基于AD698的线性差动式位移传感器解码电路设计

王 宽，宫海波

(中国飞行试验研究院，西安 710089)

基于AD698的线性差动式位移传感器解码电路设计

王 宽，宫海波

(中国飞行试验研究院，西安 710089)

线性差动式位移传感器(LVDT)由于其灵敏度高、线性度好、分辨率高、寿命长、可靠性高等优点，已广泛应用于机载测试系统中；为了设计出精度高，稳定性好，能够满足机载测试需求的LVDT传感器解码电路，分析了LVDT传感器磁芯位移与输出电压信号的关系，研究了AD698的内部解调原理，设计出了基于AD698的信号解码电路；该电路通过外围元器件产生传感器所需的激励信号，并对激励信号和传感器输出信号进行解调得到与传感器磁芯位移成正比的直流电压；最后通过实验验证该电路具有结构简单、稳定性高、精度高的优点，能够满足机载测试的要求，且该电路已经过高低温和振动试验，并成功应用于机载测试采集系统中。

线性差动；LVDT；AD698；解码电路

0 引言

线性差动式位移传感器(LVDT)能够将机械位移转换成电信号，具有灵敏度高、线性度好、分辨率高等诸多优点[1-3]，已广泛应用于机载测试中，其作用是采集驾驶杆、方向舵、脚蹬、舱门变形等位移信号[4-5]。传统的LVDT输出信号解调方法是采用差动输入整流电路和相敏电路，这两种方法电路复杂，容易受干扰且不易调试[6]。

针对以上两种解调电路复杂，精度差的不足，本文设计了一种基于AD698的LVDT信号解调电路。该电路通过简单的外围元器件产生LVDT传感器所需的激励信号，并对激励信号和传感器输出信号进行解调，得到与传感器磁芯位移成正比的直流电压信号。该电路具有结构简单，应用元器件较少，可靠性好等优点。最后通过实验验证该解码电路精度高，能够满足机载测试的精度要求；同时该电路经过高低温和振动试验，能够满足机载测试的稳定性要求。

1 LVDT传感器工作原理

LVDT是一种直线位移传感器[7]，它由一个初级线圈、两个反向串联的次级线圈及铁芯组成，铁芯可在一定线性范围内自由移动，铁芯的移动可改变初级线圈对次级线圈的耦合磁通，进而改变传感器的输出电压[8,9]，其等效电路图如图1所示。

图1 LVDT等效电路图

图1中，L1和R1为初级线圈的等效电感和等效电阻；L21，L22和R21，R22分别为两个次级线圈的等效电感和等效电阻，M1、M2分别为初级线圈L1对两个次级线圈L21和L22的互感系数。

若忽略电阻，当在初级线圈上施加一个激励电压为u(t)=Usint(wt)的信号，则线圈上产生的电流为i(t)=-Icos(wt)[10-11]，根据互感原理，两个次级线圈上产生的电动势分别为：

(1)

(2)

此时输出电压U0=E1-E2，当铁芯处于中心位置时，初级线圈对两个次级线圈的互感系数相等即M1=M2=M，则输出电压U0=0[12]。

当铁芯位移变化x时，初级线圈对次级线圈的互感变化为：

ΔM=Kx

(3)

K为耦合系数。

则M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

此时两个次级线圈上产生的电动势分别为：

(4)

(5)

则传感器输出电压为：

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

(6)

由式(6)可知LVDT传感器磁芯运动的位移和方向可以通过输出电压U0的幅值大小和极性来表示。

2 AD698芯片解调原理

AD698芯片内部结构框图如图2所示，可见AD698内部包含一个固定输入通道B和一个同步解调输入通道A。LVDT传感器输出信号进入通道A，激励信号进入与通道A相连的比较器，比较器输出的方波信号与A通道信号相乘，获得全正或者全负的整流信号，再经过低通滤波器，获得直流信号。LVDT传感器的激励信号进入通道B，与通道B相连的比较器对自身信号进行比较获得方波信号，与激励信号相乘获得全正值的整流信号，再经过低通滤波器，获得直流信号。A、B通道输出的直流信号进入除法器，再经过调幅电路即可获得输出电压Vout。

图2 AD698芯片内部结构框图

励磁信号u(t)=Usint(wt)经过比较器后获得方波信号f(t):

(7)

将该方波信号进行傅立叶分解可得：

(8)

将激励信号和式(6)所示的传感器输出信号分别与式(8)所示的方波信号相乘[13-14]，可得：

(9)

(10)

式(9)为AD698B通道乘法器输出信号，式(10)为A通道乘法器输出信号，乘法器的输出信号中都含有直流分量，因此将该信号通过低通滤波器，只让直流分量通过，再经过除法器即可得输出信号为：

(11)

可见输出直流信号只与磁芯的位移量x有关，再经过调幅电路可将该输出电压调节到设定的幅值范围[15]。

3 解码电路设计与实验

3.1 解码电路设计

本文中解码电路如图3所示。由于飞机上所使用的LVDT传感器限制，需提供有效值小于3V，频率为10KHz的激励信号，因此该解码电路按此要求设计。

图3 解码电路图

AD698输出激励信号的电压值由图3中电阻RB1决定。输出电压与电阻RB1之间的关系如图4所示，采用滑线变阻器代替RB1，最终确定RB1为19.5K。

图4 AD698激励信号电压与电阻关系图

激励信号频率由芯片7、8引脚之间的电容C1决定，C1的值可由下式确定。

(12)

式中，fEXCITATION为激励频率，因此C1取值3.5 nF。

A、B通道的低通滤波电容可由下式确定。

(13)

式中，fSUBSYSTEM为系统所需频带宽度，本文所选频带宽度为250 Hz，因此CZ13=CZ14=CZ15=0.4 uF。

AD698输出电压范围由RB1决定，RB1的值可由式(14)确定：

Vout=S*d*500 uA*RB1

(14)

式中，S为传感器的灵敏度，d为传感器量程，本文设置输出电压范围为±5 V。

AD698最终输出电压传递函数也可表示为

*500 uA*RB1

(15)

3.2 实验验证

图5 LVDT信号源输出波形

图6 解码电路输出波形

由图6可知解调电路实际输出电压为1.86 V，且波形平稳，脉动小。按照公式(15)计算出解调电路的理论输出电压为1.875 V，相对误差为0.8%，满足机载测试的精度要求。

表1 解码电路试验结果

可见，本文设计的基于AD698的LVDT信号解码电路，电路简单便于调试，激励信号的幅值和频率满足飞机上LVDT传感器激励信号的要求；解码电路精度高，能够满足机载测试的精度需求；同时完成了高低温试验和振动试验，表明该电路能够满足机载测试的稳定性要求。

4 结论

通过深入分析线性差动式位移传感器(LVDT)的等效电路，可知传感器输出电压的幅值和极性可以反映磁芯位移及移动方向；研究AD698的内部解调原理，可知AD698能够对LVDT传感器信号进行解调，且AD698输出电压大小和极性可以反映传感器磁芯的位移变化量。基于此设计出了一种结构简单、高精度的基于AD698的LVDT信号解调电路，实验表明该电路精度高，能够准确的对LVDT信号进行解调，且该电路已完成高低温和振动试验，能够满足机载测试的要求。本文设计的解码电路，结构简单、稳定性高、精度高已成功应用于机载测试系统中。

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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 宽(1989-)，男，陕西省渭南人，助理工程师，硕士,主要从事机载测试方向的研究。

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

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