基于AD698的線性差動式位移傳感器解碼電路設計

王 寬，宮海波

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

基于AD698的線性差動式位移傳感器解碼電路設計

王 寬，宮海波

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

線性差動式位移傳感器(LVDT)由于其靈敏度高、線性度好、分辨率高、壽命長、可靠性高等優點，已廣泛應用于機載測試系統中；為了設計出精度高，穩定性好，能夠滿足機載測試需求的LVDT傳感器解碼電路，分析了LVDT傳感器磁芯位移與輸出電壓信號的關系，研究了AD698的內部解調原理，設計出了基于AD698的信號解碼電路；該電路通過外圍元器件產生傳感器所需的激勵信號，并對激勵信號和傳感器輸出信號進行解調得到與傳感器磁芯位移成正比的直流電壓；最后通過實驗驗證該電路具有結構簡單、穩定性高、精度高的優點，能夠滿足機載測試的要求，且該電路已經過高低溫和振動試驗，并成功應用于機載測試采集系統中。

線性差動；LVDT；AD698；解碼電路

0 引言

線性差動式位移傳感器(LVDT)能夠將機械位移轉換成電信號，具有靈敏度高、線性度好、分辨率高等諸多優點[1-3]，已廣泛應用于機載測試中，其作用是采集駕駛桿、方向舵、腳蹬、艙門變形等位移信號[4-5]。傳統的LVDT輸出信號解調方法是采用差動輸入整流電路和相敏電路，這兩種方法電路復雜，容易受干擾且不易調試[6]。

針對以上兩種解調電路復雜，精度差的不足，本文設計了一種基于AD698的LVDT信號解調電路。該電路通過簡單的外圍元器件產生LVDT傳感器所需的激勵信號，并對激勵信號和傳感器輸出信號進行解調，得到與傳感器磁芯位移成正比的直流電壓信號。該電路具有結構簡單，應用元器件較少，可靠性好等優點。最后通過實驗驗證該解碼電路精度高，能夠滿足機載測試的精度要求；同時該電路經過高低溫和振動試驗，能夠滿足機載測試的穩定性要求。

1 LVDT傳感器工作原理

LVDT是一種直線位移傳感器[7]，它由一個初級線圈、兩個反向串聯的次級線圈及鐵芯組成，鐵芯可在一定線性范圍內自由移動，鐵芯的移動可改變初級線圈對次級線圈的耦合磁通，進而改變傳感器的輸出電壓[8,9]，其等效電路圖如圖1所示。

圖1 LVDT等效電路圖

圖1中，L1和R1為初級線圈的等效電感和等效電阻；L21，L22和R21，R22分別為兩個次級線圈的等效電感和等效電阻，M1、M2分別為初級線圈L1對兩個次級線圈L21和L22的互感系數。

若忽略電阻，當在初級線圈上施加一個激勵電壓為u(t)=Usint(wt)的信號，則線圈上產生的電流為i(t)=-Icos(wt)[10-11]，根據互感原理，兩個次級線圈上產生的電動勢分別為：

(1)

(2)

此時輸出電壓U0=E1-E2，當鐵芯處于中心位置時，初級線圈對兩個次級線圈的互感系數相等即M1=M2=M，則輸出電壓U0=0[12]。

當鐵芯位移變化x時，初級線圈對次級線圈的互感變化為：

ΔM=Kx

(3)

K為耦合系數。

則M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

此時兩個次級線圈上產生的電動勢分別為：

(4)

(5)

則傳感器輸出電壓為：

U0(t)=E1-E2=2KxIwsin(wt)

(6)

由式(6)可知LVDT傳感器磁芯運動的位移和方向可以通過輸出電壓U0的幅值大小和極性來表示。

2 AD698芯片解調原理

AD698芯片內部結構框圖如圖2所示，可見AD698內部包含一個固定輸入通道B和一個同步解調輸入通道A。LVDT傳感器輸出信號進入通道A，激勵信號進入與通道A相連的比較器，比較器輸出的方波信號與A通道信號相乘，獲得全正或者全負的整流信號，再經過低通濾波器，獲得直流信號。LVDT傳感器的激勵信號進入通道B，與通道B相連的比較器對自身信號進行比較獲得方波信號，與激勵信號相乘獲得全正值的整流信號，再經過低通濾波器，獲得直流信號。A、B通道輸出的直流信號進入除法器，再經過調幅電路即可獲得輸出電壓Vout。

圖2 AD698芯片內部結構框圖

勵磁信號u(t)=Usint(wt)經過比較器后獲得方波信號f(t):

(7)

將該方波信號進行傅立葉分解可得：

(8)

將激勵信號和式(6)所示的傳感器輸出信號分別與式(8)所示的方波信號相乘[13-14]，可得：

(9)

(10)

式(9)為AD698B通道乘法器輸出信號，式(10)為A通道乘法器輸出信號，乘法器的輸出信號中都含有直流分量，因此將該信號通過低通濾波器，只讓直流分量通過，再經過除法器即可得輸出信號為：

(11)

可見輸出直流信號只與磁芯的位移量x有關，再經過調幅電路可將該輸出電壓調節到設定的幅值范圍[15]。

3 解碼電路設計與實驗

3.1 解碼電路設計

本文中解碼電路如圖3所示。由于飛機上所使用的LVDT傳感器限制，需提供有效值小于3V，頻率為10KHz的激勵信號，因此該解碼電路按此要求設計。

圖3 解碼電路圖

AD698輸出激勵信號的電壓值由圖3中電阻RB1決定。輸出電壓與電阻RB1之間的關系如圖4所示，采用滑線變阻器代替RB1，最終確定RB1為19.5K。

圖4 AD698激勵信號電壓與電阻關系圖

激勵信號頻率由芯片7、8引腳之間的電容C1決定，C1的值可由下式確定。

(12)

