AD698在RVDT傳感器測量中的應(yīng)用

劉佳昕，劉 軍

（1.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756；2.西安航天動力研究所 陜西 西安 710100）

LVDT表示差動變壓位移傳感器，是一種機電元件，一般由一個鐵芯、一個初級線圈和二個次級線圈組成[1]。外部正弦波信號源激勵初級線圈，通過初級線圈與次級線圈弱電磁耦合，使得鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈精密線性關(guān)系，通過電壓測量即可獲得位移信息。

RVDT（Rotary Variable Differential Transformer）是旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器縮寫，屬于角位移傳感器。

它采用與LVDT相同的差動變壓器式原理，即把機械部件的旋轉(zhuǎn)傳遞到角位移傳感器的軸上，帶動與之相連的鐵芯，通過改變線圈中的感應(yīng)電壓，輸出與旋轉(zhuǎn)角度成比例的電壓信號[2-3]。

RVDT的初級和次級線圈是完全隔離的，為非接觸設(shè)計，具有無限分辨率、使用壽命長，精度高的特點，可實現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動測量，廣泛應(yīng)用于鐵路、航天航空、機械、建筑等領(lǐng)域，實現(xiàn)閥門開度和精密位移的測量和反饋控制。

RVDT傳感器位移檢測電路主要包括激勵信號產(chǎn)生電路和信號調(diào)理電路[2]，傳統(tǒng)的電路設(shè)計采用差動整流電路和相敏檢波電路，這2種測量方法都是用分立電子元件搭成的，電路復(fù)雜，不易調(diào)試。AD698線性位移差分變壓器信號調(diào)理芯片彌補了這方面的缺陷，電路集成度高并且輸出增益可調(diào)。

1 AD698的特點

AD698是美國ADI公司生產(chǎn)的單片式線性位移差分變壓器信號調(diào)理系統(tǒng)。AD698與RVDT/LVDT配合，能夠高精確性、可重復(fù)性的將RVDT/LVDT的機械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698具有RVDT/LVDT檢測電路所有必不可少的電路功能，只要增加幾個外接元源元件來確定激磁頻率和增益，就能把RVDT/LVDT的原始輸出信號轉(zhuǎn)換為一個比例直流信號，消除原邊驅(qū)動的幅度漂移所導(dǎo)致的比例系數(shù)誤差，改善測量的溫度性能和穩(wěn)定性。

AD698的主要特點[4]有：

1）內(nèi)含晶振和參考電壓源，只需附加極少量的無源元件就可實現(xiàn)位置的機械變量到直流電壓的轉(zhuǎn)換，并且無需校準。提供用單片電路來調(diào)理RVDT信號的完整解決方案，其直流電壓輸出正比于RVDT的角度變化；

2）器件的輸入電壓、輸出電壓及頻率適應(yīng)范圍寬；能夠適用于不同類型的RVDT，如半橋式、同名端反相串聯(lián)4線輸出式等；

3）器件能夠產(chǎn)生的激勵信號頻率為20～20 kHz，這個頻率取決于他的外接電容器。其輸出電壓有效值可達24 V，能夠直接驅(qū)動LVDT的初級激磁線圈，LVDT的次級輸出電壓有效值可以低于100 mV；

4）器件采用比值譯碼方案，振蕩器的幅值隨溫度變化不會影響電路的整體性能；

5）輸出激勵源負載能力強，且具有熱保護功能；

6）利用獨特的比率架構(gòu)來消除傳統(tǒng)LVDT接口方法的多個弊端。具有無需調(diào)整；溫度穩(wěn)定性提高；傳感器互換性得以改善的優(yōu)勢。

2 AD698的工作原理

AD698[4]用1個正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器驅(qū)動RVDT，并用2個同步解調(diào)器對初級和次級電壓進行解調(diào)，再通過一個除法電路來計算比率A/B，其后的濾波器和放大器可按比例調(diào)整輸出結(jié)果。輸出放大器測量500 μA的參考電流并把他轉(zhuǎn)化成一個電壓值，從而得到一個與RVDT/LVDT磁芯位置成正比的直流電壓信號，其功能框圖如圖1所示。

