磁軸承用差動變壓器式傳感器優(yōu)化設計

李磊 王震 尹相一

摘 要：差動變壓器式位移傳感器在測量小位移量時有著許多的優(yōu)點。對差動變壓器式位移傳感器和所使用的信號調(diào)理器的工作原理作了簡單的分析介紹，，配合使用AD698芯片搭建位移測量系統(tǒng)優(yōu)化差動變壓器傳感器位移測量對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的干擾，減少對轉(zhuǎn)子控制的影響，進一步達到磁懸浮軸承測量的精準化。[1]

引 言

差動變壓器式傳感器是在傳統(tǒng)傳感器上改進，利用物體在移動時產(chǎn)生的能量推動電壓產(chǎn)生的變化而求出所求量的物理實驗器材，即將各個物理量變換為電量的變化。它廣泛的應用于各種物理量的測量，如伸長、壓力、應變、振動、物體的厚度等。在小位移量的測量中有著諸多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單、電路簡易可靠、測量線性范圍大、重復性好且線性度高、有較高的靈敏度和分辨力、價格便宜等，此外傳感器內(nèi)部沒有活動觸點，可靠性很高，使用壽命長。

本文采用軟件系統(tǒng)完成測量系統(tǒng)的智能化非線性校正模塊。實現(xiàn)智能化非線性校正的編程方法有很多種，如查表法、曲線擬合法、支持向量機法、神經(jīng)網(wǎng)絡法等，本文考慮到測量系統(tǒng)的處理器性能的約束以及實現(xiàn)成本，采用曲線擬合法實現(xiàn)智能非線性校正。[2]

1、智能化非線性校正模塊

1.1原理介紹

通過軟件編程來進行非線性校正，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。

傳感器及其調(diào)理電路的輸入輸出特性（x-u）稱為正模型：（1）

逆模型就是正模型的反非線性特性：（2）

式中x為系統(tǒng)的被測輸入量；u為傳感器及其調(diào)理電路的輸出量，也是存放在處理器中非線性校正器模塊的輸入；y=x是非線性校正器模塊的輸出，也是加入智能模塊后的系統(tǒng)總輸出。系統(tǒng)框圖如圖1所示。[3]

1.2曲線擬合法實現(xiàn)方法介紹

曲線擬合法采用n次多項式來逼近反非線性特性方程，多項式方程的系數(shù)由最小二乘法來確定，步驟如下：

（1）進行試驗標定，得到校準曲線。

（2）設反曲線特性擬合方程

（3）利用最小二乘法來確定a0、a1、a2、a3的數(shù)值的基本思想是：步驟（2）確定的各個xi（vi）值，與各個標定值xi的均方差要最小。

2、搭建測量系統(tǒng)

2.1AD698芯片原理介紹

AD698是一款十分完整的LVDT信號調(diào)理子系統(tǒng)。能夠以較高的可重復性和精度將原始LVDT的副邊輸出轉(zhuǎn)換成比例直流電壓。AD698芯片內(nèi)部由激勵源、同步比率解調(diào)以及濾波放大輸出三個模塊組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

激勵源由電壓參考、振蕩器、放大器構(gòu)成，為外接的LVDT傳感器初級繞阻線圈提供驅(qū)動功率。同步解調(diào)模塊由2個相互獨立、性能相同的調(diào)幅波同步解調(diào)通道A、B以及占空比除法器組成。濾波器除了濾除激勵源和高頻噪聲的干擾以外，還將信號平滑為直流輸出。放大器是一個電流放大器，占空比除法器輸出的脈寬調(diào)制信號先被轉(zhuǎn)換為參考電流調(diào)制信號i，i與脈沖波的占空比成正比，即：

i=Iref·A/B（3）

式中Iref=500μA，是標定值為500μA的參考電流。

VOUT=i·R·A/B·R2（4）

AD698輸出電壓VOUT與比值A/B成正比，也就是與被測信號（位移量）成正比，比例系數(shù)可通過外接電阻R2來設置。[4]

2.2LVDT傳感器側(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

LVDT與AD698配套使用，能夠十分精確地將LVDT的機械位移量轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。LVDT可用多種方式配接AD698：變壓器次級繞組線圈反向串聯(lián)、半橋式接法以及全橋式接法。本文采用的是第一種反向串聯(lián)的接法。[5]

3、智能化非線性校正結(jié)果演示

（1）在之前的測量數(shù)據(jù)中，選取適當?shù)臉硕c

（2）建立逆模型表達公式：X=a0+a1·V+a2·V2+a3·V3（5）

（3）求系數(shù)：a0=5.182663，a1=0.354056，a2=-5.821352×10-4，a3=3.12917×10-4。計算上述常系數(shù)值的式（5）的編程算式在本實驗中存入智能化非線性校正模塊中實現(xiàn)。

（4）逆模型檢驗。向逆模型中輸入電壓V，比較實驗值的位移量X與逆模型計算值X'，其偏差Δ=|X-X'|。[6]

（5）線性度改善情況分析。

與改善前的相比，系統(tǒng)的線性度得到了明顯的提升。

4、結(jié)論

LVDT配合AD698搭建的測量系統(tǒng)，加入智能化非線性校正模塊，更進一步提高了測量系統(tǒng)的線性度，降低了非線性誤差。采用的曲線擬合算法在程序?qū)崿F(xiàn)上靈活簡便且可靠。

參考文獻

[1] 金超武.差動變壓器式傳感器在磁懸浮軸承中的應用研究[D].南京航空航天大學，2006.

[2] 楊朝英.電感傳感器在磁懸浮軸承系統(tǒng)中的應用研究[D].南京航空航天大學，2005.

[3] 白志峰.磁軸承用位移傳感器的研究[D].山東科技大學，2005.

[4] 吳堅.主動磁懸浮軸承控制器的研究[D].蘇州大學，2004.

[5] 鄒海丹，朱熀秋.磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子位移檢測技術(shù)[J].軸承，2009，04：53-56.

[6] 金婕，朱熀秋.磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子位移自檢測方法[J].微電機，2014，09：79-84.