4線制LVDT傳感器雙余度調理電路設計與驗證

王 浩，馮健朋，楊恒輝

(1.西北工業大學，陜西 西安 710072；2.中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著航空技術的不斷發展，機載設備功能越來越復雜，如何提高機載設備的可靠性，成為了機載設備設計的重要問題[1]。線性可調差動變壓器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT )是一種用來測量位移的電感傳感器，與其他位移傳感器相比，具有無接觸測量、無限分辨率、堅固耐用、零位可重復性、精度高、可靠性高、耐高溫等優點，在航空領域有著廣泛的應用[2]，因此，對LVDT傳感器調理電路的可靠性提出了更高的要求，使用高質量等級的元器件是提高可靠性的最直接辦法，但受制于元器件設計、制造工藝的限制，元器件級別的可靠性提升潛力有限。多余度設計是機載設備提高可靠性的有效方法，當電路出現故障時，能自動檢測與診斷，并對故障通道進行隔離，使用備份通道恢復設備的功能，因此多余度設計可以克服元器件可靠性提升的限制[3]。綜合考慮設備體積、功耗及成本等因素，本研究四線制的LVDT傳感器調理電路采用雙余度架構實現。

四線制LVDT傳感器包括一個初級線圈、兩個次級線圈和鐵磁芯體，線圈軸向放置并且纏繞到圓柱形腔體上，鐵磁芯體無接觸裝在圓柱腔體內并且用來恒量被測物體的位移[4-6]。鐵磁芯體為初級線圈和次級線圈磁通量提供了一個低磁阻路徑，鐵磁芯體位置變化會引起磁阻的變化，進而影響次級線圈輸出電壓的變化。四線制LVDT傳感器中兩個次級線圈反向串聯到一起，共引出四根線，傳感器的具體形式如圖1所示。

圖1 四線制LVDT傳感器結構

四線制LVDT傳感器激勵一般為正弦信號，次級端感應的信號也為正弦信號，處理器無法對其直接處理，需要專門的電路將其調理成直流電壓信號。國內外學者對LVDT傳感器調理電路及方法進行了大量研究，文獻[7]提出了一種五點估算正弦信號幅值的方法，不需將LVDT傳感器次級端的交流信號轉換為直流信號，實現了使用中速器件完成LVDT傳感器信號調理；而文獻[8]提出了一種根據模擬開關實現正弦信號全波整流的方案，再通過低通濾波可實現將LVDT傳感器次級端的交流信號轉換為直流電壓信號；而文獻[9]利用精準相位匹配的方式實現了LVDT傳感器次級端交流信號幅值信息的提取。以上LVDT調理電路均采用單通道實現，未考慮故障系統的影響，無法滿足機載電子設備高安全性要求。該文提出了一種LVDT傳感器信號雙余度調理電路，并且經過實際的工程驗證，具有較廣的應用價值。

1 調理電路說明

1.1 LVDT傳感器工作原理

圖2為四線制LVDT傳感器的雙余度調理電路原理框圖，其中LVDT傳感器包括一個初級線圈LP和兩個次級線圈LS1和LS2，交流激勵Vex=A*sin(ωt)施加到初級線圈LP上，當鐵磁芯體向上移動L時[10]，則次級線圈LS1和LS2產生的感應電動勢VA和VB分別表示為：

圖2 LVDT傳感器雙余度調理電路結構框圖

VA=K*A*sin(ωt)*(Lzero-L)

(1)

VB=K*A*sin(ωt)*(Lzero+L)

(2)

式中：

K——LVDT傳感器初級線圈與次級感應系數；

Lzero——LVDT傳感器鐵磁芯體的參考零位；

L——鐵磁芯體相對于參考零位的位移。

對于四線制LVDT傳感器來說，LVDT傳感器次級輸出電壓VO可表示為：

VO=VB-VA=2*K*A*sin(ωt)*L

(3)

四線制LVDT傳感器輸出電壓VO和激勵電壓Vex的比值可表示為：

VO/Vex=2*K*L

(4)

由公式(4)可看出，LVDT傳感器相對于參考零位的位移L大小正比于次級輸出信號VO幅值和激勵Vex幅值的比值，當L為正向位移時，LVDT傳感器次級輸出信號VO與初級激勵Vex同相位；當L為負向位移時，LVDT傳感器次級輸出信號VO與初級激勵Vex相位差180°。

