某型飛機駕駛桿LVDT傳感器信號調理校正

杜天軍，黃世超，劉書國，毛文杰

(中國人民解放軍95430部隊，成都 610081)

某型飛機駕駛桿LVDT傳感器信號調理校正

杜天軍，黃世超，劉書國，毛文杰

(中國人民解放軍95430部隊，成都 610081)

飛機駕駛桿LVDT(LVDT)傳感器信號測試校正在航空測控研究領域具有十分重要的意義，提出了一種針對某型飛機駕駛桿LVDT傳感器信號精確調理校正方法;介紹了飛機駕駛桿LVDT傳感器原理，分析了AD598 LVDT調理芯片的使用局限，利用最小二乘法設計了精確調理校正方法；基于VC++2010開發環境，利用高精度的模擬校正源產生模擬激勵校正信號，設計了駕駛桿LVDT多通道軟件自校正方法，它可以有效提高解調電路的線性度和對稱性，克服了AD598常規調理電路的使用局限，從而實現駕駛桿LVDT信號精確檢測；理論分析與數值試驗驗證了所提方法的正確性和有效性。

駕駛桿；LVDT信號；最小二乘法；線性度

0 引言

飛機駕駛桿是飛機上用來傳遞操縱指令和各種傳感器電信號，驅動飛機舵面運動的多個裝置總和，用于飛機飛行姿態的控制[1-4]，它的工作性能是否良好正常，直接影響著飛機性能的正常發揮和飛行安全。某型飛機作為我國目前的主要機種，其駕駛桿配置的是帶有四余度的電傳操縱系統。該型飛機駕駛桿中，在俯仰(也稱縱向)、滾轉(也稱橫向)、偏航3個方向共配置有12個線位移LVDT(線性位移差分變壓器，Linear Variable Differential Transformer)傳感器[1]，主要用于感受和測量飛機在3個方向的桿位移和電氣性能參數大小。LVDT 是一種機械-電子傳感器, 其輸入是磁芯的機械移動, 輸出是與磁芯位置成正比的交流電壓信號，利用駕駛桿LVDT傳感器輸出的信號去控制舵機，使飛機的舵面產生所需要的偏轉角, 從而達到操縱飛機的目的。因此，駕駛桿LVDT傳感器是飛機操縱和飛行控制系統前端重要的信息源，必須定期進行性能檢測，確保飛行安全。

在實際工程運用中, 通常采用AD 公司生產的集成LVDT信號處理芯片AD598或AD698進行LVDT信號解調處理[5-9]。 AD598/ AD698自身集成了內部振蕩器、電壓基準, 僅需少量幾個外圍無源元件就能完成對LVDT傳感器的激勵和信號解調處理, 并直接輸出與位移成正比的直流電壓, 芯片集成度高, 電路設計極為方便。但是在其使用過程中，由于零位偏移補償電路的影響、濾波放大電路的影響、或者由于溫度、濕度、噪聲、電磁干擾等原因的影響，會影響解調電路的線性度和對稱性，僅僅靠對AD598外圍無源器件進行調整修正不能有效改善線性度和對稱性，進而影響LVDT信號的檢測精度。

本文首先介紹駕駛桿LVDT傳感器原理，分析AD598 LVDT調理芯片的原理和使用局限，然后利用最小二乘法設計精確調理校正方法，基于VC++2010開發環境，利用高精度的模擬校正源產生模擬激勵校正信號，設計了駕駛桿LVDT多通道軟件自校正的方法，可以有效提高解調電路的線性度和對稱性，從而克服AD598常規調理電路的使用局限，實現駕駛桿LVDT信號精確調理檢測，極大提高測試精度。

1 駕駛桿LVDT傳感器及調理電路

1.1 駕駛桿LVDT傳感器

LVDT 是一種機械-電子傳感器[5-9]，由一個初級線圈和二個次級線圈組成，初級線圈由外部參考正弦波信號源激勵，二個次級線圈反向串聯。活動磁芯的移動可改變初次級線圈之間的耦合磁通，從而產生二個幅值不同的交流電壓信號。串聯次級線圈的輸出電壓隨著磁芯移離中心位置而升高，通過測量輸出電壓的電壓可以判斷磁芯移動的方向和大小。LVDT主要用于對線位移/角位移進行測量，具有精度高、線性度高、重復性好等特點，在航空科技中，廣泛應用于對駕駛桿位置、駕駛桿角度、油門桿位置、噴口位置等線/角位移進行精確測量控制。

