軸承檢測儀器中LVDT傳感器信號調理電路的設計

楊晨，江純清，吉智軍

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039）

線性可變差動變壓器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）傳感器廣泛應用于精密機械部件的尺寸測量中，其具有可靠性高、使用壽命長、靈敏度高、重復性好等優點，在軸承行業中經常用于軸承公差等尺寸的測試。

傳感器需要激勵源，其輸出信號需要經過整流、檢波處理，從而提取出位移信號。傳統的LVDT電路由集成運算放大器等電子器件構成，結構復雜，測量的穩定性及精度難以提高。為此，設計了一款基于AD698集成信號處理芯片的信號調理電路。

1 LVDT傳感器

LVDT產生的交變電壓輸出信號與其鐵芯的位移成正比。如圖1所示，LVDT的不銹鋼內殼中有1個初級線圈及對稱分布在其兩側的2個次級線圈，通過桿狀鐵芯的左右移動，改變兩邊線圈的電感，使線圈產生感應電動勢。

圖1 LVDT機械結構Fig.1 Mechanical structure of LVDT

如圖2所示，當通過外部交流電源給初級線圈通電后，2個次級線圈中將產生極性相反的電壓，2個電壓之差即為LVDT的凈輸出值。當鐵芯位于中間位置（零位）時，2個次級線圈產生的電動勢相等，極性相反，輸出電壓為零；當鐵芯離開零位，鐵芯移動方向上次級線圈的感應電壓增加，同時另一側線圈的感應電壓相應降低，于是產生了極性與鐵芯趨向的次級線圈極性相同的輸出電壓。輸出電壓的大小取決于位移量的大小。需要注意的是，LVDT必須工作在線性范圍內，即鐵芯的運動不能超出線圈機構范圍，否則將產生非線性值［1］。

圖2 LVDT工作原理Fig.2 Working principle of LVDT

2 信號調理電路設計

如圖3所示，信號調理電路主要由AD698信號轉換電路、運算放大電路、濾波輸出電路、量程切換電路組成。LVDT傳感器輸出交流電壓信號的電壓值與傳感器磁芯位置成正比，AD698信號轉換電路將交流電壓轉換為與傳感器移動位置成正比的直流電壓信號。直流電壓信號經運算放大電路放大后，再經過濾波輸出電路將高頻干擾濾除，送入A／D卡處理后由計算機軟件輸出數值；同時，計算機通過I／O卡控制量程切換電路，改變運算放大電路的放大倍數，使輸出電壓信號適應不同量程，直觀顯示出位移數值。

圖3 電路結構框圖Fig.3 Block diagram of circuit construction

2.1 AD698信號轉換電路

AD698是一種完整的單芯片LVDT信號處理子系統，其內部結構如圖4所示。AD698內置的低失真的正弦波振蕩器用來驅動LVDT初級線圈；2個同步解調通道用于檢測初級線圈和次級線圈的幅度。AD698將次級線圈的輸出幅度除以初級線圈的幅度并乘以一個比例系數，消除了初級線圈幅度漂移所導致的比例系數誤差，能夠改善信號處理芯片的溫度性能和穩定性［2］。

圖4 AD698工作原理Fig.4 Working principle of AD698

設計 LVDT選用 DGC-6PG／A型旁向傳感器，激勵頻率約10 kHz，激勵電壓的有效值為2 V，靈敏度為70 mV·V-1·mm-1，總行程為1.5 mm。針對該傳感器的特性設計了基于AD698芯片的信號轉換電路，如圖5所示。

圖5 AD698信號轉換電路Fig.5 Signal conversion circuit based on AD698

在電路中，AD698采用了±9 V雙電源供電，外接無源元件決定的參數有激勵電壓的頻率和有效幅值、AD698系統頻帶寬、增益系數及偏置調零。選擇這些參數及無源外接元件的步驟如下：

