半桥式电感位移传感器信号变送电路设计

湖南科技职业学院电子工程系（1） 中北大学分校电子工程系（2） 中北大学光电信息技术研究所（3） [摘 要]：在机械产品尺寸高精度检测中，为了把半桥式电感位移传感器输出的交变电信号转换成直流信号输出，供计算机采集处理。采用AD698芯片外加少量无源元件设计了信号变送电路，经对2mm量程的半桥式位移传感器实际使用，检测精度达0.1μm。该变送电路运行稳定，精度高，适用于各种量程的半桥式电感位移传感器，具有很高的实用价值。 0 引 言 电压差动位移传感器(LVDT)广泛应用于精密机械加工现场对产品尺寸进行高精度检测。这种传感器可靠性高，在油污、光照等恶劣环境下经常用它作为测量和监控位移量的传感器。位置自动测控系统中，通常采用计算机来处理位移信号并进行控制。这就要设计与传感器配套的信号变送电路，将电感式位移传感器输出的交变信号转变为标准的0－10V直流信号，供计算机A／D采集。AD698是美国AD公司推出的一款新型芯片，它是一个完善的、以单片集成电路为解决方案的电压差动位移传感器信号调理系统。AD698与电压差动位移传感器联合使用，可以高精度地将机械位移信号转换成单极性或双极性直流电压信号。信号调理系统中，所有的功能电路都包含在单芯片中，外接少量无源元件就可确定系统的激励频率和增益大小。采用AD698芯片为T301型半桥式电感位移传感器提供激励信号，并对传感器输出信号进行处理，输出0-10V直流电压信号。 1 半桥式电感位移传感器 LVDT是一种机电传感器，它的输入量是机械位移，而它的输出量是与位移成比例的交流电压。最常用的两种LVDT是半桥式和4线制LVDT。半桥式LVDT只有一个线圈，中心有个抽头，就象自耦变压器那样工作。激励电压通过线圈来提供；中心抽头的电压与位移成比例。该电路的工作类似于带阻抗的电压分配器。 半桥式电感位移传感器的内部结构原理如图1所示。由两个串连的线圈和铁心组成，当铁心在线圈中上下移动时，在线圈中的电感量发生变化，当给1—3线圈外加一个正弦交流电压时，在2—3线圈之间将得到一个和对应电感量成比例的交流电压值。而这个交流电压值刚好与传感器中铁芯的位移量成比例。T301型位移传感器是一种半桥式位移传感器，该位移传感器的测量范围是±1mm，激励信号的幅值为3V±0.5％rms，激励信号频率为13KHz，灵敏度为36.88±0.15mV／mm，工作温度范围为－10℃～65℃。 2 AD698芯片的内部结构和主要性能 AD698是一种完善的、单片集成的差动变压器式信号处理子系统，内部结构框图如图2所示。它包括一个低失真的正弦波发生器、功率放大器、两路同步解调通道A和B、比例电路、滤波器和输出放大电路。正弦波振荡电路产生的正弦波频率范围为20Hz～20KHz，幅值范围为2V～24V。总谐波失真的典型值为－50dB。 AD698输出的正弦波可直接用于激励传感器的初级线圈，而传感器次级线圈输出的正弦波则可直接作为AD698的输入。AD698对输入信号进行处理，产生一个标定的单极性或双极性直流电压信号。 AD698可由单电源或双电源供电。单电源工作范围为13V～36V，双电源工作范围为±12V～±18V。AD698AP的工作温度范围为－40℃～85℃，在工作温度为＋65℃时最大功率为12mW／℃。 AD698具有优良的性能。它能消除传统的信号调整电路与电压差动位移传感器接口处的不利因素，因而不需要内部补偿电路。该电路适用于不同型号的位移传感器，包括半桥式LVDT、4线制LVDT。AD698的振荡器振幅随温度的变化不会影响整个电路的性能。在不超过功率极限的情况下，AD698还可用于激励多个串联或并联的电压差动位移传感器，激励端口具有温度保护功能。AD698的应用范围十分广泛，可用于远距离、恶劣工作环境下的信号调理，也可用于高精度的物体表面光滑度的检测等。AD698还可作为简单的机电伺服系统的环路积分器使用。 3 半桥式电感位移传感器信号变送电路设计 半桥式电感位移传感器和AD698芯片构成的信号变送原理电路如图3所示。 在实际测量中，AD698采用±15V双电源供电，电路设计过程中可由外接无源元件决定的参数包括：激励电压频率、激励电压幅值、AD698系统频带宽、增益系数及标定系数。另外，还有一些可选参数，如偏置调零，滤波及信号合成等。选择这些参数及无源外接元件的步骤如下： (1)确定激励频率FSUBSYSTEM为13KHz，系统频带宽度FSUBSYSTEM为1.3KHz。 记下此值，即为VOS偏置电压；然后把传感器的动杆按到底，测得输出电压为12.6V；调节10K的电位器，使输出电压在－3.3V－＋3.3V之间随着动杆的位移变化而线性变化；然后调节200K的可调电阻，使输出信号在－10V－＋10V之间随动杆的位移变化而变化。调试时一定要细心，反复调试。 4 电路调试 半桥式电感位移传感转换器实际应用电路如图6所示。电路调试时，先将R3用一个1K的电阻和一个10K的可调电阻串联代替；R4断开不焊；R2用一个33K的电阻和200K的可调电阻代替；电路焊接后，接上传感器，用万用表测得电源无短路后，上电。采用AD698给传感器提供激励源，并由AD698接收来自传感器中间抽头的信号进行处理，结合T301位移传感器进行位移测量。 5 结论 采用AD698作为位移检测系统的信号调理电路，大大简化了信号处理模块电路的设计，提高了传感器性能和测量精度。当传感器测量的位移范围为±1mm时，输出电压的范围为±10V，且线性度良好。采用12位的A／D采集卡在计算机中可得到0.1μm以下的位移分辨率。经长时间运行证明芯片温度稳定，输出信号漂移很小。该电路已用于汽车轴圆度自动检测系统和对轴承的内外圆检测系统中。