廖先碧

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 遂寧 629000）

LVDT測(cè)量系統(tǒng)誤差因素分析與補(bǔ)償

廖先碧

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 遂寧 629000）

介紹了差動(dòng)變壓器的工作原理及常用測(cè)量系統(tǒng)，分析了線性差動(dòng)變壓器（LVDT）的兩種常用測(cè)量系統(tǒng)的誤差因素，給出了減小誤差和補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

差動(dòng)變壓器；零點(diǎn)殘余電壓；多器件測(cè)量

位移是機(jī)械量中最重要的參數(shù)，線性差動(dòng)變壓器LVDT位移傳感器是將微小的位移量轉(zhuǎn)換為電量的一種靈敏度較高的傳感器，可用于位移、振動(dòng)、壓力、液位、厚度、溫度、流量等參數(shù)的測(cè)量，現(xiàn)已廣泛用于航空航天、電力、水利、石油、化工、冶金、煤炭、紡織機(jī)械、試驗(yàn)機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域。本文對(duì)線性差動(dòng)變壓器（LVDT）常用的兩種測(cè)量系統(tǒng)的誤差因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，并給出了減小誤差和補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

1 差動(dòng)變壓器（LVDT）的工作原理及測(cè)量系統(tǒng)

線性差動(dòng)變壓器（LVDT）以螺線管形式最為常見，它由一個(gè)初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2a和e2b，當(dāng)鐵芯在中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)繞組互感系數(shù)相同，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，即e2a=e2b，傳感器的輸出u2=e2a-e2b=0，當(dāng)鐵芯隨被測(cè)試件上下（或左右）移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)次級(jí)繞組互感系數(shù)不在相等，u2隨被測(cè)量（位移）變化而變化[1]。由于傳感器輸出的是交流信號(hào)，鐵芯上（左）移時(shí)傳感器的輸出與鐵芯下（右）移時(shí)傳感器的輸出相位相差180°，因此，線性差動(dòng)變壓器（LVDT）的測(cè)量系統(tǒng)有兩個(gè)任務(wù)：測(cè)量位移大小和辨別移動(dòng)方向。

線性差動(dòng)變壓器（LVDT）測(cè)量系統(tǒng)常見的有多器件測(cè)量系統(tǒng)和單芯片測(cè)量系統(tǒng)。多器件測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 LVDT多器件測(cè)量系統(tǒng)組成框圖

單芯片測(cè)量系統(tǒng)是利用單片式集成電路進(jìn)行信號(hào)的測(cè)量與轉(zhuǎn)換， 如 AD公司的 AD598、AD698、NXP公司的NE5521D及SF5520、SJ5521等。單芯片測(cè)量系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 LVDT單芯片測(cè)量系統(tǒng)組成框圖

2 誤差因素分析及補(bǔ)償

2.1 零點(diǎn)殘余電壓及補(bǔ)償

當(dāng)差動(dòng)變壓器的鐵芯處于中間位置時(shí)，由于差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)繞組反向串聯(lián)，理論上兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)該大小相等，相位相反，傳感器的輸出電壓為零，但實(shí)際上，由于制作工藝和材料的因素和電源電壓以及環(huán)境因素的影響，差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓并不為零[2]，這個(gè)不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓的存在使得傳感器輸出特性在零位附近不靈敏、分辨率差、引起非線性誤差，不利于測(cè)量并帶來測(cè)量誤差。因而，零點(diǎn)殘余電壓的大小是評(píng)定差動(dòng)變壓器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)[3]。

在實(shí)際測(cè)試工作中，選擇合適的傳感器，保證傳感器的安裝精度，從而減小鐵芯與線圈的摩擦和選用合適的測(cè)量電路補(bǔ)償是消除零點(diǎn)殘余電壓的最好辦法[4]。

2.2 激勵(lì)電源的影響

差動(dòng)變壓器式傳感器一方面感知被測(cè)位移量的變化，另一方面又是變壓器，因此，它有兩個(gè)輸入，即初級(jí)繞組的激勵(lì)電壓U˙1和被測(cè)位移量x；一個(gè)輸出U˙2。差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)繞組反向串聯(lián)，則其等效電路如圖3所示。

圖3 LVDT等效電路

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為：

由上式可以看出，傳感器的輸出也是電源幅度和頻率的函數(shù)，只有電源的幅度和頻率穩(wěn)定時(shí)，傳感器的輸出才與位移（M1-M2正比于位移）成線性關(guān)系。因此，無論是多器件測(cè)量系統(tǒng)還是單芯片測(cè)量系統(tǒng)，電源的不穩(wěn)定都將引起測(cè)量誤差。

