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    LVDT工作原理及方案設計

    2023-07-04 18:38:01 wolyond 17

    LVDT位移傳感器是一款用于測量直線位移的傳感器,利用內部線圈線圈相互感應,輸出交流信號,實現不同位移輸出不同幅值的交流信號。

    輸入信號時,在初級繞組上輸入一個小的交流電壓(勵磁信號),它會在次級繞組中感應出電動勢,類似變壓器原理,鐵芯在不同的位置,次級繞組電勢差不同,使用者可以通過感應電壓確定鐵芯位置。

    在常規設計中,有國的Analog Devices公司生產的一款芯片AD698,集成有線性位移差分變壓器信號調理電路,AD698與LVDT配合,能夠高精確和高再現性地將LVDT的機械位移轉換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698具有所有必不可少的電路功能,只要增加幾個外接元源元件來確定激磁頻率和增益,就能把LVDT的次級輸出信號按比例地轉換成直流信號。


    1、AD698的特點

    (1)AD698提供了用單片電路來調理LVDT信號的完整解決方案,它含有內部晶振和參考電壓源,只需附加極少量的無源元件就可實現位置的機械變量到直流電壓的轉換,并且無需校準。其單極性或雙極性直流電壓輸出正比于LVDT的位移變化。

    (2)AD698能夠適用于多個不同類型的LVDT。因為AD698的輸入電壓、輸出電壓及頻率適應范圍都很寬,其電路的優化設計,使得它與任何類型的LVDT配合使用都能獲得理想效果。

    (3)驅動LVDT的激磁信號頻率為20Hz~20kHz,它取決取于AD698的一個外接電容器。AD698的輸出電壓有效值達24V,能夠直接驅動LVDT的初級激磁線圈,LVDT的次級輸出電壓有效值可以低于100mV。

    (4)振蕩器的幅值隨溫度變化不會影響電路的整體性能。AD698采用比率譯碼方案,即通過計算次級電壓與初級電壓的比率來確定LVDT的位置和方向,無需整定。

    (5)只要電源不過載,一個AD698可以串聯或并聯驅動多個LVDT。其激勵輸出具有熱保護功能。

    (6)在簡單的機電伺服回路設計中,可以將AD698作為一個積分環節來處理。


    2、AD698的工作原理

    1)AD698與LVDT的連接

    LVDT是一種機械-電子傳感器,其輸入是磁芯的機械移動,輸出是與磁芯位置成正比的交流電壓信號。LVDT由一個初級線圈和二個次級線圈組成,初級線圈由外部參考正弦波信號源激勵,二個次級線圈反向串聯?;顒哟判镜囊苿涌筛淖兂跫壘€圈之間的耦合磁通,從而產生二個幅值不同的交流電壓信號。串聯次級線圈的輸出電壓隨著磁芯移離中心位置升高,通過測量輸出電壓的相位可以判斷磁芯移動的方向。AD698與LVDT連接的功能框圖如圖1所示。

    圖片關鍵詞

    2)AD698的工作原理

    AD698首先驅動LVDT,然后讀出LVDT的輸出電壓并產生一個與磁芯位置成正比的直流電壓信號。AD698用一個正弦波函數振蕩器和功率放大器來驅動LVDT,并用二個同步解調級來對初級和次級電壓進行解碼,解碼器決定了輸出電壓與輸入驅動電壓的比率(A/B)。濾波級和放大器可按比較整輸出結果。

    振蕩器中包含一個多諧振蕩器,該多諧振蕩器產生一個三角波,并驅動正弦波發生器產生一個低失真的正弦波,正弦波的頻率和幅值由一個電阻器和一個電容器決定。輸出頻率在20Hz~20kHz可調,輸出有效幅值在2V~24V可調??傊C波失真的典型值是50dB。

