一种电感式位移传感器的电路系统设计[图] - 全文

摘要：介绍了一种电感式位移传感器的电路系统。该系统以一片AD698芯片为信号调整电路的核心,将位移量输出信号转换为相应的直流电压值,并结合其它一系列电路模块实现了测头位移量测量。通过对测头的标定试验证明该系统精度高、线性测量范围大。

0 前言

随着传感器技术的成熟发展，传感器已广泛应用于各种测量装置中。在很多几何量测量装置中，位移传感器是不可或缺的组成部分。如Mahr公司生产的891EA齿轮测量中心是一款较早实现电子展成的测量中心，它采用的测头是旁向位移测头，该测头的传感器即为一维电感式位移传感器。原测头电路系统由于硬件局限性，线性测量范围小，精度不高，已无法满足891EA的测量需求。本文结合传感器的特点，设计了测头电路系统，它不仅能满足测量中心的机械动作，并在完成原电路测量功能基础上提高了测量精度，扩大了测头的检测范围，提高了测量的安全性；同时，将测头电路系统与A /D卡配接，可在计算机的控制下实现自动检测功能。

1 系统结构与工作原理

图1为测头电路系统结构框图。测头电路系统主要由信号转换电路、运算放大电路、滤波输出电路、量程切换电路和窗口电压比较电路五部分组成。传感器输出交流电压信号，电压值与传感器磁芯位置成正比，经过信号转换电路将其转换为相应的直流电压信号。运算放大电路对直流电压信号进行放大，以满足后续电路的电压需求；放大后的直流信号经过滤波输出电路输出到A /D 卡，在计算机控制下实现自动检测；同时，滤波信号经量程切换电路，将直流电压信号以对应电表不同量程的位移值得以显示，从而提供直观的测量结果；滤波信号经窗口电压比较电路可检测到测头位移状态，分别以检测、安装、报警等状态显示输出，保证了安装和检测过程的安全。

图1 测头电路系统结构框图

2 主要功能模块

2.1 信号转换电路

信号转换电路的功能是将传感器输出的交流电压信号转换为相应的直流电压信号。信号转换电路的设计直接影响到整个测头电路系统的测量精度，是测头电路系统的核心部分。

传感器为线性差分式位移传感器，它的输入为磁芯的机械位移，输出为与磁芯位置成正比的交流电压信号。传感器初级线圈由外部参考正弦波信号源激励，两个次级线圈反向串联，磁芯的移动可改变初级线圈之间的耦合磁通，从而产生两个幅值不同的交流电压信号。针对传感器输出信号特点， 设计了基于AD698芯片的信号转换电路。 AD698是一种高精度线性差分式位移变压器（LVDT） 专用信号调整电路，可同时接收两路差动交流电压信号。图2为采用AD698对传感器进行信号转换的工作原理图。AD698用一个正弦波函数振荡器和功率放大器来驱动传感器初级线圈，并用两个同步解调器对初级和次级电压进行解码，经过滤波和放大后最终输出直流电压信号；AD698经过同步解调可得到次级线圈输出电压值和初级线圈输出的参考电压值，通过计算A /B的比例并以此设置外部元件参数，可实现零位电压漂移补偿，从而满足测量的精度要求；AD698的输入电压和输出电压范围较广（均可达到正、负电压的输入与输出） , 可实现测头从零位到最大位移量及从最大位移量回到零位的测量，扩大了测量范围。

图2　AD698工作原理图

2.2 运算放大电路及滤波输出电路

运算放大电路及滤波输出电路对经转换后的信号不同的交流电压进行进一步调节，可很好地匹配AD698芯片，并满足下一级电路的处理需求。滤波输出电路由一个二阶"Π"型滤波电路构成，在满足滤波精度要求的前提下，可保证较短的延迟时间。

2.3 量程切换电路

量程切换电路的功能是将电压信号以对应电表不同量程的位移值显示，从而提供直观的测量结果。量程切换电路由三个不同放大倍数的放大电路组成，外接电表（以电压值对应的位移量显示） 以实现输出电压值对应传感器位移量的显示。量程切换电路的放大倍数分别对应电表的不同量程，通过电路电阻参数的设置可实现测头500, 150, 30μm三档量程选择。

2.4 窗口电压比较电路

窗口电压比较电路的功能是实时显示测头运动状态。它由多个不同参数的比较电路单元构成，将滤波输出后的电压信号分别与每个比较单元的参考电压值进行比较，从而实时反映测头不同的运动状态。结合外接信号灯及蜂鸣器，可判断测头工作状态，并对测头作出相应控制，进而防止测头因过量程运动造成的危险，提高测量安全性。这里设置的测头运动状态分别为安装状态、检测状态和报警状态。

3 试验验证

用一等环规检定装置和数字电压表对测头的左、右齿面位移测量进行标定，标定方法采用静态特性标定法，标定试验记录见图3、图4.图中，k1 , k2 分别表示测头从零位运动到最大位移量和从最大位移量运动回零位测头的灵敏度。

标定公式如下：

式中： U为测头电路系统输出电压值，V; k为测头灵敏度，mV /mm; S 为测头位移量，mm; b为零位电压值偏移量，mV。

图3 左齿面测量数据曲线

图4 右齿面测量数据曲线

由标定记录可得到：

1） 测头的灵敏度

左齿面： - 010186 mV /mm;

右齿面： 010183 mV /mm.

2） 测头位移量线性测量范围

左齿面： 312~51112μm;

右齿面： 411~50717μm.

3） 零位电压值偏移量

左齿面： 41412 mV;

右齿面： 51027 mV.

实验数据表明测头电路系统测量精度较高，线性测量线性范围大（ ±500 μm） , 满足891EA齿轮测量中心的测量需求。

4 结论

该电路系统可将测头所检测的细微位移量经过一系列信号调整及滤波、放大，转换为相应的直流电压信号。经过测头标定试验验证，证明该系统测量精度高、线性测量范围大、测量安全性能好，满足891EA齿轮测量中心的测量要求。