圖1 AD698功能框圖Fig.1 Functional block diagram for AD698

AD698產(chǎn)生固定頻率和幅度的正弦激勵信號VEXC，VEXC輸出驅(qū)動RVDT/LVDT初級線圈，并用二個同步解調(diào)級來對初級和次級電壓進行解碼，解碼器決定了輸出電壓與輸入驅(qū)動電壓的比率（A/B），A/B的比值經(jīng)濾波及放大后輸出。

AD698內(nèi)置一個低失真正弦波振蕩器，用來驅(qū)動RVDT/LVDT初級線圈。兩個同步解調(diào)通道用于檢測初級和次邊幅度。該器件將次級邊的輸出除以初邊的幅度，然后乘以一個比例系數(shù)。這樣可以消除初級邊驅(qū)動的幅度漂移所導(dǎo)致的比例系數(shù)誤差，改善溫度性能和穩(wěn)定性。 激勵正弦波的頻率和幅值由一個電阻器和一個電容器決定。輸出頻率在20 Hz～20 kHz可調(diào)，輸出有效幅值在2～24 V可調(diào)。

AD698的輸入包括二個獨立的同步解調(diào)通道A和B。B通道用來監(jiān)測驅(qū)動RVDT/LVDT的激勵信號，A通道的作用與之相同，但是它的比較器引腳是單獨引出來的。因為在RVDT/LVDT處于零位的時候，A通道可能達到0 V，所以A通道解調(diào)器通常由初級電壓（B通道）觸發(fā)。另外，可能還需要一個相位補償網(wǎng)絡(luò)給A通道增加一個相位超前或滯后量，比此來補償RVDT/LVDT初級對次級的相位偏移。

AD698通過同步解調(diào)輸入幅值A(chǔ)（次級線圈側(cè)）和一個固定的參考輸入B（初級線圈側(cè)），消除了所有的偏移影響。

信號被解調(diào)和濾波后，通過一個除法器來計算比率A/B，除法器的輸出是一個矩波信號。當A/B等于1時，矩形波的占空比為100%。輸出放大器測量500 μA的參考電流并把它轉(zhuǎn)化成一個電壓值。當參考電流為500 μA時，AD698輸出的傳遞函數(shù)為：

其中R2為輸出增益電阻。

3 AD698在RVDT傳感器測量中的應(yīng)用

設(shè)計要求實現(xiàn)RVDT傳感器20XXCW-1B精確測量，用于閥門開度的反饋控制。角位移傳感器20XXCW-1B是一種高精度變壓器旋轉(zhuǎn)角位移傳感器，主要技術(shù)指標如下：1）激勵電壓：12 V， 激勵頻率：400 Hz；2） 輸出角度范圍：±40°；3）輸出斜率：0.15±0.008 V/°；4） 線性誤差：不大于 1%。

3.1 設(shè)計實現(xiàn)過程

RVDT傳感器輸出變換后用于A/D采集，A/D輸入范圍為-5～+5 V，RVDT輸出信號需進行必要的調(diào)理。RVDT傳感器的恒定輸出信號VB僅與激勵電壓有關(guān)，正常使用情況下，可不予考慮。電路實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 RVDT測量原理圖Fig.2 Interconnection diagram for RVDT measuring

