基于LVDT微位移測量系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李慧妍 姜彪 李榮正 戴國銀

摘要：針對現(xiàn)有微位移測試系統(tǒng)的諸多不足，設(shè)計(jì)了一種基于LVDT的微位移測量系統(tǒng)。采用線性差動變壓器LVDT作為系統(tǒng)位移敏感元件，通過搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，對系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的靜態(tài)測試，并著重對微位移測量系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了測試分析。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)在量程400內(nèi)，能夠手動進(jìn)行任意標(biāo)定，分辨率約為0.1，精度約為2～3，相對誤差小于4%，線性度可達(dá)0.06%以內(nèi)，時(shí)間穩(wěn)定性約為0.2/h。

關(guān)鍵詞：線性可變差動變壓器（LVDT） 微位移測量 線性度

隨著科技的發(fā)展，微位移測量廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事和工業(yè)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的微位移測量系統(tǒng)存在功能單一、采集通道少、采集速率低、操作復(fù)雜、并且對測量環(huán)境要求較高等問題。為了解決目前在研的微位移測量系統(tǒng)普遍受限于測量精度高、穩(wěn)定性差和系統(tǒng)操作復(fù)雜等問題，本系統(tǒng)從傳感器的位移分辨率，可靠性及靈敏度等角度出發(fā)，采用線性差動變壓器LVDT作為位移敏感元件，設(shè)計(jì)出了一種基于LVDT的多通道微位移測量系統(tǒng)，并在搭建的實(shí)驗(yàn)測試平臺上進(jìn)行了一系列的靜態(tài)測試。

1 LVDT微位移測量原理

動變壓器LVDT（ Linear Variable Differential Transformer）是指線性可變差動變壓器，屬于直線位移傳感器，其模型如圖1所示，當(dāng)正弦波信號（電壓、電流I-p、頻率f）激勵(lì)LVDT傳感器初級線圈時(shí)，在LVDT次級線圈即可得到相應(yīng)的輸出信號，該信號隨LVDT感應(yīng)棒在線圈中的位置變化而變化。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LVDT的多通道微位移測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

在上圖中，微處理器產(chǎn)生的方波信號經(jīng)過有源濾波電路濾波后，將2.5kHz的正弦基波信號送人平衡驅(qū)動單元，進(jìn)而激勵(lì)LVDT傳感器初級線圈，在LVDT次級線圈上即可獲得相應(yīng)的輸出電壓信號，但由于該輸出信號非常微弱且含有大量噪聲，故通過儀表放大器和有源帶通濾波器對信號中的噪聲進(jìn)行濾除。利用交直流變換單元將交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘枺⑻幚砥魍ㄟ^AD采樣單元采集到有效信號，并轉(zhuǎn)化成感應(yīng)棒在線圈中的位移值，通過顯示單元將數(shù)據(jù)顯示出來。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

該微位移測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括：微處理器電路、電源轉(zhuǎn)換電路、多重反饋有源帶通濾波電路、正弦波激勵(lì)電路、平衡驅(qū)動電路、儀表放大器電路、RMS轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路、傳感器運(yùn)動方向判別單元電路等幾部分，其中圖3和圖4分別為對系統(tǒng)測量精度貢獻(xiàn)較大的兩個(gè)電路：RMS轉(zhuǎn)換電路單元和微位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方向判別單元。

RMS轉(zhuǎn)換主要實(shí)現(xiàn)將雙極性正弦波信號轉(zhuǎn)換成直流信號。本系統(tǒng)采用低成本、低功耗的RMS—_TODC轉(zhuǎn)換器AD8436進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，它可以在很寬的輸入電平和溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換，從而解決系統(tǒng)測量精度低的問題。

傳感器運(yùn)動方向判別單元主要實(shí)現(xiàn)對LVDT傳感器方向的判別。該電路能夠保證微位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的線性可變差動變壓器式傳感器的輸入信號和該方向判別單元所檢測信號的相位保持一致，同時(shí)能夠有效防止線性可變差動變壓器式傳感器輸入阻抗和輸出阻抗在檢測過程中的波動，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)測量精度。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括方波的產(chǎn)生、數(shù)字濾波、AD采樣、按鍵功能子程序等。系統(tǒng)上電后，利用定時(shí)器中斷產(chǎn)生2.5kHz方波信號，該信號經(jīng)過變換電路轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄐ盘柡螅俳?jīng)過驅(qū)動電路，驅(qū)動LVDT傳感器，傳感器的輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，單片機(jī)利用A/D轉(zhuǎn)換讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并通過數(shù)字濾波算法和一定的運(yùn)算，得到位移值，根據(jù)系統(tǒng)的顯示模式，將數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在數(shù)碼管上，系統(tǒng)顯示模式可以由按鍵選擇，其軟件流程框圖如5所示。

3 系統(tǒng)測量與分析

線性度是衡量系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在本實(shí)驗(yàn)中，利用LVDT位移傳感器，使微動測量臺以步長10 做步進(jìn)運(yùn)動，記錄相應(yīng)的LVDT微位移測量系統(tǒng)的輸出直流電壓值。通過MATLAB編程，用基于最小二乘線性擬合算法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，并繪出擬合曲線及誤差曲線，分別如圖6和圖7所示。

從圖中可以看出，調(diào)零后該LVDT微位移測量系統(tǒng)在0- 400量程內(nèi)，實(shí)測曲線和線性擬合曲線基本完全重合，靈敏度約為2.9V/mm，相對誤差小于4%，最大絕對誤差為4mV，經(jīng)計(jì)算可得系統(tǒng)線性度（非線性誤差）小于0.0.6%，說明了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的測量精度。

另外，由圖7中的b和c可知，經(jīng)調(diào)零電路校正以后誤差曲線更加均勻，此時(shí)輸出的非線性誤差主要來自測量過程中的人為誤差、測試儀器本身的誤差、外界干擾引起的誤差、系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性引起的誤差等，這些誤差因?yàn)榫哂须S機(jī)性，因此無法通過調(diào)零電路進(jìn)行消除。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于LVDT的微位移測量系統(tǒng)，通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺，對系統(tǒng)線性度、穩(wěn)定性和測量誤差進(jìn)行了測試并分析， 實(shí)驗(yàn)表明了該系統(tǒng)操作簡單、測量精度高和穩(wěn)定性好，具有較高的實(shí)用性和市場價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]殷娣娣.電感式位移傳感器在自動調(diào)焦單元中的應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所），2016.

[2]劉萍，差動變壓器式位移傳感器參數(shù)化仿真及優(yōu)化[D]，西安電子科技大學(xué)，2010.

[3]匡也.高精度電感位移傳感器校準(zhǔn)平臺設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]丁勇.差動變壓器式位移傳感器測量系統(tǒng)研究[D].東華大學(xué)，2017.