4线制LVDT传感器双余度调理电路设计与验证

王 浩，冯健朋，杨恒辉

(1.西北工业大学，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

随着航空技术的不断发展，机载设备功能越来越复杂，如何提高机载设备的可靠性，成为了机载设备设计的重要问题[1]。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、耐高温等优点，在航空领域有着广泛的应用[2]，因此，对LVDT传感器调理电路的可靠性提出了更高的要求，使用高质量等级的元器件是提高可靠性的最直接办法，但受制于元器件设计、制造工艺的限制，元器件级别的可靠性提升潜力有限。多余度设计是机载设备提高可靠性的有效方法，当电路出现故障时，能自动检测与诊断，并对故障通道进行隔离，使用备份通道恢复设备的功能，因此多余度设计可以克服元器件可靠性提升的限制[3]。综合考虑设备体积、功耗及成本等因素，本研究四线制的LVDT传感器调理电路采用双余度架构实现。

四线制LVDT传感器包括一个初级线圈、两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恒量被测物体的位移[4-6]。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。四线制LVDT传感器中两个次级线圈反向串联到一起，共引出四根线，传感器的具体形式如图1所示。

图1 四线制LVDT传感器结构

四线制LVDT传感器激励一般为正弦信号，次级端感应的信号也为正弦信号，处理器无法对其直接处理，需要专门的电路将其调理成直流电压信号。国内外学者对LVDT传感器调理电路及方法进行了大量研究，文献[7]提出了一种五点估算正弦信号幅值的方法，不需将LVDT传感器次级端的交流信号转换为直流信号，实现了使用中速器件完成LVDT传感器信号调理；而文献[8]提出了一种根据模拟开关实现正弦信号全波整流的方案，再通过低通滤波可实现将LVDT传感器次级端的交流信号转换为直流电压信号；而文献[9]利用精准相位匹配的方式实现了LVDT传感器次级端交流信号幅值信息的提取。以上LVDT调理电路均采用单通道实现，未考虑故障系统的影响，无法满足机载电子设备高安全性要求。该文提出了一种LVDT传感器信号双余度调理电路，并且经过实际的工程验证，具有较广的应用价值。

1 调理电路说明

1.1 LVDT传感器工作原理

图2为四线制LVDT传感器的双余度调理电路原理框图，其中LVDT传感器包括一个初级线圈LP和两个次级线圈LS1和LS2，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[10]，则次级线圈LS1和LS2产生的感应电动势VA和VB分别表示为：

图2 LVDT传感器双余度调理电路结构框图

VA=K*A*sin(ωt)*(Lzero-L)

(1)

VB=K*A*sin(ωt)*(Lzero+L)

(2)

式中：

K——LVDT传感器初级线圈与次级感应系数；

Lzero——LVDT传感器铁磁芯体的参考零位；

L——铁磁芯体相对于参考零位的位移。

对于四线制LVDT传感器来说，LVDT传感器次级输出电压VO可表示为：

VO=VB-VA=2*K*A*sin(ωt)*L

(3)

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=2*K*L

(4)

由公式(4)可看出，LVDT传感器相对于参考零位的位移L大小正比于次级输出信号VO幅值和激励Vex幅值的比值，当L为正向位移时，LVDT传感器次级输出信号VO与初级激励Vex同相位；当L为负向位移时，LVDT传感器次级输出信号VO与初级激励Vex相位差180°。

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，可以较高精度和可重复性将LVDT传感器位移信息转换为直流电压信号，可通过配置偏移将输出的直流电压设置为单极性和双极性电压，直流电压正比于LVDT传感器位移[11]。某集成LVDT调理芯片内部原理框图如图3所示，A通道输入端接入的正弦交流信号与A通道同步输入端接入的信号完全同步和反相时，该集成芯片内部的全波整流电路才能正常工作，通过低通滤波才能得到与A通道输入端正弦交流信号的幅值成正比的直流电压，进而才能得到A通道输入端正弦交流信号与B通道输入端的交流信号幅值的比值信息。因此A通道输入端信号与A通道同步输入端接入的信号是否同步是该集成芯片能否正常工作的前提。

