一種LVDT信號調理電路的設計

李陽 程陶然

摘要：該文介紹了一種五線制LVDT信號調理電路的設計方案，其中包括正弦波激勵電路、整流電路以及濾波電路。通過對該電路方案進行功能測試，結果表明該設計方案具有較高的測試精度，并且在理論上可用于其他類型LVDT傳感器信號的調理，實用性強。

關鍵詞：LVDT傳感器；整流電路；調理電路

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0246-02

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1 概述

線性可調差動變壓器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）是一種常見類型的位移傳感器，可將以機械方式耦合的物體的直線運動轉換為對應的電氣信號，其主要由鐵芯、初級線圈和次級線圈等部件組成，在工業控制和航空發動機控制等領域得到了廣泛應用[1]，其特點是原理和結構簡單、性能可靠、精度和靈敏度較高、具有較強的適用性等特點，線性可調差動變壓器的輸出信號為兩個線圈的差動電壓信號，能夠實時地、高準確性地將機械位移信號轉化成電信號。LVDT傳感器信號調理電路一般包括正弦波激勵信號、LVDT傳感器、全波整流電路以及濾波電路等。本文介紹了一種五線制LVDT傳感器信號調理電路的設計。

2 五線制LVDT傳感器

五線制LVDT 傳感器是一種常用的LVDT傳感器，其結構如圖1所示，整個傳感器主要由鐵芯、初級線圈、次級線圈等組成，工作原理為通過次級線圈VA和VB的振幅來計算鐵芯的位移。當鐵芯處于中間時，VA 和VB的感應電動勢相等，此時輸出電壓為0。當鐵芯在線圈內部來回移動時，VA和VB的感應電動勢不相同，鐵芯位移的大小決定了VA和VB差值的大小，同時VA與VB振幅之間的差和鐵芯位移大小具有線性關系，所以在實際應用中通過VA和VB感應電動勢的振幅差值即可計算出鐵芯的在傳感器內部的位移變化值[2] [3]。

3 電路設計方案

本文設計的LVDT信號調理電路的原理框圖如圖2所示，該電路主要包括正弦波激勵電路和采集電路。正弦波激勵電路為五線制LVDT傳感器提供正弦波激勵，采集電路的整流部分實現LVDT傳感器輸出信號的全波整流；濾波部分實現對信號及其他耦合到線路中的干擾信號進行隔直和濾波等處理。

3.1正弦波激勵電路

LVDT傳感器的輸入是一路正弦波激勵電路，本文在設計中采用RC橋式正弦波振蕩電路產生周期性正弦波信號[4]，原理如圖3所示。在電路中，由R1、Rf構成負反饋，并聯的RC電路和串聯RC電路再串聯構成正反饋，D1、D2是兩個二極管，其具有的非線性可以改變電路啟動到穩定工作的負反饋深度。通過調節R、C可以調節輸出頻率。在實際運用中，使其輸出頻率為3KHz，幅值為7Vrm。

3.2采集電路

本文采用精密全波整流電路[5]實現對正負反饋電壓的采集，以將電壓信號轉換為位置信息。如圖4所示，采集電路首先通過一階有源帶通濾波電路進行濾波，然后通過由運放和二極管構成的精密整流電路實現交流信號到直流信號的轉變，在圖中匹配電阻需要滿足R3=R4=R5=2R7=R9，最后通過一個一階有源低通濾波電路濾除全波整流信號的交流信號，僅保留直流信號。

在圖4中，可以通過調整R1、C1、C2、R2取值以改變濾波器的通頻范圍；中間部分的整流電路利用二極管的正向導通性，將交流信號的負半周信號翻轉為正半周信號；在運算放大器A2處置放電容C3，構成積分運算電路，最后一級由R10、C4組成的低通濾波器實現濾除全波整流信號的交流信號，僅保留直流信號。在Multisim12中，對采集電路進行模擬仿真，結果如圖5所示，其中紅色表示輸入到采集電路中的正弦波，綠色表示經過整流后的輸出。

4 電路測試結果

在實際電路測量中LVDT傳感器的行程是通過設置LVDT的比率來實現，比率設置為0 ，表示LVDT傳感器位移為0；比率設置為-1，表示LVDT傳感器位移位于負向最大值；比率設置為1 ，表示LVDT傳感器位移位于正向最大值。表1為LVDT信號調理電路的實際測試結果，從表1中可以看出，本文設計的調理電路經過測試得到的LVDT比率和設置的比率之間差異較小，在精度方面控制在0.5%。

5 結束語

本文介紹了一種五線制LVDT傳感器信號調理電路，經過對電路測試，結果表明，本文設計的電路測量精度高，實用性強，同時在理論上，該電路也可用于其他類型LVDT傳感器信號的調理。

參考文獻：

[1] 張云青，孫燕明，張秀娟，等. 多通道LVDT 傳感器信號調理電路的設計[J].工程與試驗，2012，52（ 2） ： 68-70.

[2] 楊愛民，宋仲康. 基于LVDT 傳感器的圓柱體直徑測量儀的設計[J].儀表技術，2005（5）：52-54.

[3] 王浩，趙剛，盧玉芳.基于無損全波整流電路的LVDT信號調理電路設計[J].儀表技術與傳感器，2017（1）：34-39.

[4] 陳亮，施智星.文氏橋正弦波產生電路淺析[J].電子技術與軟件工程，2016（8）：244-245.

[5] 童師白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2015：382-384.

【通聯編輯：謝媛媛】