電感式位移傳感器電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

隨著傳感器技術(shù)的成熟發(fā)展，傳感器已廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量裝置中。在很多幾何量測(cè)量裝置中，位移傳感器是不可或缺的組成部分。如Mahr公司生產(chǎn)的891EA齒輪測(cè)量中心是一款較早實(shí)現(xiàn)電子展成的測(cè)量中心，它采用的測(cè)頭是旁向位移測(cè)頭，該測(cè)頭的傳感器即為一維電感式位移傳感器。原測(cè)頭電路系統(tǒng)由于硬件局限性，線性測(cè)量范圍小，精度不高，已無法滿足891EA的測(cè)量需求。

本文結(jié)合傳感器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了測(cè)頭電路系統(tǒng)，它不僅能滿足測(cè)量中心的機(jī)械動(dòng)作，并在完成原電路測(cè)量功能基礎(chǔ)上提高了測(cè)量精度，擴(kuò)大了測(cè)頭的檢測(cè)范圍，提高了測(cè)量的安全性；同時(shí)，將測(cè)頭電路系統(tǒng)與A /D卡配接，可在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)功能。

本文介紹了一種電感式位移傳感器的電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)以一片AD698芯片為信號(hào)調(diào)整電路的核心，將位移量輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓值，并結(jié)合其它一系列電路模塊實(shí)現(xiàn)了測(cè)頭位移量測(cè)量。通過對(duì)測(cè)頭的標(biāo)定試驗(yàn)證明該系統(tǒng)精度高、線性測(cè)量范圍大。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 測(cè)頭電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1為測(cè)頭電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。測(cè)頭電路系統(tǒng)主要由信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大電路、濾波輸出電路、量程切換電路和窗口電壓比較電路五部分組成。傳感器輸出交流電壓信號(hào)，電壓值與傳感器磁芯位置成正比，經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓信號(hào)。

運(yùn)算放大電路對(duì)直流電壓信號(hào)進(jìn)行放大，以滿足后續(xù)電路的電壓需求；放大后的直流信號(hào)經(jīng)過濾波輸出電路輸出到A /D 卡，在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)；同時(shí)，濾波信號(hào)經(jīng)量程切換電路，將直流電壓信號(hào)以對(duì)應(yīng)電表不同量程的位移值得以顯示，從而提供直觀的測(cè)量結(jié)果；濾波信號(hào)經(jīng)窗口電壓比較電路可檢測(cè)到測(cè)頭位移狀態(tài)，分別以檢測(cè)、安裝、報(bào)警等狀態(tài)顯示輸出，保證了安裝和檢測(cè)過程的安全。

2 主要功能模塊

2.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的功能是將傳感器輸出的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)直接影響到整個(gè)測(cè)頭電路系統(tǒng)的測(cè)量精度，是測(cè)頭電路系統(tǒng)的核心部分。

傳感器為線性差分式位移傳感器，它的輸入為磁芯的機(jī)械位移，輸出為與磁芯位置成正比的交流電壓信號(hào)。傳感器初級(jí)線圈由外部參考正弦波信號(hào)源激勵(lì)，兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)，磁芯的移動(dòng)可改變初級(jí)線圈之間的耦合磁通，從而產(chǎn)生兩個(gè)幅值不同的交流電壓信號(hào)。

圖2　AD698工作原理圖

2.2 運(yùn)算放大電路及濾波輸出電路

針對(duì)傳感器輸出信號(hào)特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了基于AD698芯片的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。 AD698是一種高精度線性差分式位移變壓器（LVDT） 專用信號(hào)調(diào)整電路，可同時(shí)接收兩路差動(dòng)交流電壓信號(hào)。圖2為采用AD698對(duì)傳感器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的工作原理圖。

AD698用一個(gè)正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器來驅(qū)動(dòng)傳感器初級(jí)線圈，并用兩個(gè)同步解調(diào)器對(duì)初級(jí)和次級(jí)電壓進(jìn)行解碼，經(jīng)過濾波和放大后最終輸出直流電壓信號(hào)；AD698經(jīng)過同步解調(diào)可得到次級(jí)線圈輸出電壓值和初級(jí)線圈輸出的參考電壓值，通過計(jì)算A /B的比例并以此設(shè)置外部元件參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)零位電壓漂移補(bǔ)償，從而滿足測(cè)量的精度要求；AD698的輸入電壓和輸出電壓范圍較廣（均可達(dá)到正、負(fù)電壓的輸入與輸出） , 可實(shí)現(xiàn)測(cè)頭從零位到最大位移量及從最大位移量回到零位的測(cè)量，擴(kuò)大了測(cè)量范圍。