式中，fEXCITATION為激勵頻率，因此C1取值3.5 nF。

A、B通道的低通濾波電容可由下式確定。

(13)

式中，fSUBSYSTEM為系統所需頻帶寬度，本文所選頻帶寬度為250 Hz，因此CZ13=CZ14=CZ15=0.4 uF。

AD698輸出電壓范圍由RB1決定，RB1的值可由式(14)確定：

Vout=S*d*500 uA*RB1

(14)

式中，S為傳感器的靈敏度，d為傳感器量程，本文設置輸出電壓范圍為±5 V。

AD698最終輸出電壓傳遞函數也可表示為

*500 uA*RB1

(15)

3.2 實驗驗證

圖5 LVDT信號源輸出波形

圖6 解碼電路輸出波形

由圖6可知解調電路實際輸出電壓為1.86 V，且波形平穩，脈動小。按照公式(15)計算出解調電路的理論輸出電壓為1.875 V，相對誤差為0.8%，滿足機載測試的精度要求。

表1 解碼電路試驗結果

可見，本文設計的基于AD698的LVDT信號解碼電路，電路簡單便于調試，激勵信號的幅值和頻率滿足飛機上LVDT傳感器激勵信號的要求；解碼電路精度高，能夠滿足機載測試的精度需求；同時完成了高低溫試驗和振動試驗，表明該電路能夠滿足機載測試的穩定性要求。

4 結論

通過深入分析線性差動式位移傳感器(LVDT)的等效電路，可知傳感器輸出電壓的幅值和極性可以反映磁芯位移及移動方向；研究AD698的內部解調原理，可知AD698能夠對LVDT傳感器信號進行解調，且AD698輸出電壓大小和極性可以反映傳感器磁芯的位移變化量。基于此設計出了一種結構簡單、高精度的基于AD698的LVDT信號解調電路，實驗表明該電路精度高，能夠準確的對LVDT信號進行解調，且該電路已完成高低溫和振動試驗，能夠滿足機載測試的要求。本文設計的解碼電路，結構簡單、穩定性高、精度高已成功應用于機載測試系統中。

[1] 趙紅梅,章衛國,劉小雄,等.飛控系統傳感器故障診斷的在線方法研究[J].計算機測量與控制,2010,18(5):1097-1099.

[2] 劉 華,唐永哲,郝 濤,等.飛控系統傳感器故障診斷研究[J].計算機仿真,2010,27(2):30-33.

[3] 李家群,候孝宗,毛俊雋.淺析差動變壓器傳感器的幾種測量方法[J].水利水文自動化,2008(3):40-43.

[4] 孟武勝,苗溢文,董 蓉.一種新型差動變壓器式角位移傳感器[J].微特電機,2010(8):32-34.

[5] 馮廣麗,盧朝東.紅外瓦斯無線傳感檢測系統設計與實現[J].計算機測量與控制,2013,21(1):80-81.

[6] 馮 強,耿愛輝.基于LabVIEW的四象限光電探測器數據采集系統設計[J].計算機測量與控制,2013,21(5):1397-1399.

[7] 胡海濤,高 聞. 高性能LVDT位移傳感器調理電路設計[J].儀表技術,2012(8):39-42.

[8] 魏 婷,夏德天.基于LVDT/RVDT的交流模擬量解調方法研究[J].航空計算技術,2013(1):116-118.

[9] 王 龍,史麗晨,王海濤.基于LVDT的新型信號調理電路的設計[J].計算機測量與控制,2015.23(3):953-955.

[10] 樊澤明,郭 月,袁朝輝.基于AD698的旋轉變壓器驅動及解碼電路設計[J].測控技術,2013,2(32):110-113.

[11]羅德榮,周 成,黃科元,等.基于AD2S1200的旋轉接口電路設計及信號處理[J].電力電子技術,2008，42(8):68-70.

[12]李耀海,胡廣艷,郝瑞祥,等.基于AU6802NI的旋轉變壓器信號接口電路的設計和應用[J].電子設計應用,2006,40(2):110-114.

[13]馮廣麗,盧朝東.紅外瓦斯無線傳感檢測系統設計與實現[J].計算機測量與控制,2013,21(1):80-81,88.

[14]李 稷,李 玲,張 輝,等.LVDT傳感器仿真電路的設計與研究[J].儀表技術,2011(9):67-70.

[15]尹成竹,柏受軍,黃 平,等.一種基于AD598的精密位移傳感器的研制[J].傳感器與微系統,2007,26(2):68-70.

Decoding Circuit Design of Linear Variable Differential Transformer Based on AD698

Wang Kuan, Gong Haibo

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China)

The Linear differential displacement sensor (LVDT) has been widely used in airborne testing system, due to its high sensitivity, good linearity, high resolution, long service life and high reliability. In order to design an LVDT decoding circuit that have a high accuracy, good stability and can meet the demand of airborne testing, the relationship between core displacement and the output voltage signal of an LVDT sensor has been analyzed, the internal AD698 demodulation principle has been studied, then an signal decoding circuit based on AD698 has been designed. The circuit produces the excitation signal by peripheral components, and gets the DC voltage that is proportional to the magnetic core displacement by demodulating the excitation signal and the output signal. Then, the precision and stability of the decoding circuit has been verified, it’s show that the circuit can meet the requirements of airborne test, now the circuit has been completed gentle vibration test and successfully used in airborne testing system.

linear differential; LVDT; AD698; decoding circuit

2016-10-09；

2016-11-21。

王 寬(1989-)，男，陜西省渭南人，助理工程師，碩士,主要從事機載測試方向的研究。

1671-4598(2017)03-0169-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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