李陽(yáng) 程陶然

摘要：該文介紹了一種五線制LVDT信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)方案，其中包括正弦波激勵(lì)電路、整流電路以及濾波電路。通過(guò)對(duì)該電路方案進(jìn)行功能測(cè)試，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案具有較高的測(cè)試精度，并且在理論上可用于其他類(lèi)型LVDT傳感器信號(hào)的調(diào)理，實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：LVDT傳感器；整流電路；調(diào)理電路

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）10-0246-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 概述

線性可調(diào)差動(dòng)變壓器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）是一種常見(jiàn)類(lèi)型的位移傳感器，可將以機(jī)械方式耦合的物體的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電氣信號(hào)，其主要由鐵芯、初級(jí)線圈和次級(jí)線圈等部件組成，在工業(yè)控制和航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，其特點(diǎn)是原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、精度和靈敏度較高、具有較強(qiáng)的適用性等特點(diǎn)，線性可調(diào)差動(dòng)變壓器的輸出信號(hào)為兩個(gè)線圈的差動(dòng)電壓信號(hào)，能夠?qū)崟r(shí)地、高準(zhǔn)確性地將機(jī)械位移信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。LVDT傳感器信號(hào)調(diào)理電路一般包括正弦波激勵(lì)信號(hào)、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(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。

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(gè)傳感器主要由鐵芯、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈等組成，工作原理為通過(guò)次級(jí)線圈VA和VB的振幅來(lái)計(jì)算鐵芯的位移。當(dāng)鐵芯處于中間時(shí)，VA 和VB的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，此時(shí)輸出電壓為0。當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)部來(lái)回移動(dòng)時(shí)，VA和VB的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不相同，鐵芯位移的大小決定了VA和VB差值的大小，同時(shí)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(shí)際應(yīng)用中通過(guò)VA和VB感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的振幅差值即可計(jì)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(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的LVDT信號(hào)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(lì)電路和采集電路。正弦波激勵(lì)電路為五線制LVDT傳感器提供正弦波激勵(lì)，采集電路的整流部分實(shí)現(xiàn)LVDT傳感器輸出信號(hào)的全波整流；濾波部分實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)及其他耦合到線路中的干擾信號(hào)進(jìn)行隔直和濾波等處理。

3.1正弦波激勵(lì)電路

LVDT傳感器的輸入是一路正弦波激勵(lì)電路，本文在設(shè)計(jì)中采用RC橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生周期性正弦波信號(hào)[4]，原理如圖3所示。在電路中，由R1、Rf構(gòu)成負(fù)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(gè)二極管，其具有的非線性可以改變電路啟動(dòng)到穩(wěn)定工作的負(fù)反饋深度。通過(guò)調(diào)節(jié)R、C可以調(diào)節(jié)輸出頻率。在實(shí)際運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)正負(fù)反饋電壓的采集，以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為位置信息。如圖4所示，采集電路首先通過(guò)一階有源帶通濾波電路進(jìn)行濾波，然后通過(guò)由運(yùn)放和二極管構(gòu)成的精密整流電路實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)到直流信號(hào)的轉(zhuǎn)變，在圖中匹配電阻需要滿足R3=R4=R5=2R7=R9，最后通過(guò)一個(gè)一階有源低通濾波電路濾除全波整流信號(hào)的交流信號(hào)，僅保留直流信號(hào)。

在圖4中，可以通過(guò)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?hào)的負(fù)半周信號(hào)翻轉(zhuǎn)為正半周信號(hào)；在運(yùn)算放大器A2處置放電容C3，構(gòu)成積分運(yùn)算電路，最后一級(jí)由R10、C4組成的低通濾波器實(shí)現(xiàn)濾除全波整流信號(hào)的交流信號(hào)，僅保留直流信號(hào)。在Multisim12中，對(duì)采集電路進(jìn)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(guò)整流后的輸出。

4 電路測(cè)試結(jié)果

在實(shí)際電路測(cè)量中LVDT傳感器的行程是通過(guò)設(shè)置LVDT的比率來(lái)實(shí)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(fù)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L(zhǎng)VDT信號(hào)調(diào)理電路的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，從表1中可以看出，本文設(shè)計(jì)的調(diào)理電路經(jīng)過(guò)測(cè)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(yǔ)

本文介紹了一種五線制LVDT傳感器信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)對(duì)電路測(cè)試，結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電路測(cè)量精度高，實(shí)用性強(qiáng)，同時(shí)在理論上，該電路也可用于其他類(lèi)型LVDT傳感器信號(hào)的調(diào)理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張?jiān)魄?，孫燕明，張秀娟，等. 多通道LVDT 傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)[J].工程與試驗(yàn)，2012，52（ 2） ： 68-70.

[2] 楊?lèi)?ài)民，宋仲康. 基于LVDT 傳感器的圓柱體直徑測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2005（5）：52-54.

[3] 王浩，趙剛，盧玉芳.基于無(wú)損全波整流電路的LVDT信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)[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】