，ACOMP與BIN均與LVDT_B+及LVDT_B-相連，而LVDT傳感器輸出信號POSA及POSB與AIN端相連。根據(jù)該LVDT調(diào)理集成芯片手冊可知，可通過外圍電阻配置正弦激勵信號EXC+_A及EXC-_A的幅值，通過電容設(shè)置正弦激勵信號EXC+_A及EXC-_A的頻率，LVDT測量系統(tǒng)的帶寬也可通過電容配置。該研究配置的激勵信號幅值有效值4.1 Vrms，激勵信號頻率為3 kHz，測量系統(tǒng)的帶寬為1.062 kHz。

1.3.3 幅值檢測電路設(shè)計(jì)

在對LVDT傳感器信號進(jìn)行調(diào)理的過程中，LVDT調(diào)理電路需要為LVDT傳感器提供激勵，功耗較大，LVDT調(diào)理電路輸出激勵異常是最常見的故障，因此檢測激勵信號幅值是否正常，并且切換到備份通道來保證調(diào)理電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 幅值檢測電路原理

2 電路通道切換邏輯設(shè)計(jì)

四線制LVDT傳感器調(diào)理電路具有兩個完全相同的通道，同時采集LVDT傳感器位置信息，其中主控通道能夠?yàn)長VDT傳感器提供激勵信號，備份通道處于熱備份狀態(tài)，當(dāng)CPU檢測到主控通道發(fā)生故障且備份通道正常時，可以切換到備份通道輸出激勵信號[14]。通道切換邏輯如表1所示。

表1 通道切換邏輯

此外，當(dāng)兩通道均未發(fā)生故障時，為平衡兩通道間主控次數(shù)，保證兩個通道調(diào)理電路的元器件壽命保持一致，采用通道輪值的方式進(jìn)行通道切換。若上一次產(chǎn)品上電為有效上電(可通過判斷上電持續(xù)時間是否大于某一固定閾值)，并且備份通道激勵沒有故障，則令上個周期備份通道為本周期主控通道。

3 電路驗(yàn)證

為充分表明提出的LVDT傳感器雙余度調(diào)理電路的功能和性能，制作了工程樣機(jī)和測試臺對其進(jìn)行驗(yàn)證。其中測試臺主要基于LVDT仿真卡和工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，LVDT仿真卡型號為PCI-4104，支持16位分辨率、8通道(支持4線制/5線制)輸出仿真功能，允許的激勵源范圍400 Hz～10 kHz，幅值范圍為2 Vrms～7 Vrms，輸出和激勵之間相位差不超過1°，輸出信號穩(wěn)態(tài)精度在全量程范圍內(nèi)不超過0.1%。將PCI-4104插入到工控機(jī)中，開發(fā)上位機(jī)軟件對該仿真卡進(jìn)行驅(qū)動控制，上位機(jī)輸入不同的比率λ來模擬LVDT傳感器的不同位移[15]。

3.1 通道切換功能驗(yàn)證

在提出的電路工作過程中，令CPU輸出切換指令對通道切換功能進(jìn)行驗(yàn)證。圖6所示為通道切換功能的驗(yàn)證結(jié)果，自上向下分別為圖2中的A通道激勵信號EXC_A+、B通道激勵信號EXC_B+、通道切換控制信號CFL_CHCV、通道切換電路輸出信號LVDT_B+、A通道輸出的調(diào)理電壓信號和B通道輸出的電壓信號，在開始時，A通道為主控通道，在0.5 s左右對通道進(jìn)行切換，令B通道為主控通道，在2.1 ms處再次進(jìn)行通道切換。從圖6中可以看出，在CPU輸出切換指令后，本電路可快速進(jìn)行通道切換，主控通道及備份通道的采集結(jié)果基本可保持不變，保證了本電路的穩(wěn)定可靠。

圖6 通道切換功能驗(yàn)證

3.2 LVDT傳感器調(diào)理功能驗(yàn)證

將圖2中的通道切換信號CFL_CHCV輸出高電平，A通道處于主控通道，通過上位機(jī)設(shè)置PCI-4104不同的比率λ來模擬LVDT傳感器的位移，工程樣機(jī)A通道、B通道采集調(diào)理電路輸出電壓與上位機(jī)設(shè)置比率λ，此時采集的最大誤差如圖7所示。

圖7 A通道主控采集誤差

設(shè)置通道切換信號CFL_CHCV輸出低電平，B通道處于主控通道，此時采集的最大誤差如圖8所示。

圖8 B通道主控采集誤差

3.3 電路測試結(jié)果

由以上驗(yàn)證結(jié)果可知，本研究設(shè)計(jì)的LVDT傳感器雙余度調(diào)理電路可實(shí)現(xiàn)快速通道切換功能，在切換過程中對采集結(jié)果基本無影響，可保證調(diào)理電路的正常工作，大大提高了系統(tǒng)可靠性。當(dāng)A通道主控時，A通道誤差最大為-0.24%，B通道誤差最大為-0.3%；而B通道主控時，A通道誤差最大為0.35%，B通道誤差最大為-0.5%。

由此可知，不同通道主控對電路輸出精度影響不大，調(diào)理精度至少可達(dá)到-0.5%，滿足了精密位移測試系統(tǒng)要求。

4 結(jié)束語

該文提出了一種LVDT傳感器雙余度調(diào)理電路，并基于激勵信號幅值檢測結(jié)果實(shí)現(xiàn)通道切換邏輯設(shè)計(jì)，為平衡兩通道的元器件壽命，提出了輪值的切換策略，大大提高了調(diào)理電路的可靠性。搭建了驗(yàn)證平臺對該電路進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明可實(shí)現(xiàn)通道快速切換功能，并且切換過程對采集結(jié)果基本無影響，雙通道信號調(diào)理精度高，適合可靠性要求高的機(jī)載設(shè)備使用要求。后續(xù)可對故障檢測內(nèi)容繼續(xù)完善，比如可通過檢測兩通道輸出結(jié)果的變化率及范圍來判斷電路是否存在故障。