基于AD698的線性差動式位移傳感器解碼電路設計

王 寬，宮海波

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

基于AD698的線性差動式位移傳感器解碼電路設計

王 寬，宮海波

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

線性差動式位移傳感器(LVDT)由于其靈敏度高、線性度好、分辨率高、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛應用于機載測試系統(tǒng)中；為了設計出精度高，穩(wěn)定性好，能夠滿足機載測試需求的LVDT傳感器解碼電路，分析了LVDT傳感器磁芯位移與輸出電壓信號的關系，研究了AD698的內(nèi)部解調(diào)原理，設計出了基于AD698的信號解碼電路；該電路通過外圍元器件產(chǎn)生傳感器所需的激勵信號，并對激勵信號和傳感器輸出信號進行解調(diào)得到與傳感器磁芯位移成正比的直流電壓；最后通過實驗驗證該電路具有結構簡單、穩(wěn)定性高、精度高的優(yōu)點，能夠滿足機載測試的要求，且該電路已經(jīng)過高低溫和振動試驗，并成功應用于機載測試采集系統(tǒng)中。

線性差動；LVDT；AD698；解碼電路

0 引言

線性差動式位移傳感器(LVDT)能夠?qū)C械位移轉(zhuǎn)換成電信號，具有靈敏度高、線性度好、分辨率高等諸多優(yōu)點[1-3]，已廣泛應用于機載測試中，其作用是采集駕駛桿、方向舵、腳蹬、艙門變形等位移信號[4-5]。傳統(tǒng)的LVDT輸出信號解調(diào)方法是采用差動輸入整流電路和相敏電路，這兩種方法電路復雜，容易受干擾且不易調(diào)試[6]。

針對以上兩種解調(diào)電路復雜，精度差的不足，本文設計了一種基于AD698的LVDT信號解調(diào)電路。該電路通過簡單的外圍元器件產(chǎn)生LVDT傳感器所需的激勵信號，并對激勵信號和傳感器輸出信號進行解調(diào)，得到與傳感器磁芯位移成正比的直流電壓信號。該電路具有結構簡單，應用元器件較少，可靠性好等優(yōu)點。最后通過實驗驗證該解碼電路精度高，能夠滿足機載測試的精度要求；同時該電路經(jīng)過高低溫和振動試驗，能夠滿足機載測試的穩(wěn)定性要求。

1 LVDT傳感器工作原理

LVDT是一種直線位移傳感器[7]，它由一個初級線圈、兩個反向串聯(lián)的次級線圈及鐵芯組成，鐵芯可在一定線性范圍內(nèi)自由移動，鐵芯的移動可改變初級線圈對次級線圈的耦合磁通，進而改變傳感器的輸出電壓[8,9]，其等效電路圖如圖1所示。

圖1 LVDT等效電路圖

圖1中，L1和R1為初級線圈的等效電感和等效電阻；L21，L22和R21，R22分別為兩個次級線圈的等效電感和等效電阻，M1、M2分別為初級線圈L1對兩個次級線圈L21和L22的互感系數(shù)。

若忽略電阻，當在初級線圈上施加一個激勵電壓為u(t)=Usint(wt)的信號，則線圈上產(chǎn)生的電流為i(t)=-Icos(wt)[10-11]，根據(jù)互感原理，兩個次級線圈上產(chǎn)生的電動勢分別為：

(1)

(2)

此時輸出電壓U0=E1-E2，當鐵芯處于中心位置時，初級線圈對兩個次級線圈的互感系數(shù)相等即M1=M2=M，則輸出電壓U0=0[12]。

當鐵芯位移變化x時，初級線圈對次級線圈的互感變化為：

ΔM=Kx

(3)

K為耦合系數(shù)。

則M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

此時兩個次級線圈上產(chǎn)生的電動勢分別為：

(4)

(5)

則傳感器輸出電壓為：

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

(6)

由式(6)可知LVDT傳感器磁芯運動的位移和方向可以通過輸出電壓U0的幅值大小和極性來表示。

2 AD698芯片解調(diào)原理

AD698芯片內(nèi)部結構框圖如圖2所示，可見AD698內(nèi)部包含一個固定輸入通道B和一個同步解調(diào)輸入通道A。LVDT傳感器輸出信號進入通道A，激勵信號進入與通道A相連的比較器，比較器輸出的方波信號與A通道信號相乘，獲得全正或者全負的整流信號，再經(jīng)過低通濾波器，獲得直流信號。LVDT傳感器的激勵信號進入通道B，與通道B相連的比較器對自身信號進行比較獲得方波信號，與激勵信號相乘獲得全正值的整流信號，再經(jīng)過低通濾波器，獲得直流信號。A、B通道輸出的直流信號進入除法器，再經(jīng)過調(diào)幅電路即可獲得輸出電壓Vout。

