基于LVDT的微小位置測量系統設計

摘 要:給出一種基于線性可調差動變壓器(LVDT)的微小位移測量系統。系統以DSP為核心處理器完成對差動變壓器輸出數據的采集，并對數據進行數字濾波處理和分析得到待測微小位移。測試結果表明本設計的測量精度達到0.1 mm，滿足測量銅鋼復合鋼板國標標準的要求。系統適當修改便可應用于旋轉式小型、線形、薄片形精密零件的非接觸式無損位移測量。

關鍵詞:線性可調差動變壓器; 傳感器; 數字信號處理器; 微小位移測量

中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0151-03

Design of Micro-displacement Measurement System Based on LVDT

GUO Min， LI Yue-zhen

(South-Central University for Nationalities， Wuhan 430073， China)

Abstract: A micro-displacement measurement system based on Linear Variable Differential Transformer (LVDT) is proposed， which takes DSP as a core processor， performs output data acquisition of the differential transformer， and processes data with digital filtering and analyses to get the micro-displacement.The measured results indicate that the measurement precision reaches 0.1 mm， which meets GB standard of copper-steel composite plates.The modified system is suitable for the non-contact non-destructive displacement measurement of rotary and small， linear， thin or precise parts.

Keywords: linear variable differential transformer; sensor; digital signal processor; micro-displacement measurement

微小位移測量系統廣泛應用于化工、石油、制藥、制鹽等行業，以銅鋼復合鋼板為例物料厚度標準必須滿足GB13238尺寸標準的規定[1]。本文討論了基于線性可變差動變壓器(LVDT) 的微小位移測量系統設計。系統由一個鐵芯和兩個線圈組成，通過一次線圈與二次線圈弱電磁耦合，使得鐵芯的位移變化量與輸出電壓(電流)變化量呈精密線性關系[2]。電壓信號通過差動放大、取均方根值、數據采集等過程，即由模擬量轉換成便于DSP系統處理的數字量，而后通過DSP的數據處理，可準確的計算出鐵芯的位移量，再將此位移量通過液晶屏顯示。

1 LVDT的測量原理

線性可變差動變壓器(LVDT)主要由一個鐵芯和兩個線圈組成，由于無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，且功耗低，壽命長[3]。LVDT測量裝置示意圖如圖1所示，設原線圈L的激勵電壓為U1，兩個次級線圈L1，L2的感應電壓分別為U21，U22，原線圈與兩個次級線圈的互感系數分別為M1與M2，忽略磁滯渦流和耦合電容，則LVDT的輸出電壓U21，U22，U2的表達式如式(1)~式(3)所示:

21=jωM11(1)

22=jωM21(2)

2=21-22=jω(M1-M2)1(3)

式中:I1為主線圈中勵磁電流;M1與M2在中心位置的一段范圍內與鐵心的位置呈線性關系，那么鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈良好的線性關系[4]。

圖1 LVDT測量裝置示意圖

2 系統硬件設計

根據LVDT的原理，硬件電路主要完成正弦差分信號的產生和LVDT輸出信號的處理。設計采用TI公司的TMS320VC5416作為處理器，完成對信號的采集和處理，并將分析得到的位移量在液晶屏上顯示。系統原理框圖如圖2所示。

圖2 系統原理框圖

系統選用ADI公司的14位并行AD轉換芯片AD7865完成數據的采集，另外擴展一片FLASH芯片SST39VF400用于存儲DSP的程序代碼，同時采用Altera公司的CPLD芯片EPM7128A為外設分配地址和時序控制，使DSP資源充分應用于數據處理[5-7]。

2.1 正弦差分信號產生電路

首先由ICL8038產生100 kHz正弦波信號[8]，然后采用TI公司的全差分結構的放大器THS4503輸出兩路差分信號，再將其直接接到傳感器的原線圈兩端。選取差動放大增益[9]Gain=2，差分放大電路如圖3所示。

2.2 檢波電路

常見的檢波電路有相敏檢波電路、二極管檢波電路等，本設計采用AD公司的精度和可靠性極高的有效值轉換芯片AD637，副線圈輸出電壓經過OP07進行電壓跟隨后輸入AD637，檢波電路如圖4所示。

圖3 差動放大器原理圖

圖4 有效值檢波電路

2.3 A/D轉換電路

AD7865采用內部參考電壓，設置為Vin1A，Vin2A兩通道同時轉換[10]，AD7865的接口電路如圖5所示。

圖5 AD7865的接口電路

其中CS為片選信號;WR，RD分別為讀寫控制信號;CONVST為A/D轉換啟動信號，這些控制信號均由EPM7128A完成。BUSY信號為忙標志信號，轉換期間BUSY信號一直保持高電平，一旦轉換結束，BUSY信號將由高變低。將BUSY經4.7 kΩ電阻上拉后，接到DSP的BIO引腳。

3 軟件設計

系統主程序完成DSP初始化和LCD初始化，在測量界面中，檢測有開始測量健按下后，啟動A/D采樣，然后判斷A/D采樣結束標志位，A/D采樣結束后，對數據進行求平均處理后通過計算得到位移量，主程序流程如圖6所示。

A/D采樣采用查詢方式，BUSY信號變低后讀取數據，每次采樣128點數據后置采樣結束標志。具體過程如采樣流程圖如圖7所示。

圖6 系統主程序流程

圖7 采樣流程

4 結 語

采用香港弘豐量儀有限公司的數顯游標卡尺(精度0.01 mm)對結果進行測試，本設計測量精度達到0.1 mm，而且具有較好的重復性，在中心位置的±35 mm范圍內都具有良好的線性度，滿足測量銅鋼復合鋼板國標標準的要求。適當修改測量線圈，便可應用于其他微小位移測量系統，因此本設計具有較好的應用價值。

參考文獻

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