該型飛機駕駛桿中，在俯仰、滾轉、偏航3個方向配置有12個線位移LVDT傳感器，主要用于感受和測量飛機在3個方向的桿位移大小。LVDT傳感器具有輸出穩定，抗干擾性強的特點，駕駛桿電傳操縱裝置中的大部分傳感器均采用LVDT差分放大傳感器形式，LVDT為線位移傳感器，RVDT為角位移傳感器，其原理大致一致，如圖1所示 。

圖1 LVDT差分放大傳感器原理示意圖

左側為初級繞組，即輸入端；右側為次級繞組，即輸出端，中間為磁芯。H-CT部分繞行方向與輸入側相同，L-CT部分繞行方向與輸入側相反，當初級繞組和次級繞組之間沒有相對位移時，U(out)H_CT與U(out)L_CT電壓值相同，故總輸出U(out)H_CT-U(out)L_CT為零，當初級繞組和次級繞組之間有相對位移時，U(out)H_CT與U(out)L_CT即不為零，U(out)H_CT-U(out)L_CT的大小即反映出位移的大小。

在圖1中，右側輸出為0～10 V的交流信號，以out_H和out_L端的電壓分析為例，UH-L的電壓輸出為-10 V∽10 V(負值表示Uout_H

1.2 信號調理電路

利用AD598為基礎構建該型飛機駕駛桿LVDT信號調理電路。如圖2所示，AD598首先驅動LVDT，然后讀出LVDT的輸出電壓并產生一個與磁芯位置成正比的直流電壓信號。AD598 通過內部的低失真正弦振蕩器產生一個固定頻率、固定幅值的正弦波, 經放大后作為激勵信號驅動LVDT的初級線圈，再通過可移動的磁芯耦合到LVDT 串聯的兩個次級線圈上,產生兩個同頻率的正弦波(VA,VB)。LVDT的磁芯與其所感應的機械位移形成一定的硬連接關系，當磁芯發生位移時，兩個次級線圈耦合到的正弦波的幅值發生變化，且(VA-VB)正比于磁芯位移即外部機械位移。AD598通過同步測VA與VB的幅值之差，在內部進行(VA-VB) /(VA+VB) 的運算，運算結果經濾波器濾波后，通過運算放大，輸出一個與位移成正比的電壓Vout。

圖2 AD598工作原理圖

圖3是AD598調理LVDT傳感器的具體連接電路示意圖。在具體使用過程中，相關元器件的關鍵參數選擇如下[6-7]：

(1)選擇激勵信號頻率來決定C1

C1=35μFHZ/fEXCITATION

(1)

(2)根據外圍電阻R1來確定調節激勵信號的幅值。AD598可以產生頻率從20Hz到20kHz，幅值為2Vrms到24Vrms的正弦波激勵信號，具體R1與VEXC的對應關系在AD598器件手冊中有一個曲線圖表，可以查找利用，這里不再贅述。本文采用的激勵信號為8Vrms/2 000Hz信號，R1=1.4kΩ。

(3)選擇輸出電壓Vout來決定R2

(2)

其中:S為靈敏度；d為滿刻度磁芯位移，單位為inch；VPRI為典型激勵情況下的參考電壓，一般由器件制造商在器件手冊中說明；VA+VB為典型激勵情況下，磁芯在中立位置VA=VB情況下的和值，一般由器件制造商在器件手冊中說明。例如，針對Schaevitz公司AD598E100芯片，采用其常用的Vout=±5V輸出范圍，則有：

(3)

(4)選擇R3、R4來調整偏置電壓Vos。

(4)

圖3 AD598調理LVDT連接電路示意圖

2 調理電路局限及精確調理實現

2.1 調理電路局限

雖然AD598/AD698LVDT處理芯片使用簡單、芯片集成度高、電路設計方便，但存在以下使用局限：

1)總誤差(包括溫度、濕度、噪聲、增益、增益漂移及輸入失調電壓漂移)：滿度0.6%；增益誤差：滿度0.4%；漂移誤差：滿度0.3%(以上參數詳見AD598器件使用手冊)。如果按照輸出電壓Vout=±10V計算，則對應的總誤差、增益誤差、漂移誤差分別達到60mV、40mV、30mV，而該型飛機駕駛桿LVDT的性能檢測要求精度達到±15mV，因此必須對AD598調理電路進一步高精度調理校正，否則難以滿足精度要求。