1.2 某集成LVDT調理芯片工作原理

某集成LVDT調理芯片是完整的四線制LVDT傳感器調理模塊，可以較高精度和可重復性將LVDT傳感器位移信息轉換為直流電壓信號，可通過配置偏移將輸出的直流電壓設置為單極性和雙極性電壓，直流電壓正比于LVDT傳感器位移[11]。某集成LVDT調理芯片內部原理框圖如圖3所示，A通道輸入端接入的正弦交流信號與A通道同步輸入端接入的信號完全同步和反相時，該集成芯片內部的全波整流電路才能正常工作，通過低通濾波才能得到與A通道輸入端正弦交流信號的幅值成正比的直流電壓，進而才能得到A通道輸入端正弦交流信號與B通道輸入端的交流信號幅值的比值信息。因此A通道輸入端信號與A通道同步輸入端接入的信號是否同步是該集成芯片能否正常工作的前提。

本文采用聚類分析方法對不同載荷分布比例的車輛進行區分，聚類后同類數據盡可能地聚集到一起，不同類的數據盡量分離，以找到隱含的規律。聚類算法的選擇取決于數據的類型和聚類的目的。K-均值(K-Means)是劃分方法中比較經典的聚類算法,效率較高，廣泛應用于大規模數據的聚類。

圖3 某集成LVDT調理芯片內部結構框圖

1.3 LVDT傳感器雙余度調理電路設計

圖2為提出的LVDT傳感器雙余度調理電路的原理框圖，主要包括防護濾波電路、通道切換電路、兩通道LVDT調理電路、激勵幅值檢測電路和A/D轉換電路。由于兩通道LVDT調理電路需對同一個LVDT傳感器信號進行調理，為保證可靠性，兩片LVDT調理電路輸出的激勵之間不能短路，故需通過通道切換電路對兩通道LVDT調理電路輸出的激勵信號進行選擇。當LVDT調理電路A為主調理通道時，CPU輸出的通道切換控制信號CFL_CHCV令單刀雙擲開關S1、S2上端與輸出端短接，則施加到LVDT傳感器的初級線圈激勵來自于LVDT調理電路A；同理，當LVDT調理電路B為主調理通道時，CPU輸出的通道切換控制信號CFL_CHCV令單刀雙擲開關S1、S2下端與輸出端短接，則施加到LVDT傳感器的初級線圈激勵來自于LVDT調理電路B。

為保證兩通道LVDT調理電路能夠正常工作及消除兩片LVDT調理電路激勵不同帶來的調理誤差，單刀雙擲開關S1、S2輸出端同時與兩通道LVDT調理電路的BIN端與ACOMP端相連，LVDT傳感器的次級輸出信號經過防護濾波電路后直接與LVDT調理電路的AIN端相連，此時兩通道LVDT調理電路輸出電壓與LVDT傳感器的位移L成正比，CPU經A/D轉換電路得到LVDT傳感器位移信息。同時CPU還監控兩通道LVDT調理電路輸出的交流激勵幅值，當檢測到主調理通道的LVDT調理電路輸出的激勵幅值異常時，CPU通過輸出通道切換控制信號實現主控/備份通道切換控制，并忽略故障LVDT調理電路輸出電壓，實現了故障屏蔽及電路恢復功能設計。

1.3.1 通道切換電路設計

通道切換電路由2個單刀雙擲模擬開關構成，單刀雙擲開關選擇某型集成芯片實現，該芯片內部集成了4路單刀雙擲開關，導通電阻最大為35 Ω，導通時間不超過175 ns，斷開時間不超過145 ns，單路開關持續通過電流不超過25 mA。通道切換電路原理如圖4所示。為保證電路系統可靠性，提高通過模擬開關電流的上限，該文采用將兩個單刀雙擲開關并聯的方案，將兩個開關的輸入端與輸出端分別短接，且都由通道切換控制信號CFL_CHCV控制。并聯后，驅動電流可達到50 mA，滿足LVDT傳感器激勵驅動電流的要求。

圖4 通道切換電路原理

1.3.2 LVDT調理電路設計

LVDT調理電路A和LVDT調理電路B設計完全相同，以LVDT調理電路A為例對該電路設計進行說明。LVDT調理電路A基于某集成LVDT調理芯片實現[12]，ACOMP與BIN均與LVDT_B+及LVDT_B-相連，而LVDT傳感器輸出信號POSA及POSB與AIN端相連。根據該LVDT調理集成芯片手冊可知，可通過外圍電阻配置正弦激勵信號EXC+_A及EXC-_A的幅值，通過電容設置正弦激勵信號EXC+_A及EXC-_A的頻率，LVDT測量系統的帶寬也可通過電容配置。該研究配置的激勵信號幅值有效值4.1 Vrms，激勵信號頻率為3 kHz，測量系統的帶寬為1.062 kHz。

