一种可同时兼容四/五线制LVDT传感器调理电路设计

王 浩，牛 伟，杨恒辉

(1.西北工业大学民航学院，陕西西安 710072；2.中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西西安 710065)

0 引言

线性可调差动变压器(linear variable differential transformer，LVDT )是一种用来测量位移的电感传感器，与其他位移传感器相比，具有无接触测量、无限分辨率、坚固耐用、零位可重复性、精度高、可靠性高、灵敏度高等优点，在航空领域有着广泛的应用[1]。LVDT传感器结构上包括1个初级线圈、2个次级线圈和铁磁芯体，线圈轴向放置并且缠绕到圆柱形腔体上，铁磁芯体无接触装在圆柱腔体内并且用来衡量被测物体的位移。铁磁芯体为初级线圈和次级线圈磁通量提供了一个低磁阻路径，铁磁芯体位置变化会引起磁阻的变化，进而影响次级线圈输出电压的变化[2]。

按照引出线数量，LVDT传感器可分成2种类型：四线制和五线制，四线制LVDT传感器中2个次级线圈反向串联到一起，而五线制LVDT传感器将2个次级线圈连接的公共端引出。LVDT传感器输出信号为交流信号，处理器或FPGA不能对其直接处理，需要电路将其调理成直流电压信号。交流信号调理成直流信号常用的方法是使用二极管对交流信号进行半波整流或全波整流处理，再经过低通滤波将其调理成直流电压信号[3]。由于二极管的正向导通电压会带来较大误差，不能应用于位移的精密测量情况。为避免二极管带来的误差，国内外学者提出了很多基于模拟开关实现同步解调功能的电路[4-6]。王龙等提出了一种通过乘法器及滤波电路实现LVDT传感器调理的方法[7]，但以上电路只能适配四线制LVDT传感器或五线制LVDT传感器中的一种，不能同时解调所有类型的LVDT传感器。本文提出了一种基于某集成LVDT调理芯片的可兼容四/五线制输出LVDT传感器信号调理电路，并且经过实际的工程验证。

1 调理电路说明

1.1 LVDT传感器工作原理

图1为兼容四/五线制LVDT传感器的调理电路原理框图，LVDT传感器包括1个初级线圈LP和2个次级线圈LS1和LS2，其中交流激励Vex=A·sin(ωt)施加到初级线圈LP上，当铁磁芯体向上移动L时，则次级线圈LS1和LS2产生的感应电动势VA和VB分别表示为：

VA=K·A·sin(ωt-φs)·(Lzero-L)

(1)

VB=K·A·sin(ωt-φs)·(Lzero+L)

(2)

式中：K为LVDT传感器初级线圈与次级感应系数；φs为LVDT传感器初级激励与次级感应的相位差；Lzero为LVDT传感器铁磁芯体的参考零位；L为铁磁芯体相对于参考零位的位移。

对于四线制LVDT传感器，LVDT传感器次级输出电压VO可表示为

VO=VB-VA=2K·A·sin(ωt-φs)·L

(3)

LVDT传感器是基于电磁感应原理工作的，初级激励信号和次级反馈信号相位差较小，即φs趋近于0[8]，则四线制LVDT传感器输出电压VO和激励电压Vex的比值可表示为

VO/Vex=2K·L

(4)

对于五线制LVDT传感器，LVDT传感器次级线圈LS1和LS2产生的VA和VB可分别引出，则：

Vo1=VB-VA=2K·A·sin(ωt-φs)·L

(5)

Vo2=VB+VA=2K·A·sin(ωt-φs)·Lzero

(6)

Vo1/Vo2=L/Lzero

(7)

由式(4)可知，当K是常量时，四线制LVDT传感器铁磁芯体的位移L与次级输出电压VO和激励电压的比值成正比。

由式(7)可知，五线制LVDT传感器铁磁芯体的位移L与(VA-VB)/(VA+VB)的比值成正比。

图1 调理电路原理框图

1.2 某集成LVDT调理芯片工作原理

某集成LVDT调理芯片是完整的四线制LVDT传感器调理模块，可为LVDT传感器提供交流激励，并对LVDT次级反馈信号的位置信息进行解调[9]，将其转换成直流电压信号。其内部原理框图如图2所示，包括2个同步解调的通道，其中LVDT传感器初级激励信号同时与通道B内V/I转换电路和通道A的电压比较器相连，LVDT传感器次级反馈信号接到通道A内V/I转换电路，经过同步解调以及低通滤波后可得到LVDT传感器的位移信息。