2)由公式(4)可以看出，偏置電壓VOS與R2、R3、R4相關，R2與輸出電壓Vout相關，Vout大則R2大，進而VOS變大。理想的信號調理電路，如果沒有特殊要求，盡量要求VOS趨近于0值，以使得調理電路具有良好的線性度和對稱性。因此，一般選擇Vout=±5V輸出范圍，減小R2對VOS影響；選擇R3趨近于R4，減小R3、R4對VOS影響。然而，在實際使用過程中，由于環境、溫度、濕度、噪聲、電磁干擾等因素的影響，R3不可能完全等同于R4，偏置電壓VOS始終會存在，因此必須對AD598調理電路進一步高精度調理修正，否則難以滿足精度要求。

3)綜合以上分析，以及由于傳感器本身特性和調理電路的本身特性并不是完全遵從0起點的線性關系,造成調理電路在實際使用過程中線性度和對稱性差，必須修正參數以提高解調電路的線性度和對稱性，否則會產生極大的系統誤差。如圖4所示，理想的調理電路輸入輸出線性度曲線如虛線所示，但實際應用中可能會由于溫度、濕度、噪聲、電磁干擾等原因出現如圖所示的真實線性度曲線，必須對其進行輸入輸出曲線校正，以使得其接近理想線性度曲線，提高測試精度。

圖4 調理電路線性度誤差示意圖

線性度和對稱性是信號調理電路和LVDT差分傳感器放大電路的重要指標。如果調理電路和放大電路的線性化程度差，則其傳遞的數據變化差異很大，即沒用的信號，對后續信號處理無任何意義。因此，線性度是解調電路線性特性的最客觀重要標準，直接影響線性回歸方程的求解和最終測量精度。

2.2 利用最小二乘法實現單個LVDT調理通道高精度校正

采用了最小二乘法曲線擬合來修正單個通道調理系統誤差[10-11]。假設調理電路的輸入輸出滿足以下多項式：

(5)

其誤差為：

(6)

在此處要求解a0，a1，…，an，使得誤差Q最小，則公式(6)中Pn(xi)代表的真實線性度曲線會無限接近公式(6)中f(xi)代表的理想線性度曲線,wi為權值。根據求極值的方法，并參考文獻[10-11]的思路，在公式(6)中分別對a0，a1，…，an求偏導，再使得偏導數為零，則得到a0，a1，…，an應滿足如下方程組：

(7)

整理方程組(7)并用矩陣表示可得到如下方程：

(8)

求解公式(8)所示的方程組，可得到a0，a1，…，an，代入公式(5)即可得到最小二乘擬合多項式。針對LVDT傳感器調理電路，線性度的偏差主要由乘性噪聲和加性噪聲引起，故本文設定電壓輸入輸出函數為一次函數即可：

y=ax+b

(9)

則有：

(10)

(11)

(12)

2.3 利用軟件自校正來實現駕駛桿LVDT多通道調理高精度校正

在本文的調理電路和軟件系統設計中，基于最小二乘法原理，利用軟件自校正來實現駕駛桿LVDT多通道調理高精度校正。如圖5所示，利用一個高精度模擬LVDT來產生圖1中的次級繞組輸出電壓，利用測試校正線將輸出電壓信號引入對應的校正通道，AD598處理芯片選擇Vout=±5V輸出范圍以盡量降低總誤差和偏置電壓的影響。利用高精度模擬LVDT產生輸出電壓Va-b=Va-Vb(差值電壓)和Va+b=Va+Vb(和值電壓)(如圖5所示)，以0.1V為間隔，在(0VAC，+9VAC)的范圍內，依次接入差值電壓Va-b交流信號，記作公式(12)中的xi，利用數據采集卡測定圖5調理電路板卡的輸出端Vout，記作公式(12)中的yi，由此得到90組數據，可以重復進行多次測量以增加最小二乘擬合的精確性，則利用公式(12)即可求出擬合公式(9)。擬合公式求出后，在實際測試中，當系統對俯仰LVDTA進行測試時，AD采集單元測得某一數值后，即可利用擬合公式反向求出俯仰LVDTA的真實輸出Va-b，對Va-b進行數據分析，即可判定該型飛機駕駛桿俯仰LVDTA的性能。本文基于VC++2010開發環境，設計了軟件自校正的方法，利用高精度的模擬校正源產生模擬激勵校正信號，利用測試校正導線將信號引入對應的校正通道，則軟件自動基于最小二乘法原理對通道的工作參數進行校正。