    AD698通過同步解調輸入幅值A(次級線圈側)和一個固定的參考輸入B(初級線圈側或固定輸入)。早期解決方案的共同問題是驅動振蕩器幅值的任何漂移都會直接導致輸出增益的錯誤。AD698通過計算LVDT輸出與輸入激勵的比率消除了所有的偏移影響,從而避免了這些錯誤。AD698不同于AD598型的LVDT信號調理器,因為它實現了一個不同的電路傳遞函數,并且不要求LVDT次級線圈(A+B)是一個隨行程長度而定的常量。

    AD698的輸入包括二個獨立的同步解調通道A和B。B通道用來監測驅動LVDT的激勵信號,A通道的作用與之相同,但是它的比較器引腳是單獨引出來的。因為在LVDT處于零位的時候,A通道可能達到0V,所以A通道解調器通常由初級電壓(B通道)觸發。另外,可能還需要一個相位補償網絡給A通道增加一個相位超前或滯后量,比此來補償LVDT初級對次級的相位偏移。

    一旦二次通道信號被解調和濾波后,再通過一個除法電路來計算比率A/B,除法器的輸出是一個矩波信號。當A/B等于1時,矩形波的占空比為100%。輸出放大器測量500μA的參考電流并把它轉化成一個電壓值。當IREF=500μA時,其傳遞函數如下:

    VOUT=IREF×A/B×R2


    3、 AD698的應用

    AD698單電源供電時的外圍電路如圖2所示。外部無源元件的參數設置包括激勵信號的頻率和有效幅值、AD698輸入信號的頻率和比例因子(V/inch)。另外,還有一些可選擇的特性:零位偏移補償、濾波、信號綜合等,這些功能可以通過另外一些外圍元器件來實現。外圍元器件及其參考大小應適合任何符合AD698輸入/輸出標準的LVDT,下面就以最為常用的單電源供電方式為例,說明元器件選擇及其參數設置的主要步驟。


    圖片關鍵詞



    (1)選擇激勵信號頻率來決定C1

    C1=35μFHz/fEXCITATION

    (2)依據激勵信號VEXC的電壓幅值來決定R1

    通常,當VEXC≥24V時,10Ω≤R1≤100Ω;12V≤VEXC≤24V時,0.1kΩ≤R1≤1kΩ;5V≤VEXC≤12V時,1kΩ≤R1≤10kΩ;當0V≤VEXC≤5V時,10kΩ≤R1≤100kΩ。

    (3)C2、C3和C4是AD698位置側量系統所要求帶寬fSUBSYSTEM的函數,原則上,它們的電容值應該相等,即

    C2=C3=C4=10-4FHz/fSUBSYSTEM

    比如,系統要求帶寬為250Hz,則C2=C3=C4=10 -4FHz/250Hz=0.4μF

    (4)R2用來設定AD698的增益和滿量程時的輸出范圍,計算R2需要以下相關參數:

    a.LVDT的敏感度S,它的值可以在生產廠家目錄手冊中查到,單位是V/V/mile,其物理意義是每英寸的位移每伏特的輸入對應的電壓輸出伏特。

    b.LVDT的磁芯從零位到滿量程的位移d。

    在S和d確定后,R2的計算公式如下:

    R2=VOUT/(S×d×500μA)

    其中,VOUT是相對于參考信號(引腳21)的輸出。

    (5)R3、R4可實現正、負輸出電壓補償調節。如果不需要補償調節,R3、R4應被開路。其阻值可由下述公式推算得出:

    Vos=1.2V×R2×{[1/(R3+2kΩ)-1/(R4+2kΩ)]}

    其中Vos是正或負輸出電壓補償值。

    (6)R5+R6≤Vps/100μA

    (7)R5上的壓降必須大于2+10kΩ[1.2V/(R4+2kΩ)+250μA+Vout/4R2]V,以此可推算出R5的阻值。再根據第

    (6)條的限制選擇一個中間值。

    (8)C5是旁路電容器,其值在0.1μF~1μF之間。

     




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