图2 某集成LVDT调理芯片内部结构框图

1.3 兼容四/五线制LVDT传感器调理电路设计

一般来说，四线制、五线制LVDT传感器信号需适配不同的调理电路才能产生代表真实位置信息的电压值，图1为提出的可兼容四/五线制的LVDT传感器的信号调理电路原理框图，主要包括防护滤波电路、五线制接口调理电路、四线制与五线制接口切换电路、某集成LVDT调理芯片及外围电路、初级激励故障检测电路、接口驱动芯片、A/D转换电路组成。将某集成LVDT调理芯片及外围电路输出的标准正弦电压激励施加到LVDT传感器初级线圈上，LVDT次级线圈会感应出正弦激励信号。四线制LVDT次级反馈共有2根线，分别为POSA和POSB，而五线制LVDT传感器较四线制多了1个公共端COM。由于某集成LVDT调理芯片不能直接调理五线制LVDT传感器信号，需要将五线制LVDT传感器信号转变成四线制LVDT信号，即将POSA、POSB和COM经过五线制接口调理电路后转变为POSA-POSB和POSA+POSB信号。当外接LVDT传感器为四线制时，四/五线制切换控制电路将某集成LVDT调理芯片内部同步解调通道B正端与EXC+相连、通道B负端与EXC-相连，解调通道A正端与POSA相连，通道A负端与POSB相连，此时某集成LVDT调理芯片输出电压与反馈信号和激励信号的幅值比成正比。当外接LVDT传感器为五线制时，四/五线制切换控制电路将某集成LVDT调理芯片通道B正端与POSA+POSB相连、通道B负端与GND相连，解调通道A正端与POSA-POSB相连，通道A负端与GND相连，此时某集成LVDT调理芯片输出电压与POSA-POSB和POSA+POSB的幅值比成正比。

1.3.1 五线制接口调理电路设计

如图3所示，五线制接口调理电路主要由3个两输入减法电路和1个加法电路组成，将3线型LVDT传感器反馈信号POSA与COM做减法运算，COM与POSB做减法运算，将结果再经过减法运算电路处理可得到五线制中的A-B信号，将POSA与POSB接入到加法运算电路两输入端，输出可得到五线制中的A+B信号。

图3 五线制接口调理电路结构框图

1.3.2 四/五线制接口切换电路设计

如图4所示，四/五线制接口切换电路由4个单刀双掷模拟开关构成，CPU通过控制4/5WIRE输出高/低电平实现四线制接口与五线制接口切换功能。当外接LVDT传感器为五线制时，控制信号4/5WIRE信号为低电平，其中模拟开关S1～S4均上端与输出端短接，即LVDT_B-与GND相连、LVDT_B+与POSA+POSB相连，LVDT_A+与POSA-POSB相连，LVDT_A-与GND相连。当外接LVDT传感器为四线制时，控制信号4/5WIRE信号为低电平，其中模拟开关S1～S4均下端与输出端短接，即LVDT_B-与EXC-相连、LVDT_B+与EXC+相连，LVDT_A+与POSA相连，LVDT_A-与POSB相连。

图4 四/五线制接口切换电路原理图

1.3.3 某集成LVDT调理芯片及外围电路设计

某集成LVDT调理芯片是一种完整的单芯片LVDT 信号处理子系统，根据其芯片手册可知，通过外围阻容可设置激励信号的幅值、频率、零位偏移补偿、系统带宽和信号综合滤波等，在设置这些参数后，某集成LVDT调理芯片即可实现将LVDT位移信号转换成直流电压信号。某集成LVDT调理芯片及外围电路设计如图5所示。