1.3.3 幅值檢測電路設計

在對LVDT傳感器信號進行調理的過程中，LVDT調理電路需要為LVDT傳感器提供激勵，功耗較大，LVDT調理電路輸出激勵異常是最常見的故障，因此檢測激勵信號幅值是否正常，并且切換到備份通道來保證調理電路的穩定運行。

圖5 幅值檢測電路原理

2 電路通道切換邏輯設計

四線制LVDT傳感器調理電路具有兩個完全相同的通道，同時采集LVDT傳感器位置信息，其中主控通道能夠為LVDT傳感器提供激勵信號，備份通道處于熱備份狀態，當CPU檢測到主控通道發生故障且備份通道正常時，可以切換到備份通道輸出激勵信號[14]。通道切換邏輯如表1所示。

表1 通道切換邏輯

此外，當兩通道均未發生故障時，為平衡兩通道間主控次數，保證兩個通道調理電路的元器件壽命保持一致，采用通道輪值的方式進行通道切換。若上一次產品上電為有效上電(可通過判斷上電持續時間是否大于某一固定閾值)，并且備份通道激勵沒有故障，則令上個周期備份通道為本周期主控通道。

3 電路驗證

為充分表明提出的LVDT傳感器雙余度調理電路的功能和性能，制作了工程樣機和測試臺對其進行驗證。其中測試臺主要基于LVDT仿真卡和工控機實現，LVDT仿真卡型號為PCI-4104，支持16位分辨率、8通道(支持4線制/5線制)輸出仿真功能，允許的激勵源范圍400 Hz～10 kHz，幅值范圍為2 Vrms～7 Vrms，輸出和激勵之間相位差不超過1°，輸出信號穩態精度在全量程范圍內不超過0.1%。將PCI-4104插入到工控機中，開發上位機軟件對該仿真卡進行驅動控制，上位機輸入不同的比率λ來模擬LVDT傳感器的不同位移[15]。

3.1 通道切換功能驗證

在提出的電路工作過程中，令CPU輸出切換指令對通道切換功能進行驗證。圖6所示為通道切換功能的驗證結果，自上向下分別為圖2中的A通道激勵信號EXC_A+、B通道激勵信號EXC_B+、通道切換控制信號CFL_CHCV、通道切換電路輸出信號LVDT_B+、A通道輸出的調理電壓信號和B通道輸出的電壓信號，在開始時，A通道為主控通道，在0.5 s左右對通道進行切換，令B通道為主控通道，在2.1 ms處再次進行通道切換。從圖6中可以看出，在CPU輸出切換指令后，本電路可快速進行通道切換，主控通道及備份通道的采集結果基本可保持不變，保證了本電路的穩定可靠。

圖6 通道切換功能驗證

3.2 LVDT傳感器調理功能驗證

將圖2中的通道切換信號CFL_CHCV輸出高電平，A通道處于主控通道，通過上位機設置PCI-4104不同的比率λ來模擬LVDT傳感器的位移，工程樣機A通道、B通道采集調理電路輸出電壓與上位機設置比率λ，此時采集的最大誤差如圖7所示。

圖7 A通道主控采集誤差

設置通道切換信號CFL_CHCV輸出低電平，B通道處于主控通道，此時采集的最大誤差如圖8所示。

圖8 B通道主控采集誤差

3.3 電路測試結果

由以上驗證結果可知，本研究設計的LVDT傳感器雙余度調理電路可實現快速通道切換功能，在切換過程中對采集結果基本無影響，可保證調理電路的正常工作，大大提高了系統可靠性。當A通道主控時，A通道誤差最大為-0.24%，B通道誤差最大為-0.3%；而B通道主控時，A通道誤差最大為0.35%，B通道誤差最大為-0.5%。

由此可知，不同通道主控對電路輸出精度影響不大，調理精度至少可達到-0.5%，滿足了精密位移測試系統要求。

4 結束語

該文提出了一種LVDT傳感器雙余度調理電路，并基于激勵信號幅值檢測結果實現通道切換邏輯設計，為平衡兩通道的元器件壽命，提出了輪值的切換策略，大大提高了調理電路的可靠性。搭建了驗證平臺對該電路進行了驗證，驗證結果表明可實現通道快速切換功能，并且切換過程對采集結果基本無影響，雙通道信號調理精度高，適合可靠性要求高的機載設備使用要求。后續可對故障檢測內容繼續完善，比如可通過檢測兩通道輸出結果的變化率及范圍來判斷電路是否存在故障。