基于線性差動變壓傳感器的高精度微位移測量系統

姜 彪 李榮正

(上海工程技術大學電子電氣工程學院)

基于線性差動變壓傳感器的高精度微位移測量系統

姜 彪 李榮正

(上海工程技術大學電子電氣工程學院)

針對現有微位移測量系統的不足，設計了一種高精度微位移測量方案。設計完善了信號調理電路，以線性差動變壓傳感器作為位移敏感元件，提出一種新的線性差動變壓傳感器正弦激勵信號產生方法和多重反饋有源帶通濾波器基波信號抽取電路。同時，為整個系統設計了完善的供電系統，采用TOP224構成反激式變換電路，再通過線性電源變換器轉換至相應電壓。微動測量架的校驗結果表明，系統精度達到了1μm。

微位移測量系統 線性差動變壓傳感器 正弦激勵 帶通濾波 信號調理

在信息采集系統中，傳感器通常處于系統前端，即檢測和控制系統之首，給系統提供處理和決策所必需的原始信息，因此，傳感器的精度對整個系統是至關重要的[1，2]。在位移、速度和加速度測量中，常使用差動變壓傳感器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)，它是利用線圈自感或互感的變化實現測量的裝置，具有靈敏度和分辨力高、線性度好、工作可靠、壽命長及易于監控等優點，廣泛應用于工業、農業、醫療及軍事等領域[1]。為提高其測量精度，筆者設計完善了其信號調理電路和供電電路。

1 LVDT微位移測量原理

LVDT屬于直線位移傳感器(圖1)，簡單地說就是鐵芯可動的變壓器，包括一個初級線圈、兩個次級線圈、鐵芯、線圈骨架及外殼等部件。

圖1 LVDT傳感器內部結構

用具備驅動能力的正弦波信號激勵LVDT傳感器初級線圈，在LVDT次級線圈即可得到相應的輸出信號，如圖2所示。初級線圈和次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內部有一個可自由移動的桿狀鐵芯[3]。當鐵芯處于中間位置時，兩個次級線圈產生的感應電動勢相等，這樣輸出電壓為零；當鐵芯在線圈內部移動并偏離中心位置時，兩個線圈產生的感應電動勢不等，有電壓輸出，其值取決于位移量的大小[4]。為了提高傳感器的靈敏度，改善其線性度、增大其線性范圍，設計時將兩個線圈反串相接、兩個次級線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是兩個次級線圈的電壓之差，這個輸出的電壓值與鐵芯的位移量成線性關系。LVDT工作過程中，鐵芯的運動不能超出線圈的線性范圍，否則將產生非線性值，因此所有的LVDT均有一個線性范圍[5]。

圖2 LVDT傳感器的激勵信號和輸出波形

2 系統整體設計

微位移測量系統的結構框圖如圖3所示。系統由微處理器產生方波信號，通過多重反饋有源濾波電路抽取2.5kHz正弦基波信號，將該信號送入平衡驅動單元增強信號的驅動能力，用具備驅動能力的2.5kHz正弦波信號激勵LVDT的初級線圈，在LVDT次級線圈即可得到相應的輸出信號，該信號隨LVDT感應棒在線圈中的位置變化而變化，頻率為2.5kHz，波形為正弦波。然后系統將濾除噪聲后的正弦波信號送入均方根值(Root Mean Square，RMS)轉換電路，將正弦波信號轉換為直流信號，該直流信號送入AD采樣單元，完成模擬量到數字量的轉換，再經單片機讀取AD轉換單元的電壓轉換結果，經過一定的數字濾波算法，降低信號的噪聲，再將轉換結果電壓值通過理論計算公式換算成感應棒在線圈中的位移值，送入顯示單元將結果顯示出來。

圖3 微位移測量系統結構框圖

3 硬件設計

3.1 微處理器單元電路

微處理器單元電路如圖4所示，微處理器主要完成方波信號、AD轉換結果讀取、數據處理和顯示功能。

系統設計了一個STC12C5630AD最小系統電路，包含一個單片機正常運行所必需的外圍電路、單片機外部晶振電路和單片機復位電路。由于使用的是無源晶振，必須外接電容，STC推薦使用小于33pF的電容，系統選用27pF電容。上電復位電路選用4.7μF電容和10kΩ電阻組合。為了降低電源噪聲，提高系統可靠性，在單片機電源端加入了電解電容和陶瓷電容(電路圖中未畫出)。電路中還設置了一個按鍵中斷，目的是實現數據顯示模式的切換，K1沒有按下時，中斷腳IN03.2為高電平；K1按下時，電容C12開始放電，電壓逐漸降至0V，在中斷腳產生一個下降沿，觸發中斷；按鍵松開時，電容開始充電，恢復高電平。電容C12的作用是消抖，防止按一次按鍵因機械抖動而產生多次中斷。

圖4 微處理器單元電路

3.2 多重反饋有源帶通濾波器電路

多重反饋有源帶通濾波(圖5)單元主要實現基波抽取功能，其模型就是帶通濾波器，作用是將2.5kHz方波的正弦基波信號抽取出來。由方波信號的傅里葉變換可知，方波信號是由不同頻率的正弦波組成的，而帶通濾波器只允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲，該頻段的中心頻率為濾波器的中心頻率，遠高于和遠低于中心頻率的信號不能通過該濾波器，因此帶通濾波器能夠將特定頻率的信號抽取出來。

圖5 多重反饋有源帶通濾波電路

3.3 RMS轉換電路

RMS轉換電路如圖6所示，主要實現將雙極性正弦波信號轉換成直流信號。

圖6 RMS轉換電路

一般常用的是精密整流方式，然而精密整流中存在二極管，而二極管溫度特性較差，對于高精度的應用場合效果不好。因此，本系統采用低成本、低功耗的RMS-TO-DC轉換器AD8436。AD8436可以精確計算交流波形RMS值的直流等效值，包括由開關模式電源供電和三端雙向可控硅控制的復雜模式[6]，能在很寬的輸入電平和溫度范圍實現高精度轉換。