1）通過激勵信號頻率決定C1，即

式中：f為激勵電壓的頻率，由預選的LVDT傳感器決定。在本例中，確定激勵電壓的頻率為10 kHz，根據（1）式計算出 C1＝3 300 pF。

2）通過激勵電壓幅值 VEXC決定 R1，通常，當VEXC≥24 V時，10Ω≤R1≤100Ω；當12 V≤VEXC≤24 V時，0.1 kΩ≤R1≤1 kΩ；當5 V≤VEXC≤12 V時，1 kΩ≤R1≤10 kΩ；當0≤VEXC≤5 V時，10 kΩ≤R1≤100 kΩ。根據本設計中的傳感器參數及反復試驗，取 R1＝13 kΩ時效果最好［3］。

3）C2～C4決定了AD698的系統頻帶寬度fs，一般情況下［3］

本設計中，系統帶寬選定為250 Hz，根據（2）式及試驗結果，確定C2＝C3＝C4＝0.47μF。

4）R5，R6為偏置調零電阻，若調節正偏置，則令 R5斷路，反之，令R6斷路［3］。試驗中通過示波器觀察零位波形，需調節正偏置，因此令R6＝3 kΩ，R5斷路。

5）R2用來設定AD698的放大倍數和電壓輸出范圍，其計算公式為

式中：Vout為AD698輸出直流電壓的最大絕對值；S為傳感器靈敏度；D為LVDT傳感器從零位到滿量程的行程距離。設計 Vout＝5 V，D＝0.4 mm，S＝70 mV·V-1·mm-1，計算得 R2＝360 kΩ。

2.2 運算放大電路

運算放大電路可將AD698輸出的直流電壓進一步調整和放大，使之適用于不同的量程。由上文可得，傳感器行程為0.4 mm時，Vout＝5 V，如果使用量程變為±0.2 mm，則AD698最大輸出的電壓Vout只有±2.5 V，沒有充分利用A／D卡±5 V的模擬電壓轉換精度，因此用運算放大電路將Vout放大2倍后再送入16位的A／D卡，測量精度可達到0.01μm。

基本運算放大電路如圖6所示，輸出電壓Vo與輸入電壓Vi的關系為

圖6 運算放大電路Fig.6 Operational amplifier circuit

式中：Rf與Ri的比值為運算放大器的放大倍數，設計中取Ri＝10 kΩ，只需改變Rf即可改變電路的放大倍數。

2.3 量程切換電路

由2.2節可知，只要改變Rf的阻值就能改變電路的放大倍數，從而適應不同量程的需要。因此，設計了量程切換電路：計算機發出數字信號控制繼電器的通斷，使不同阻值的Rf接入電路，每種阻值對應一個量程，從而實現計算機控制信號調理電路量程的切換。如圖7所示，當Rf1接入電路時，運算放大器的放大倍率為2，對應的量程為前級AD698電路設定滿量程的1／2；當繼電器斷開Rf1通路，將Rf2接入電路，運算放大器的放大倍率變為3，對應的量程為前級AD698電路設定滿量程的1／3。圖中僅顯示了2路量程的切換，只要增加繼電器的數量，就可實現更多路量程的切換。

圖7 量程切換電路Fig.7 Range switch circuit

2.4 濾波輸出電路

因放大后的直流電壓含有高頻成分，影響采樣電壓的穩定度，因此在電壓信號送入A／D卡前增加了一個無限增益多路反饋二階低通濾波電路，如圖8所示。該電路將高于截止頻率f0的信號濾除，使低于截止頻率的信號通過，相比一般的濾波電路有效提高了高頻衰減斜率和截止頻率附近的頻率特性幅度，避免了自激震蕩的產生，有效地降低了高頻信號對輸出信號的干擾。

圖8 低通濾波電路Fig.8 Low pass power filter Circuit

無限增益多路反饋二階低通濾波電路的主要參數有截止頻率f0，通帶放大倍數Au和品質因數Q，根據這3個參數可以確定其他的元件參數。

通帶放大倍數Au的表達式為

因之前運算放大電路放大倍數已根據量程確定，所以設定通帶放大倍數的絕對值為1，根據（5）式得出 Rf＝Rl。

品質因數Q和截止頻率f0分別為

3 結束語

基于AD698的LVDT信號調理電路已應用于軸承旋轉精度儀、凸出量測量儀、圓柱度測量儀等多種儀器，長期實際使用表明該電路的芯片溫度穩定、輸出信號漂移很小、量程切換簡單方便，測試精度和穩定性也有顯著提高。