本文采用聚类分析方法对不同载荷分布比例的车辆进行区分，聚类后同类数据尽可能地聚集到一起，不同类的数据尽量分离，以找到隐含的规律。聚类算法的选择取决于数据的类型和聚类的目的。K-均值(K-Means)是划分方法中比较经典的聚类算法,效率较高，广泛应用于大规模数据的聚类。

图3 某集成LVDT调理芯片内部结构框图

1.3 LVDT传感器双余度调理电路设计

图2为提出的LVDT传感器双余度调理电路的原理框图，主要包括防护滤波电路、通道切换电路、两通道LVDT调理电路、激励幅值检测电路和A/D转换电路。由于两通道LVDT调理电路需对同一个LVDT传感器信号进行调理，为保证可靠性，两片LVDT调理电路输出的激励之间不能短路，故需通过通道切换电路对两通道LVDT调理电路输出的激励信号进行选择。当LVDT调理电路A为主调理通道时，CPU输出的通道切换控制信号CFL_CHCV令单刀双掷开关S1、S2上端与输出端短接，则施加到LVDT传感器的初级线圈激励来自于LVDT调理电路A；同理，当LVDT调理电路B为主调理通道时，CPU输出的通道切换控制信号CFL_CHCV令单刀双掷开关S1、S2下端与输出端短接，则施加到LVDT传感器的初级线圈激励来自于LVDT调理电路B。

为保证两通道LVDT调理电路能够正常工作及消除两片LVDT调理电路激励不同带来的调理误差，单刀双掷开关S1、S2输出端同时与两通道LVDT调理电路的BIN端与ACOMP端相连，LVDT传感器的次级输出信号经过防护滤波电路后直接与LVDT调理电路的AIN端相连，此时两通道LVDT调理电路输出电压与LVDT传感器的位移L成正比，CPU经A/D转换电路得到LVDT传感器位移信息。同时CPU还监控两通道LVDT调理电路输出的交流激励幅值，当检测到主调理通道的LVDT调理电路输出的激励幅值异常时，CPU通过输出通道切换控制信号实现主控/备份通道切换控制，并忽略故障LVDT调理电路输出电压，实现了故障屏蔽及电路恢复功能设计。

1.3.1 通道切换电路设计

通道切换电路由2个单刀双掷模拟开关构成，单刀双掷开关选择某型集成芯片实现，该芯片内部集成了4路单刀双掷开关，导通电阻最大为35 Ω，导通时间不超过175 ns，断开时间不超过145 ns，单路开关持续通过电流不超过25 mA。通道切换电路原理如图4所示。为保证电路系统可靠性，提高通过模拟开关电流的上限，该文采用将两个单刀双掷开关并联的方案，将两个开关的输入端与输出端分别短接，且都由通道切换控制信号CFL_CHCV控制。并联后，驱动电流可达到50 mA，满足LVDT传感器激励驱动电流的要求。

图4 通道切换电路原理

1.3.2 LVDT调理电路设计

LVDT调理电路A和LVDT调理电路B设计完全相同，以LVDT调理电路A为例对该电路设计进行说明。LVDT调理电路A基于某集成LVDT调理芯片实现[12]，ACOMP与BIN均与LVDT_B+及LVDT_B-相连，而LVDT传感器输出信号POSA及POSB与AIN端相连。根据该LVDT调理集成芯片手册可知，可通过外围电阻配置正弦激励信号EXC+_A及EXC-_A的幅值，通过电容设置正弦激励信号EXC+_A及EXC-_A的频率，LVDT测量系统的带宽也可通过电容配置。该研究配置的激励信号幅值有效值4.1 Vrms，激励信号频率为3 kHz，测量系统的带宽为1.062 kHz。