1）工作電源選擇

電路 采用±15 V 雙電源 工 作 ，6.8 μF 鉭電容 C1、C2和100 nF瓷介電容C3、C4用于正負電源濾波。

2）激勵頻率設(shè)置

fexc=400 Hz激勵信號頻率由 C5確定，C5=35 μF/fexc，所以C5=87.5 nF。

3）激勵電壓設(shè)置

AD698激勵信號電壓由電阻R1確定，當Vexc=12 V時，由Vexc與R1的特征曲線確定：R1阻值在1～2 kΩ之間。

設(shè)計中先用2.5 kΩ電位器代替R1，調(diào)試獲得準確的R1值后，再采用標準電阻。

4）帶寬頻率設(shè)置

C6、C7和 C8確定 AD698帶寬頻率 fSYSTEM，一般要求：

C6=C7=C8=10-4F Hz/fSYSTEM， fSYSTEM=400 Hz/10=40 Hz， 所以C6=C7=C8=2.5 μF。

5）滿量程輸出電壓設(shè)定

傳感器滿量程輸出電壓是傳感器靈敏度S（即輸出斜率），傳感器最大工作范圍d（即輸出角度范圍）和R2的函數(shù)。

對于 20XXCW-1B 傳感器 VOUT=±5 V。 將 S=0.15V/°，d=±40°，得 R2=1.667 kΩ。

6）偏置電壓設(shè)置

當 VOS為正偏置時，R4開路；當不需要設(shè)置 VOS時，R3、R4均開路。在圖2電路中未連接R3、R4。

3.2 跟隨和濾波電路設(shè)計

選用雙運放電路AD708實現(xiàn)AD698輸出信號的跟隨和濾波。

3.3 電路測試結(jié)果

如圖電路，對電路輸入輸出信號進行測試，測試結(jié)果為：

1）fexc=398 Hz；R2=1.8 kΩ 時 激勵電壓 VEXC=11.78 V，滿足傳感器使用設(shè)計要求；

2）信號輸出紋波小于10 mV。信號一致性、重復(fù)性好。

3.4 設(shè)計中應(yīng)注意的問題

為實現(xiàn)適用于各種工作環(huán)境傳感器的正確測量，設(shè)計中應(yīng)注意以下6點：

1）工作電源優(yōu)先選用線性電源。經(jīng)濾波處理的DC/DC輸出電源也能夠?qū)崿F(xiàn)減小信號干擾的目的。電源電壓在滿足器件正常工作要求的同時，電源電壓至少高于信號要求輸出電壓[4]±2.5 V；

2）與激勵信號頻率及信號幅度及信號輸出幅值相關(guān)的阻容器件，應(yīng)選用溫度系數(shù)和精度較高器件；

3）計算獲得的部分阻容器件，如 R1，R2，C5，C6，C7等與標準系列器件不一致，PCB設(shè)計時應(yīng)考慮兩器件串聯(lián)或并聯(lián)應(yīng)用；

4）信號輸出應(yīng)進行濾波處理；

5）AD698激勵信號驅(qū)動能力大于30 mA，滿足遠距離（大于100 m）傳感器激勵需求，但在遠距離情況下，傳感器實際激勵電壓因引線電阻的存在使RVDT傳感器設(shè)計激勵信號減小，因此在這種使用情況下，要考慮傳感器恒定輸出信號的應(yīng)用；

6）RVDT傳感器多用于閥門等控制的反饋測量，實際應(yīng)用中電纜束中信號種類多，應(yīng)采用激勵源的信號獨立屏蔽的電路與RVDT傳感器的信號連接方式，以減小信號的干擾[5-6]。

4 結(jié) 論

采用集成芯片AD698實現(xiàn)RVDT傳感器的測量，可根據(jù)傳感器特性靈活設(shè)置RVDT傳感器激勵信號的頻率和幅值，改變輸出信號范圍和偏置。應(yīng)用中對電路電源、信號濾波以及信號線連接方式的優(yōu)化設(shè)計，極大地減小了信號干擾，實現(xiàn)了RVDT信號的精確測量，為后續(xù)RVDT信號的反饋控制應(yīng)用提供支持。

[1]李勇，張俊安.一種LVDT信號調(diào)理電路的研究[J].微電子學(xué)，2007（3）：321-324.

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[2]劉春梅，冷杰.航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)中LVDT傳感器信號處理及在線故障檢測[J].計測技術(shù)，2008（3）：34-36.

LIU Chun-mei，LENG Jie.Design of inductance displacement transducer circuit system[J].Metrology&Measurement Technology，2008（3）：34-36.

[3]百度百科LVDT[EB/OL].（2010-08-23）.http：//baike.baidu.com/view/1546655.htm

[4]Universal LVDT Signal Conditioner AD698 Data Sheet（Rev.B）[EB/OL].（1995-07].http：//www.analoge.com.

[5]白同云.電磁兼容設(shè)計[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社2003.

[6]Paul Brokaw.AN-202應(yīng)用筆記1C放大器用戶指南.去耦、接地及其他一些要點 [EB/OL]. （2010-01-27）http：//www.analog.com/static/imported-files/zh/application_notes/AN-202_cn.pdf.

[7]呂新良，盧江平，宋曉林.電子式互感器電磁兼容試驗研究[J].陜西電力，2010（12）：80-83.

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