图5 某集成LVDT调理芯片电路原理图

某集成LVDT调理芯片调理电路的输入信号LVDT_A+、LVDT_A-，LVDT_B+和LVDT_B-为四/五线制接口切换电路输出信号，LVDT_EXC+和LVDT_EXC-为某集成LVDT调理芯片产生的交流激励信号，其幅值由R3、R4决定，频率由C1、C2设定。R3、R4为5 kΩ，C1、C2为5 nF，则激励信号有效值为4.2 V，频率为3.5 kHz；电容C3～C8决定了LVDT传感器位置测量系统的带宽，C3～C8为470 nF，对应测量系统的带宽为1.062 kHz；某集成LVDT调理芯片输出信号LVDT_OUT幅值由电阻R7决定，公式为LVDT_OUT=λ·500 μA·R7，R7为9 kΩ时，LVDT_OUT=4.5 V·λ，当LVDT比率λ为1时，某集成LVDT调理芯片输出电压为4.5 V；当LVDT比率λ为-1时，某集成LVDT调理芯片输出电压为-4.5 V。某集成LVDT调理芯片输出电压经由A/D转换电路采集后送给CPU，实现了四/五线制LVDT传感器位置解析。

1.3.4 初级激励故障检测电路

初级激励故障检测电路主要实现了LVDT传感器初级开路故障检测功能，其结构框图如图6所示，当初级未出现开路故障时，采样电阻R0有交流电流通过，即R0两端存在交流压降，差分放大比例电路对R0两端电压进行放大，再经整流电路进行半波整流，最终经过低通滤波电路后变成直流电压，接到电压比较器的同向输入端，此时同向输入端电压大于反向输入端，电压比较器输出高电平。当初级出现开路故障时，采用电阻R0两端不存在压降，此时电压比较器正输入端小于负输入端，电压比较器输出低电平。

图6 初级激励故障检测电路结构框图

2 电路测试

2.1 电路验证系统设计

为充分验证本研究提出的可兼容四/五线制的LVDT信号调理电路的功能和性能，制作了工程样机进行验证。所选AD芯片分辨率为16位，最大转换时间为3.1 μs，采样率可达到250 kSPS，电压采集范围为-5～5 V，而某集成LVDT调理芯片输出电压范围为-4.5～4.5 V，满足要求。

LVDT传感器信号采用LVDT仿真卡PCI-4104模拟，PCI-4104支持16位分辨率、8通道(支持四线制/五线制)输出仿真功能，允许的激励源范围40 Hz～10 kHz，有效值范围为2～7 V，输出和激励之间相位差不超过1°，输出信号稳态精度在全量程范围内不超过0.1%。上位机通过设计不同的比率λ来模拟LVDT传感器的不同位移[10]，当比率为0时，表示LVDT传感器位移为0；当比率为-1时，表示LVDT传感器位移达到负向最大值；当比率为1时，表示LVDT传感器位移达到正向最大值。

2.2 四线制LVDT传感器调理验证

将图1中的四/五线制切换信号设置为高电平，电路处于四线制LVDT传感器调理模式，同时上位机将PCI-4104设置为四线制LVDT传感器模拟仿真模式。工程样机采集调理电路输出电压LVDT_OUT与上位机设置比率λ关系如图7所示，输出结果的误差如图8所示。

图7 四线制LVDT调理结果

图8 四线制LVDT输出误差

2.3 五线制LVDT传感器调理验证

将图1中的四/五线制切换信号设置为低电平，电路处于五线制LVDT传感器调理模式，同时上位机将PCI-4104设置为五线制LVDT传感器模拟仿真模式。工程样机采集调理电路输出电压LVDT_OUT与上位机设置比率λ关系如图9所示，输出结果的误差如图10所示。

图9 五线制LVDT调理结果

图10 五线制LVDT输出误差

2.4 电路测试结果

由以上验证结果可知，设计的可兼容四/五线制的LVDT信号调理电路最大误差为-0.3%，可实现将四/五线制LVDT传感器的位移信号转换成直流电压信号，线性度好，并且输出电压可通过电阻R7调整，其余参数均不需更改。

3 结束语

文中提出了一种基于某集成LVDT调理芯片的可兼容四/五线制的LVDT信号调理电路，电路主要包括五线制接口调理电路、四/五线制接口切换电路、某集成LVDT调理芯片及外围电路和初级激励故障检测电路。该电路配置简单、可靠，并且已通过试验验证，试验结果表明全量程内最大误差为-0.3%，线性度较高。此外，该电路输出电压通过调整电阻配置，适应性较广。