1.3.3 幅值检测电路设计

在对LVDT传感器信号进行调理的过程中，LVDT调理电路需要为LVDT传感器提供激励，功耗较大，LVDT调理电路输出激励异常是最常见的故障，因此检测激励信号幅值是否正常，并且切换到备份通道来保证调理电路的稳定运行。

图5 幅值检测电路原理

2 电路通道切换逻辑设计

四线制LVDT传感器调理电路具有两个完全相同的通道，同时采集LVDT传感器位置信息，其中主控通道能够为LVDT传感器提供激励信号，备份通道处于热备份状态，当CPU检测到主控通道发生故障且备份通道正常时，可以切换到备份通道输出激励信号[14]。通道切换逻辑如表1所示。

表1 通道切换逻辑

此外，当两通道均未发生故障时，为平衡两通道间主控次数，保证两个通道调理电路的元器件寿命保持一致，采用通道轮值的方式进行通道切换。若上一次产品上电为有效上电(可通过判断上电持续时间是否大于某一固定阈值)，并且备份通道激励没有故障，则令上个周期备份通道为本周期主控通道。

3 电路验证

为充分表明提出的LVDT传感器双余度调理电路的功能和性能，制作了工程样机和测试台对其进行验证。其中测试台主要基于LVDT仿真卡和工控机实现，LVDT仿真卡型号为PCI-4104，支持16位分辨率、8通道(支持4线制/5线制)输出仿真功能，允许的激励源范围400 Hz～10 kHz，幅值范围为2 Vrms～7 Vrms，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%。将PCI-4104插入到工控机中，开发上位机软件对该仿真卡进行驱动控制，上位机输入不同的比率λ来模拟LVDT传感器的不同位移[15]。

3.1 通道切换功能验证

在提出的电路工作过程中，令CPU输出切换指令对通道切换功能进行验证。图6所示为通道切换功能的验证结果，自上向下分别为图2中的A通道激励信号EXC_A+、B通道激励信号EXC_B+、通道切换控制信号CFL_CHCV、通道切换电路输出信号LVDT_B+、A通道输出的调理电压信号和B通道输出的电压信号，在开始时，A通道为主控通道，在0.5 s左右对通道进行切换，令B通道为主控通道，在2.1 ms处再次进行通道切换。从图6中可以看出，在CPU输出切换指令后，本电路可快速进行通道切换，主控通道及备份通道的采集结果基本可保持不变，保证了本电路的稳定可靠。

图6 通道切换功能验证

3.2 LVDT传感器调理功能验证

将图2中的通道切换信号CFL_CHCV输出高电平，A通道处于主控通道，通过上位机设置PCI-4104不同的比率λ来模拟LVDT传感器的位移，工程样机A通道、B通道采集调理电路输出电压与上位机设置比率λ，此时采集的最大误差如图7所示。

图7 A通道主控采集误差

设置通道切换信号CFL_CHCV输出低电平，B通道处于主控通道，此时采集的最大误差如图8所示。

图8 B通道主控采集误差

3.3 电路测试结果

由以上验证结果可知，本研究设计的LVDT传感器双余度调理电路可实现快速通道切换功能，在切换过程中对采集结果基本无影响，可保证调理电路的正常工作，大大提高了系统可靠性。当A通道主控时，A通道误差最大为-0.24%，B通道误差最大为-0.3%；而B通道主控时，A通道误差最大为0.35%，B通道误差最大为-0.5%。

由此可知，不同通道主控对电路输出精度影响不大，调理精度至少可达到-0.5%，满足了精密位移测试系统要求。

4 结束语

该文提出了一种LVDT传感器双余度调理电路，并基于激励信号幅值检测结果实现通道切换逻辑设计，为平衡两通道的元器件寿命，提出了轮值的切换策略，大大提高了调理电路的可靠性。搭建了验证平台对该电路进行了验证，验证结果表明可实现通道快速切换功能，并且切换过程对采集结果基本无影响，双通道信号调理精度高，适合可靠性要求高的机载设备使用要求。后续可对故障检测内容继续完善，比如可通过检测两通道输出结果的变化率及范围来判断电路是否存在故障。