圖5 駕駛桿LVDT多通道調理高精度校正

3 試驗與分析

利用本文構建的駕駛桿LVDT信號多通道調理參數校正方法對LVDT進行了測試校正試驗，測試結果如圖7所示。在圖7中，當調理電路輸入電壓I分別為6.99 V、4.995 V、3.129 V、0.949 V時，駕駛桿縱向A/B/C/D 4個LVDT信號通道的調理輸出分別如圖6～7所示，其中垂直方向的0.000～50.000是為了便于觀察分析的放大顯示值，不考慮也不影響線性度的計算。試驗結果顯示了經過多通道軟件自校正后，解調電路系統具有極好的線性度和對稱性，具體分析如下：在圖6中，以A通道為例，當輸入I分別為6.99 V、4.995 V、3.129 V、0.949 V時，A通道的解調輸出分別為9.217 V、6.589 V、4.128 V、1.251 V，可以大致估算線性度如下：9.217/6.99≈1.318 6；6.589/4.995≈1.319 1；4.128/3.129≈1.319 2；1.251/0.949≈1.318 3；可以得出以上線性度之間的最大誤差為：1.319 2-1.318 3=0.000 9；如果以輸入7.5 V為例(因為7.5 V*1.319 2≈9.89 V接近采集卡最高采樣電壓值10 V)，則有輸出最大誤差7.5 V*0.000 9=6.75 mV，6.75 mV 遠小于系統±15 mV的精度要求；在圖6中，B、C、D通道也可以得出上述類似結果，由此可以看出：經過多通道軟件自校正后，解調電路系統線性度良好。在圖7中，顯示的是解調電路系統良好的對稱性，如圖所示，輸入某一電壓后，采集到A、B、C、D通道的正向輸出電壓分別為9.217 V、9.216 V、9.210 V、9.219 V，正向電壓反映在圖3、圖5中即Va>Vb，這時候利用導線將輸入電壓反向接入解調電路系統，采集到A、B、C、D通道的反向輸出電壓分別為9.213 V、9.215 V、9.207 V、9.220 V(注：反向輸出電壓實際為負值，此處為了直觀反映對稱性而取其絕對值進行分析)，對應的最大誤差為9.217 V-9.213 V=4 mV，由此可見：經過多通道軟件自校正后，解調電路系統對稱性良好。

圖6 縱向調理電路線性度曲線測試結果

圖7 縱向調理電路對稱性曲線測試結果

經過前述的LVDT多通道調理高精度校正方法之后，可以利用校正后的LVDT調理電路構建該型飛機駕駛桿電氣性能檢測系統，進行駕駛桿LVDT信號性能測試。具體駕駛桿LVDT性能測試軟件使用方法，這里不再贅述。

4 結論

飛機駕駛桿操縱裝置LVDT傳感器信號測試校準在航空測控研究領域具有十分重要的意義，本文介紹了駕駛桿LVDT傳感器原理，分析了AD598 LVDT調理芯片的原理和使用局限，利用最小二乘法設計了精確調理校正方法，基于VC++2010開發環境，利用高精度的模擬校正源產生模擬激勵校正信號，設計了駕駛桿LVDT多通道軟件自校正的方法，可以有效提高解調電路的線性度和對稱性，從而實現駕駛桿LVDT信號精確調理檢測。理論分析與數值試驗驗證了本文所提方法的正確性和有效性。

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LVDT Sensor Signal Conditioning and Calibration Method for a Certain Type Airplane Control Stick

Du Tianjun，Huang Shichao，Liu Shuguo，Mao Wenjie

(Army 95430 of PLA, Chengdu 610081, China)

This paper proposed a LVDT (Linear Variable Differential Transformer) signal conditioning and calibration method for a certain type fighter airplane control stick. Aimed at the airplane control stick LVDT signals, a conditioning and calibration method based on least squares method was founded via introducing the principles of LVDT sensor, and via analyzing the principles and limitation of AD598；a software self-calibration method which calibrate the multichannel LVDT signals was designed based on VC++ 2010, linearity and symmetry of signal conditioning circuit was improved effectively，and then detection precision of system was improved too. Theoretical analysis and experiment results show that the proposed method is effective for stick LVDT signal conditioning and calibration.

airplane control stick；LVDT signal；least squares method；linearity

2016-09-27；

2016-11-02。

杜天軍(1974-)，男，四川閬中人，博士，高級工程師，主要從事自動測試系統和機載設備故障診斷方向的研究。

1671-4598(2017)03-0240-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.065

V241.06

A