差動(dòng)變壓器式傳感器也是一個(gè)信號(hào)調(diào)制裝置，輸出電壓的波形為幅度隨被測(cè)位移量變化的調(diào)幅波，所以差動(dòng)變壓器的激勵(lì)電壓的頻率不宜太低，否則直接影響系統(tǒng)靈敏度和增加測(cè)量誤差，一般要比被測(cè)位移量的最大變化頻率高出10倍為好；同時(shí)，差動(dòng)變壓器的激勵(lì)頻率也不能太高，頻率太高，線圈的有效電阻增加，磁滯損耗、渦流損耗增加，靈敏度變低，誤差增大。根據(jù)工程上實(shí)際應(yīng)用，一般差動(dòng)變壓器的激勵(lì)電壓最佳頻率范圍選在10kHz左右。

2.3 溫度誤差及補(bǔ)償

溫度變化將使得傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、線圈電阻、線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率發(fā)生變化造成測(cè)量誤差，同時(shí)溫度變化也直接影響電源和測(cè)量電路的輸出造成誤差，采用溫度補(bǔ)償電路和恒流源等方法可有效減小溫度誤差。在單芯片測(cè)量系統(tǒng)中溫度漂移影響則更大，其外接電阻電容選用溫度系數(shù)低的器件之外還需要有外部溫度補(bǔ)償，可在調(diào)零電阻系統(tǒng)中接入熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2.4 解調(diào)電路的影響

差動(dòng)變壓器（LVDT）的測(cè)量電路除了檢測(cè)位移的大小之外還要辨別方向，也就是要辨別放大電路模塊部分輸出信號(hào)的幅度與相位，在多器件測(cè)量系統(tǒng)中通常采用相敏檢波電路或差動(dòng)整流電路來實(shí)現(xiàn)。

相敏檢波電路具有很好的檢波特性和鑒相特性，經(jīng)常作為L(zhǎng)VDT的測(cè)量電路，該電路要求參考電壓與LVDT二次側(cè)輸出的電壓頻率相同，相位相同或相反，還要求參考電壓的幅度值大，一般為信號(hào)電壓的3-5倍。采用兩個(gè)符合條件的電源將使電路復(fù)雜，通常將參考電壓與LVDT的一次側(cè)采用同一激勵(lì)源來實(shí)現(xiàn)，但零點(diǎn)殘余電壓的存在、電磁感應(yīng)和電路分布電容等方面的影響，將使得信號(hào)電壓產(chǎn)生相移，因此電路中往往要加移相器來調(diào)節(jié)相位關(guān)系。當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率改變，激勵(lì)電壓頻率改變以及環(huán)境因素的改變都將產(chǎn)生附加相移，進(jìn)而使電路靈敏度改變產(chǎn)生測(cè)量誤差。

差動(dòng)整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加一電位器即可補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓，對(duì)電路及導(dǎo)線的分布電容和感應(yīng)影響不敏感，且不需要考慮相位方面的影響，因此應(yīng)用十分廣泛，但該電路通常采用整流二極管來實(shí)現(xiàn)，由于二極管存在導(dǎo)通管壓降(0.3～0.7V)，其伏安特性曲線的非線性，因此在小信號(hào)時(shí)將造成較大的測(cè)量誤差。為了補(bǔ)償小信號(hào)失真，可采用由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源精密全波整流電路，該電路可對(duì)微小的信號(hào)（毫伏級(jí)）進(jìn)行全波整流，并且還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

在單芯片測(cè)量系統(tǒng)中，LVDT專用接口芯片與LVDT相連接時(shí)，外加少量的外部無源元件來設(shè)置頻率和增益，在輸出端就可以高靈敏度高精度地得到與被測(cè)位移成線性的直流電平，直流驅(qū)動(dòng)，無需校準(zhǔn)。

只是，在使用專用芯片時(shí)要考慮到芯片與LVDT間的阻抗匹配、電壓匹配和驅(qū)動(dòng)能力等方面的問題，否則將引起較大的測(cè)量誤差；由于是集成芯片，電路在長(zhǎng)時(shí)間工作中會(huì)產(chǎn)生溫漂，帶來測(cè)量誤差，因此還需外加溫度補(bǔ)償。

理解線性差動(dòng)變壓器（LVDT）測(cè)量系統(tǒng)的誤差因素，采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方法，是減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量系統(tǒng)精度和性能的必要措施。

［1］徐科軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2008.

［2］馮柏群.檢測(cè)與傳感技術(shù)[M].人民郵電出版社，2008.

［3］潘學(xué)濤，李塹.差動(dòng)變壓器零殘電壓產(chǎn)生的原因及其補(bǔ)償方法[J].電子元件與材料，2006（7）.

［4］王欣威，幕麗.一種利用差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量振動(dòng)的檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2009（2）.

LVDT Measuring System Error Analysis and Compensation

LIAO Xian-bi
（Sichuan Vocational and Technical College,Suining Sichuan，629000）

Introduces the work principle of differential transformer and the commonly used measuring system,analysis of linear variable differential transformer(LVDT)two kinds of measurement system error factors,are given to decrease the error and compensation method.

Differential transformer；Residual voltage；Multi device measurement

王靜］