圖2 AD698芯片內(nèi)部結構框圖

勵磁信號u(t)=Usint(wt)經(jīng)過比較器后獲得方波信號f(t):

(7)

將該方波信號進行傅立葉分解可得：

(8)

將激勵信號和式(6)所示的傳感器輸出信號分別與式(8)所示的方波信號相乘[13-14]，可得：

(9)

(10)

式(9)為AD698B通道乘法器輸出信號，式(10)為A通道乘法器輸出信號，乘法器的輸出信號中都含有直流分量，因此將該信號通過低通濾波器，只讓直流分量通過，再經(jīng)過除法器即可得輸出信號為：

(11)

可見輸出直流信號只與磁芯的位移量x有關，再經(jīng)過調(diào)幅電路可將該輸出電壓調(diào)節(jié)到設定的幅值范圍[15]。

3 解碼電路設計與實驗

3.1 解碼電路設計

本文中解碼電路如圖3所示。由于飛機上所使用的LVDT傳感器限制，需提供有效值小于3V，頻率為10KHz的激勵信號，因此該解碼電路按此要求設計。

圖3 解碼電路圖

AD698輸出激勵信號的電壓值由圖3中電阻RB1決定。輸出電壓與電阻RB1之間的關系如圖4所示，采用滑線變阻器代替RB1，最終確定RB1為19.5K。

圖4 AD698激勵信號電壓與電阻關系圖

激勵信號頻率由芯片7、8引腳之間的電容C1決定，C1的值可由下式確定。

(12)

式中，fEXCITATION為激勵頻率，因此C1取值3.5 nF。

A、B通道的低通濾波電容可由下式確定。

(13)

式中，fSUBSYSTEM為系統(tǒng)所需頻帶寬度，本文所選頻帶寬度為250 Hz，因此CZ13=CZ14=CZ15=0.4 uF。

AD698輸出電壓范圍由RB1決定，RB1的值可由式(14)確定：

Vout=S*d*500 uA*RB1

(14)

式中，S為傳感器的靈敏度，d為傳感器量程，本文設置輸出電壓范圍為±5 V。

AD698最終輸出電壓傳遞函數(shù)也可表示為

*500 uA*RB1

(15)

3.2 實驗驗證

圖5 LVDT信號源輸出波形

圖6 解碼電路輸出波形

由圖6可知解調(diào)電路實際輸出電壓為1.86 V，且波形平穩(wěn)，脈動小。按照公式(15)計算出解調(diào)電路的理論輸出電壓為1.875 V，相對誤差為0.8%，滿足機載測試的精度要求。

表1 解碼電路試驗結果

可見，本文設計的基于AD698的LVDT信號解碼電路，電路簡單便于調(diào)試，激勵信號的幅值和頻率滿足飛機上LVDT傳感器激勵信號的要求；解碼電路精度高，能夠滿足機載測試的精度需求；同時完成了高低溫試驗和振動試驗，表明該電路能夠滿足機載測試的穩(wěn)定性要求。

4 結論

通過深入分析線性差動式位移傳感器(LVDT)的等效電路，可知傳感器輸出電壓的幅值和極性可以反映磁芯位移及移動方向；研究AD698的內(nèi)部解調(diào)原理，可知AD698能夠?qū)VDT傳感器信號進行解調(diào)，且AD698輸出電壓大小和極性可以反映傳感器磁芯的位移變化量。基于此設計出了一種結構簡單、高精度的基于AD698的LVDT信號解調(diào)電路，實驗表明該電路精度高，能夠準確的對LVDT信號進行解調(diào)，且該電路已完成高低溫和振動試驗，能夠滿足機載測試的要求。本文設計的解碼電路，結構簡單、穩(wěn)定性高、精度高已成功應用于機載測試系統(tǒng)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 寬(1989-)，男，陜西省渭南人，助理工程師，碩士,主要從事機載測試方向的研究。

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

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