基于LVDT的微弱金屬顆粒檢測技術

龔逸樂

摘要

微弱金屬檢測是微弱信號檢測的內容，微弱金屬檢測方法檢測的對象是傳統方法以及常規方法無法檢測到的微弱的金屬顆粒。這些顆粒不能被檢測到的原因是信號的幅度小，同時也很容易被噪聲淹沒，因此，只有放大信號以及抑制噪聲，才能將有用的信號提取出來該方案使用LVDT傳感器，外圍的電路使用的是ADI的AD698同步解調器，以此來產生副邊信號以及邊緣浮動信號，從而提升信噪化，這樣一來就能夠檢測微弱的金屬，同時也可以檢測污水以及廢水中的金屬含量，同時檢測出油液中的金屬顆粒等。實驗表明，可以使用這種方法來檢測最小直徑為0.5mm的導磁鋼珠。

【關鍵詞】LVDT AD698 同步解調 微弱信號檢測 微弱金屬顆粒檢測

1 實驗原理及方法

下面將介紹LVDT傳感器，AD698，信號放大電路。

1.1 LVDT傳感器

以往的LVDT屬于絕對位移傳感器，能夠將位置或者線性的位移從機械參考點處轉換到包含幅度以及相位的比例電信號。變壓器與移動部件之間不需要電氣接觸就能夠完成LVDT操作。LVDT借助電磁耦合，由恒定振幅交流電源處將原邊繞組P進行激勵，次級線圈S1與S2能夠各自產生出交流信號E1，E2，然后接短兩個副邊線圈的負極，同時在兩個正極線圈處將差分信號輸出。如果磁芯在兩個副邊線圈的正中心處，就會向每個線圈輸送耦合性相等的磁通量，此時線圈S1與S2中輸出的E1和E2也相等，差分電壓輸出（El-E2）為零。如果使磁芯處于移動狀態，讓S2的距離比S1的距離大，這時候磁通量E1將會增加，然而磁通量E2就會相應減少，產生了差分電壓（E1-E2），反之，結果相反。

LVDT建立隨著磁通量變化差分電壓的數學模型，對兩個副邊繞線的疏密程度加以改變，能夠有效確保LVDT傳感器的輸出電壓EOUT（E1-E2）保持一條直線。

1.2 AD698：通用LVDT信號調理器

AD698是完整的LVDT信號調理系統。它能夠以高精度和可重復性將LVDT傳感器的差分輸出信號轉換為單極性的比例直流電壓。AD698內置低失真正弦波振蕩器，用于驅動LVDT原邊，頻率范圍20HZ-20KHZ（常用2.5KHZ），幅度范圍2V-24V RMS（常用3VRMS）。

LVDT副邊輸出由兩個正弦波組成，可以直接驅動AD698a AD698通過同步解調調制輸入（副邊，A通道）和固定輸入參考電壓（原邊，B通道）解碼LVDT。

AD698內部模塊見圖1。AD698的輸入由兩個獨立的同步解調通道組成。B通道監控LVDT的驅動激勵，比較電平與輸入電平完全相同，解調后波形實現翻轉。C2對全波整流輸出進行過濾，并抬高有效電平，然后將其發給運算電路。除外部提供比較器引腳外，通道B和通道A性能完全相同。由于LVDT副邊輸出的差分信號太微弱，不足以觸發A通道的解調器，因此通常用原邊信號來觸發A通道的解調器，所以需要相位補償網絡，以便向A通道增加相位超前或滯后，補償LVDT原邊到副邊的相移。

兩個通道都完成解調及過濾后，使用一個配備了占空比除法器的分壓電路計算A/B的比值。若A/B等于1，則占空比為100%.占空比驅動電路，調制并過濾與占空比成正比的基準電流。輸出放大器調節500μA基準電流，將其轉換為單端電壓輸出。輸出傳遞函數為

1.3 信號放大電路

由于微弱金屬顆粒輸出的信號為uV級弱信號，除了上述同步解調并調節占空比之外，還需對信號進行放大。常用放大方式為兩種，1.前級放大：]UDT副邊原始信號放大后再進AD698進行同步解調，2.后級放大;AD698同步解調后的信號進行放大。該項目同時采用兩種放大，前級放大10倍，將副邊原始信號uV級信號放大到mV級，后級放大1000倍，將解調后的信號從mV級信號放大到V級。

基于以上3點構成了整個微弱金屬顆粒檢測系統，該系統的輸出信號可直接進入數采卡進行采集，采集的數據可做算法上的分析。

2 實驗及實驗結果

2.1 實驗過程

微弱金屬顆粒檢測系統搭建完成后，由于放大倍數較大，即使加了濾波后，底噪依然在100mV左右;當0.5mm導磁鋼珠從中間通道經過，會產生一個±2V左右的正弦波脈沖，±2V的信號已經足夠與噪聲區分開來，更大的鋼珠可以產生更大的信號，直至滿偏。該脈沖時間為鋼珠通過LVDT中間通道的時間，比如在廢水金屬顆粒檢測中，這個時間與廢水流速和LVDT有效檢測距離有關。

2.2 實驗結果

由該系統輸出的信號，經過數采卡采集信號，軟件算法上對信號進行解包絡分析，閾值觸發，脈沖時間計算等方式判斷是否有金屬顆粒經過，以及金屬顆粒大小;從而得出廢水中，油液中是否含有金屬顆粒的結論并預警。該方案已經可以檢測到最小0.5mm直徑的導磁鋼珠。

3 結束語

在本文中，我們提出了一基于LVDT的微弱金屬顆粒檢測技術。實驗結果顯示已經取得不錯的效果（如2.2節描述）。由于對信號的放大倍數很大，同時也放大了噪聲，導致底噪比較大而無法識別更微小的顆粒。后續會增加更多措施降低噪聲，濾波，提高信噪比，目標是偵測20um直徑的金屬顆粒。

參考文獻

[1]高晉占.微弱信號檢測[M].北京：清華大學出版社，2004：154-196

[2]TE官網（泰科電子有限公司）：LVDT基礎知識.

[3]ADI官網：電路筆記CN-0301.