磁軸承用差動變壓器式傳感器優化設計

李磊 王震 尹相一

摘 要：差動變壓器式位移傳感器在測量小位移量時有著許多的優點。對差動變壓器式位移傳感器和所使用的信號調理器的工作原理作了簡單的分析介紹，，配合使用AD698芯片搭建位移測量系統優化差動變壓器傳感器位移測量對轉子轉速的干擾，減少對轉子控制的影響，進一步達到磁懸浮軸承測量的精準化。[1]

引 言

差動變壓器式傳感器是在傳統傳感器上改進，利用物體在移動時產生的能量推動電壓產生的變化而求出所求量的物理實驗器材，即將各個物理量變換為電量的變化。它廣泛的應用于各種物理量的測量，如伸長、壓力、應變、振動、物體的厚度等。在小位移量的測量中有著諸多優點，如結構簡單、電路簡易可靠、測量線性范圍大、重復性好且線性度高、有較高的靈敏度和分辨力、價格便宜等，此外傳感器內部沒有活動觸點，可靠性很高，使用壽命長。

本文采用軟件系統完成測量系統的智能化非線性校正模塊。實現智能化非線性校正的編程方法有很多種，如查表法、曲線擬合法、支持向量機法、神經網絡法等，本文考慮到測量系統的處理器性能的約束以及實現成本，采用曲線擬合法實現智能非線性校正。[2]

1、智能化非線性校正模塊

1.1原理介紹

通過軟件編程來進行非線性校正，改善系統的靜態特性。

傳感器及其調理電路的輸入輸出特性（x-u）稱為正模型：（1）

逆模型就是正模型的反非線性特性：（2）

式中x為系統的被測輸入量；u為傳感器及其調理電路的輸出量，也是存放在處理器中非線性校正器模塊的輸入；y=x是非線性校正器模塊的輸出，也是加入智能模塊后的系統總輸出。系統框圖如圖1所示。[3]

1.2曲線擬合法實現方法介紹

曲線擬合法采用n次多項式來逼近反非線性特性方程，多項式方程的系數由最小二乘法來確定，步驟如下：

（1）進行試驗標定，得到校準曲線。

（2）設反曲線特性擬合方程

（3）利用最小二乘法來確定a0、a1、a2、a3的數值的基本思想是：步驟（2）確定的各個xi（vi）值，與各個標定值xi的均方差要最小。

2、搭建測量系統

2.1AD698芯片原理介紹

AD698是一款十分完整的LVDT信號調理子系統。能夠以較高的可重復性和精度將原始LVDT的副邊輸出轉換成比例直流電壓。AD698芯片內部由激勵源、同步比率解調以及濾波放大輸出三個模塊組成，結構框圖如圖2所示。

激勵源由電壓參考、振蕩器、放大器構成，為外接的LVDT傳感器初級繞阻線圈提供驅動功率。同步解調模塊由2個相互獨立、性能相同的調幅波同步解調通道A、B以及占空比除法器組成。濾波器除了濾除激勵源和高頻噪聲的干擾以外，還將信號平滑為直流輸出。放大器是一個電流放大器，占空比除法器輸出的脈寬調制信號先被轉換為參考電流調制信號i，i與脈沖波的占空比成正比，即：

i=Iref·A/B（3）

式中Iref=500μA，是標定值為500μA的參考電流。

VOUT=i·R·A/B·R2（4）

AD698輸出電壓VOUT與比值A/B成正比，也就是與被測信號（位移量）成正比，比例系數可通過外接電阻R2來設置。[4]

2.2LVDT傳感器側量系統構建

LVDT與AD698配套使用，能夠十分精確地將LVDT的機械位移量轉換成單極性或雙極性的直流電壓。LVDT可用多種方式配接AD698：變壓器次級繞組線圈反向串聯、半橋式接法以及全橋式接法。本文采用的是第一種反向串聯的接法。[5]

3、智能化非線性校正結果演示

（1）在之前的測量數據中，選取適當的標定點

（2）建立逆模型表達公式：X=a0+a1·V+a2·V2+a3·V3（5）

（3）求系數：a0=5.182663，a1=0.354056，a2=-5.821352×10-4，a3=3.12917×10-4。計算上述常系數值的式（5）的編程算式在本實驗中存入智能化非線性校正模塊中實現。

（4）逆模型檢驗。向逆模型中輸入電壓V，比較實驗值的位移量X與逆模型計算值X'，其偏差Δ=|X-X'|。[6]

（5）線性度改善情況分析。

與改善前的相比，系統的線性度得到了明顯的提升。

4、結論

LVDT配合AD698搭建的測量系統，加入智能化非線性校正模塊，更進一步提高了測量系統的線性度，降低了非線性誤差。采用的曲線擬合算法在程序實現上靈活簡便且可靠。

參考文獻

[1] 金超武.差動變壓器式傳感器在磁懸浮軸承中的應用研究[D].南京航空航天大學，2006.

[2] 楊朝英.電感傳感器在磁懸浮軸承系統中的應用研究[D].南京航空航天大學，2005.

[3] 白志峰.磁軸承用位移傳感器的研究[D].山東科技大學，2005.

[4] 吳堅.主動磁懸浮軸承控制器的研究[D].蘇州大學，2004.

[5] 鄒海丹，朱熀秋.磁懸浮軸承轉子位移檢測技術[J].軸承，2009，04：53-56.

[6] 金婕，朱熀秋.磁懸浮軸承轉子位移自檢測方法[J].微電機，2014，09：79-84.