轴承检测仪器中LVDT传感器信号调理电路的设计

2017-07-24杨晨江纯清吉智军

轴承 2017年3期

杨晨，江纯清，吉智军

（1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南洛阳471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南洛阳 471039）

线性可变差动变压器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）传感器广泛应用于精密机械部件的尺寸测量中，其具有可靠性高、使用寿命长、灵敏度高、重复性好等优点，在轴承行业中经常用于轴承公差等尺寸的测试。

传感器需要激励源，其输出信号需要经过整流、检波处理，从而提取出位移信号。传统的LVDT电路由集成运算放大器等电子器件构成，结构复杂，测量的稳定性及精度难以提高。为此，设计了一款基于AD698集成信号处理芯片的信号调理电路。

1 LVDT传感器

LVDT产生的交变电压输出信号与其铁芯的位移成正比。如图1所示，LVDT的不锈钢内壳中有1个初级线圈及对称分布在其两侧的2个次级线圈，通过杆状铁芯的左右移动，改变两边线圈的电感，使线圈产生感应电动势。

图1 LVDT机械结构Fig.1 Mechanical structure of LVDT

如图2所示，当通过外部交流电源给初级线圈通电后，2个次级线圈中将产生极性相反的电压，2个电压之差即为LVDT的净输出值。当铁芯位于中间位置（零位）时，2个次级线圈产生的电动势相等，极性相反，输出电压为零；当铁芯离开零位，铁芯移动方向上次级线圈的感应电压增加，同时另一侧线圈的感应电压相应降低，于是产生了极性与铁芯趋向的次级线圈极性相同的输出电压。输出电压的大小取决于位移量的大小。需要注意的是，LVDT必须工作在线性范围内，即铁芯的运动不能超出线圈机构范围，否则将产生非线性值［1］。

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

2 信号调理电路设计

如图3所示，信号调理电路主要由AD698信号转换电路、运算放大电路、滤波输出电路、量程切换电路组成。LVDT传感器输出交流电压信号的电压值与传感器磁芯位置成正比，AD698信号转换电路将交流电压转换为与传感器移动位置成正比的直流电压信号。直流电压信号经运算放大电路放大后，再经过滤波输出电路将高频干扰滤除，送入A／D卡处理后由计算机软件输出数值；同时，计算机通过I／O卡控制量程切换电路，改变运算放大电路的放大倍数，使输出电压信号适应不同量程，直观显示出位移数值。

图3 电路结构框图Fig.3 Block diagram of circuit construction

2.1 AD698信号转换电路

AD698是一种完整的单芯片LVDT信号处理子系统，其内部结构如图4所示。AD698内置的低失真的正弦波振荡器用来驱动LVDT初级线圈；2个同步解调通道用于检测初级线圈和次级线圈的幅度。AD698将次级线圈的输出幅度除以初级线圈的幅度并乘以一个比例系数，消除了初级线圈幅度漂移所导致的比例系数误差，能够改善信号处理芯片的温度性能和稳定性［2］。

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

设计 LVDT选用 DGC-6PG／A型旁向传感器，激励频率约10 kHz，激励电压的有效值为2 V，灵敏度为70 mV·V-1·mm-1，总行程为1.5 mm。针对该传感器的特性设计了基于AD698芯片的信号转换电路，如图5所示。

图5 AD698信号转换电路Fig.5 Signal conversion circuit based on AD698

在电路中，AD698采用了±9 V双电源供电，外接无源元件决定的参数有激励电压的频率和有效幅值、AD698系统频带宽、增益系数及偏置调零。选择这些参数及无源外接元件的步骤如下：

1）通过激励信号频率决定C1，即

式中：f为激励电压的频率，由预选的LVDT传感器决定。在本例中，确定激励电压的频率为10 kHz，根据（1）式计算出 C1＝3 300 pF。

2）通过激励电压幅值 VEXC决定 R1，通常，当VEXC≥24 V时，10Ω≤R1≤100Ω；当12 V≤VEXC≤24 V时，0.1 kΩ≤R1≤1 kΩ；当5 V≤VEXC≤12 V时，1 kΩ≤R1≤10 kΩ；当0≤VEXC≤5 V时，10 kΩ≤R1≤100 kΩ。根据本设计中的传感器参数及反复试验，取 R1＝13 kΩ时效果最好［3］。

3）C2～C4决定了AD698的系统频带宽度fs，一般情况下［3］

本设计中，系统带宽选定为250 Hz，根据（2）式及试验结果，确定C2＝C3＝C4＝0.47μF。

4）R5，R6为偏置调零电阻，若调节正偏置，则令 R5断路，反之，令R6断路［3］。试验中通过示波器观察零位波形，需调节正偏置，因此令R6＝3 kΩ，R5断路。

5）R2用来设定AD698的放大倍数和电压输出范围，其计算公式为

式中：Vout为AD698输出直流电压的最大绝对值；S为传感器灵敏度；D为LVDT传感器从零位到满量程的行程距离。设计 Vout＝5 V，D＝0.4 mm，S＝70 mV·V-1·mm-1，计算得 R2＝360 kΩ。

2.2 运算放大电路

运算放大电路可将AD698输出的直流电压进一步调整和放大，使之适用于不同的量程。由上文可得，传感器行程为0.4 mm时，Vout＝5 V，如果使用量程变为±0.2 mm，则AD698最大输出的电压Vout只有±2.5 V，没有充分利用A／D卡±5 V的模拟电压转换精度，因此用运算放大电路将Vout放大2倍后再送入16位的A／D卡，测量精度可达到0.01μm。

基本运算放大电路如图6所示，输出电压Vo与输入电压Vi的关系为

图6 运算放大电路Fig.6 Operational amplifier circuit

式中：Rf与Ri的比值为运算放大器的放大倍数，设计中取Ri＝10 kΩ，只需改变Rf即可改变电路的放大倍数。

2.3 量程切换电路

由2.2节可知，只要改变Rf的阻值就能改变电路的放大倍数，从而适应不同量程的需要。因此，设计了量程切换电路：计算机发出数字信号控制继电器的通断，使不同阻值的Rf接入电路，每种阻值对应一个量程，从而实现计算机控制信号调理电路量程的切换。如图7所示，当Rf1接入电路时，运算放大器的放大倍率为2，对应的量程为前级AD698电路设定满量程的1／2；当继电器断开Rf1通路，将Rf2接入电路，运算放大器的放大倍率变为3，对应的量程为前级AD698电路设定满量程的1／3。图中仅显示了2路量程的切换，只要增加继电器的数量，就可实现更多路量程的切换。

图7 量程切换电路Fig.7 Range switch circuit

2.4 滤波输出电路

因放大后的直流电压含有高频成分，影响采样电压的稳定度，因此在电压信号送入A／D卡前增加了一个无限增益多路反馈二阶低通滤波电路，如图8所示。该电路将高于截止频率f0的信号滤除，使低于截止频率的信号通过，相比一般的滤波电路有效提高了高频衰减斜率和截止频率附近的频率特性幅度，避免了自激震荡的产生，有效地降低了高频信号对输出信号的干扰。