運(yùn)算放大電路及濾波輸出電路對(duì)經(jīng)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)不同的交流電壓進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)，可很好地匹配AD698芯片，并滿足下一級(jí)電路的處理需求。濾波輸出電路由一個(gè)二階“Π”型濾波電路構(gòu)成，在滿足濾波精度要求的前提下，可保證較短的延遲時(shí)間。

2.3 窗口電壓比較電路

窗口電壓比較電路的功能是實(shí)時(shí)顯示測(cè)頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。它由多個(gè)不同參數(shù)的比較電路單元構(gòu)成，將濾波輸出后的電壓信號(hào)分別與每個(gè)比較單元的參考電壓值進(jìn)行比較，從而實(shí)時(shí)反映測(cè)頭不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

結(jié)合外接信號(hào)燈及蜂鳴器，可判斷測(cè)頭工作狀態(tài)，并對(duì)測(cè)頭作出相應(yīng)控制，進(jìn)而防止測(cè)頭因過量程運(yùn)動(dòng)造成的危險(xiǎn)，提高測(cè)量安全性。這里設(shè)置的測(cè)頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別為安裝狀態(tài)、檢測(cè)狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)。

2.4量程切換電路

量程切換電路的功能是將電壓信號(hào)以對(duì)應(yīng)電表不同量程的位移值顯示，從而提供直觀的測(cè)量結(jié)果。量程切換電路由三個(gè)不同放大倍數(shù)的放大電路組成，外接電表（以電壓值對(duì)應(yīng)的位移量顯示） 以實(shí)現(xiàn)輸出電壓值對(duì)應(yīng)傳感器位移量的顯示。量程切換電路的放大倍數(shù)分別對(duì)應(yīng)電表的不同量程，通過電路電阻參數(shù)的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)測(cè)頭500, 150, 30μm三檔量程選擇。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

用一等環(huán)規(guī)檢定裝置和數(shù)字電壓表對(duì)測(cè)頭的左、右齒面位移測(cè)量進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法采用靜態(tài)特性標(biāo)定法，標(biāo)定試驗(yàn)記錄見圖3、圖4.圖中，k1 , k2 分別表示測(cè)頭從零位運(yùn)動(dòng)到最大位移量和從最大位移量運(yùn)動(dòng)回零位測(cè)頭的靈敏度。

標(biāo)定公式如下：

式中： U為測(cè)頭電路系統(tǒng)輸出電壓值，V; k為測(cè)頭靈敏度，mV /mm; S 為測(cè)頭位移量，mm; b為零位電壓值偏移量，mV。

圖3 左齒面測(cè)量數(shù)據(jù)曲線

圖4 右齒面測(cè)量數(shù)據(jù)曲線

由標(biāo)定記錄可得到：

1） 測(cè)頭的靈敏度

左齒面： - 010186 mV /mm;

右齒面： 010183 mV /mm.

2） 測(cè)頭位移量線性測(cè)量范圍

左齒面： 312~51112μm;

右齒面： 411~50717μm.

3） 零位電壓值偏移量

左齒面： 41412 mV;

右齒面： 51027 mV.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明測(cè)頭電路系統(tǒng)測(cè)量精度較高，線性測(cè)量線性范圍大（ ±500 μm） , 滿足891EA齒輪測(cè)量中心的測(cè)量需求。

4 結(jié)論

該電路系統(tǒng)可將測(cè)頭所檢測(cè)的細(xì)微位移量經(jīng)過一系列信號(hào)調(diào)整及濾波、放大，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓信號(hào)。經(jīng)過測(cè)頭標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)測(cè)量精度高、線性測(cè)量范圍大、測(cè)量安全性能好，滿足891EA齒輪測(cè)量中心的測(cè)量要求。