3.4 TOP224設計

結合最新的開關電源技術，采用TOP224組成反激式變換器成功實現了系統的高效供電，其內部原理如圖7所示。TOP224是低成本低損耗且具有最少外圍元件的開關器解決方案，具有90%以上的轉換效率、自動重啟和限流功能熱關斷功能，保護系統反激式、正激式、升壓或降壓拓撲光耦反饋穩定的斷續和連續工作模式，低EMI(Electromagnetic Interferen)電磁干擾，簡單的電路和設計工具減少了設計時間。在內部集成了一個開關控制系統所有的功能元件，包括功率MOSFET、PWM控制器、高壓啟動電路、環路補償和保護電路[7]。

圖7 開關電源TOP224的內部原理

4 軟件設計

系統的軟件流程如圖8所示。系統上電后，初始化定時器，利用定時器中斷產生2.5kHz方波信號，然后初始化外中斷，為按鍵功能切換做準備；打開總中斷后，方波開始產生，然后方波沿著信號流程先經過多重反饋有源濾波器變成正弦波，再經過驅動電路，驅動LVDT傳感器，LVDT傳感器的輸出信號被儀表放大電路提取放大并送至濾波器，再送到RMS轉換電路，將正弦波交流信號轉換為直流，送至AD轉換單元轉換成數字量，由單片機讀取轉換結果。

圖8 系統軟件流程

為了降低轉換后的數字信號噪聲，通過數字濾波算法和一定的運算得到位移值，根據系統的顯示模式，將數據結果顯示在數碼管上，系統顯示模式可以由按鍵選擇。

5 測量校驗

利用微動測量臺架校驗系統測試基于LVDT

的微位移測量系統的精度和線性度。

微動測量臺架參數如下：

刻度值 0.20μm

測量范圍 0.0～0.4mm

測量誤差 ±0.12～±0.20μm

將微動測量臺架的指示值校正為零，將回彈式LVDT位移傳感器固定在微動測量臺架上，將LVDT輸入輸出接入系統，打開微位移系統工作電源，調節LVDT的高度，直到微位移系統顯示的位移值為其量程的中間值。按下微位移系統顯示面板上的按鈕，將顯示模式調整為相對值輸出模式。首先清零，然后以10μm遞增的方式調節微動測量臺架，記錄微位移系統的讀數，按照最小二乘法擬合方式，求出系統的系數，在程序中測量值乘以該系數作為顯示值。

將微動測量臺架調回原點，記錄微動測量架在0、10、20、30、40、50、100、200、300μm時微位移系統的相對值讀數。返程調節測量，分別記錄微動測量架在300、200、100、50、40、30、20、10、0μm時微位移系統的相對值讀數。重復該過程3次，并將測試數據列于表1。可以看出，系統精度達到了1μm。

表1 系統的3次測試值 μm

6 結束語

筆者設計的基于LVDT的高精度微位移測試系統，選用具有很多優勢的線性差動變壓器作為位移敏感元件，并針對線性差動變壓器設計了低漂移信號調理電路。該系統可以用來測量物體的伸長度、振動頻率、振幅、物體厚薄程度及膨脹度等精確數據。具體還可以用在機床工具和液壓缸的定位，以及輥縫、閥門的控制等。

[1] 姚丹.一種LVDT精密測長儀的仿真研究[D].大連:大連理工大學,2009.

[2] 高肇凌,郭雪,陳艷東，等.無線傳感器網絡在水下防噴器控制系統中的應用[J].石油化工自動化,2016,52(2):25～28.

[3] 蔣志濤.基于LVDT和SGS的微定位控制系統[D].上海:上海交通大學,2011.

[4] 魏婷,夏德天.基于LVDT/RVDT的交流模擬量解調方法研究[J].航空計算技術,2013,43(1):116～119.

[5] 陳貞,李曉虹,張鍵.差動變壓器式位移傳感器的設計與實現[J].武漢工程職業技術學院學報,2011,23(4):34～36.

[6] 張靜,房國志,李文娟,等.新型開關芯片TOP224P在開關電源中的應用[J].黑龍江自動化技術與應用,2009,18(4):51～53.

[7] 宋曉貞.基于PWM/PSM調制高效反激變換器的研究設計[D].成都:電子科技大學,2011.

DesignofHigh-precisionMicrometricDisplacement-measuringSystemBasedonLinearDifferentialTransformer

JIANG Biao, LI Rong-zheng

(College of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science)

Considering shortcomings of existing micrometric measurement systems, a high-precision micrometric measurement scheme was designed and the signal processing circuit was perfected. Through having linear differential transformer displacement sensor (LVDT) taken as sensitive element for the displacement measurement, a new LVDT sine excitation signal generating method and a multiple feedback active band-pass filter fundamental signal extraction circuit were proposed; meanwhile, a perfect power supply for the whole system was designed which adopts TOP224 to form the flyback converter circuit and then converts it to the corresponding voltage. Verifying it on a micrometric displacement measurement bench shows that this system’s accuracy can reach 1μm.

micrometric displacement measurement system, LVDT, sine excitation, band-pass filter, signal processing

TH822

A

1000-3932(2017)05-0482-05

姜彪(1992-)，碩士研究生，從事計算機分布式控制、檢測技術和儀器儀表的應用研究。

聯系人李榮正(1960-)，教授，從事計算機控制、檢測技術和遠程監測技術的研究，lrz@sues.edu.cn。

2016-09-08，

2017-04-25)