LVDT(Linear Variable Differential Transformer，線(xiàn)性可調(diào)差接變壓器)是由霍德利(G.B.Hoadley)于1940年獲得的專(zhuān)利。他的原理，當(dāng)鐵磁性磁心受到與用于檢測(cè)的移動(dòng)部分相連的非鐵磁桿拖曳沿他的內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，初級(jí)繞組與2個(gè)次級(jí)繞之間的互感將發(fā)生變化。當(dāng)初級(jí)繞組由交流電壓供電時(shí)，鐵磁性磁心的位置的變化就會(huì)引起同名端反相串聯(lián)的2個(gè)次級(jí)繞組之間感應(yīng)的電壓之差的變化。這樣通過(guò)檢測(cè)電壓差就可以確定非鐵磁桿的移動(dòng)量。因此，LVDT就可以直接用于位移的測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。同時(shí)，這個(gè)電壓差的檢測(cè)也成為急需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的方法采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路，這2種測(cè)量方法都是用分立電子元件搭成的，電路比較復(fù)雜，不易調(diào)試。AD698線(xiàn)性位移差分變壓器信號(hào)調(diào)理芯片彌補(bǔ)了這方面的缺陷，電路集成度高并且輸出增益可調(diào)。

本文簡(jiǎn)要介紹AD698的工作原理，主要研究了他在差動(dòng)電感式位移傳感器中應(yīng)用電路，并給出測(cè)量結(jié)果，并對(duì)結(jié)果中出現(xiàn)的紋波噪聲進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出減小紋波的改進(jìn)措施，最終達(dá)到了理想的效果。在與位移相關(guān)的機(jī)械量的測(cè)量及紋波的處理方面具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 AD698的特點(diǎn)及原理

AD698是美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的單片式線(xiàn)性位移差分變壓器(LVDT)信號(hào)調(diào)理芯片。他與LVDT配合使用，能夠高精度、高再現(xiàn)性地將LVDT的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。實(shí)現(xiàn)此功能的電路都集成在芯片中，只要增加幾個(gè)外接無(wú)源元件來(lái)確定激勵(lì)頻率和增益，就能把LVDT的次級(jí)輸出信號(hào)按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。

1.1 AD698的特點(diǎn)

(1)AD698提供用單片電路來(lái)調(diào)理LVDT信號(hào)的完整解決方案，其直流電壓輸出正比于LVDT的位移變化；

(2)AD698能夠適用于多個(gè)不同類(lèi)型的LVDT，如半橋式LVDT、同名端反相串聯(lián)4線(xiàn)輸出式LVDT等；

(3)AD698能夠產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)頻率為20～20 kHz，這個(gè)頻率取決于他的外接電容器。其輸出電壓有效值可達(dá)24 V，能夠直接驅(qū)動(dòng)LVDT的初級(jí)激磁線(xiàn)圈，LVDT的次級(jí)輸出電壓有效值可以低于100 mV；

(4)AD698采用比值譯碼方案，溫度變化不會(huì)影響電路的整體性能；

(5)一個(gè)AD698可以串聯(lián)或并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LVDT，激勵(lì)輸出具有熱保護(hù)功能。

1.2 AD698的工作原理

AD698用1個(gè)正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器驅(qū)動(dòng)LVDT，并用2個(gè)同步解調(diào)器對(duì)初級(jí)和次級(jí)電壓進(jìn)行解調(diào)，再通過(guò)一個(gè)除法電路來(lái)計(jì)算比率A／B，其后的濾波器和放大器可按比例調(diào)整輸出結(jié)果。輸出放大器測(cè)量500μA的參考電流并把他轉(zhuǎn)化成一個(gè)電壓值，從而得到一個(gè)與LVDT磁芯位置成正比的直流電壓信號(hào)，其功能框圖如圖1所示。當(dāng)參考電流為500μA時(shí)，其輸出的傳遞函數(shù)為：

2 DGC-6PG／A差動(dòng)電感式位移傳感器的測(cè)量原理

DGC-6PG／A差動(dòng)電感式位移傳感器由中原量?jī)x生產(chǎn)的一款旁向式的位移測(cè)量頭。他的激勵(lì)頻率在10 kHz左右，激勵(lì)電壓的有效值為2 V，靈敏度為70 mV／V／mm，總行程為1.5 mm。他產(chǎn)生的電信號(hào)輸出與鐵芯的位移成正比。他在不銹鋼殼內(nèi)布置1個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈，并在其左右各布置1個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈，呈對(duì)稱(chēng)分布。鐵芯在線(xiàn)圈組內(nèi)穿梭，當(dāng)通過(guò)外部交流電源給初級(jí)線(xiàn)圈通電后，兩個(gè)反相連接的次初級(jí)線(xiàn)圈中將產(chǎn)生極性相反的電壓。因此，兩個(gè)電壓之差即為L(zhǎng)VDT的凈輸出值，當(dāng)鐵芯位于中間或零位，凈輸出為零。當(dāng)鐵芯離開(kāi)零位，鐵芯所趨向的次級(jí)線(xiàn)圈的電壓相應(yīng)增加。同時(shí)，另一側(cè)線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓相應(yīng)降低。芯的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生隨位移變化而變化的線(xiàn)性壓差輸出值。當(dāng)鐵芯從零位的一側(cè)移至另一側(cè)時(shí)，輸出電壓的相位將出現(xiàn)180°突變；當(dāng)初級(jí)繞組由恒定電壓供電時(shí)，其等效電路如圖2所示。

如果次級(jí)繞組的總電阻用R2表示，由圖2利用網(wǎng)孔分析法可得方程組：

由方程組(2)得：

 
在中心位置處，M2=M1，由方程組(2)，正如實(shí)際分析的那樣，e0=0 V。對(duì)于其他的磁心位置，L1，L2，L2'，M3和M2-M1有如下近似變化：隨著磁心偏離x0，L1和M3緩慢變化；M2-M1在x0的兩側(cè)呈現(xiàn)快速線(xiàn)性變化[M2-M1=kx(x-x0)]，而L2+L2'幾乎恒定不變。

輸出電壓與磁心位置的關(guān)系取決于負(fù)載電阻RL。如果沒(méi)有與次級(jí)繞組相連的負(fù)載，則輸出電壓將減小到下列值：

 3 測(cè)量電路

AD698在DGC-6PG／A差動(dòng)電感式位移傳感器中的應(yīng)用電路圖如圖3所示。電路采用±15 V雙電源供電。R1，C1用來(lái)調(diào)整輸出激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率。幅值可以在0～24 V之間調(diào)節(jié)，頻率可以在20～20 kHz之間調(diào)節(jié)。R2用來(lái)調(diào)整輸出增益的；R3用來(lái)調(diào)整正負(fù)偏置的。C2，C3，C4是AD698的濾波電容，他們的值相等；C7是輸出濾波電容。電路中將OFF1和OFF2用跳線(xiàn)端子引出，并且將輸出增益用的固定電阻換成電位器，在以后的應(yīng)用中可以方便地改變正負(fù)偏置及輸出增益。因此，需要改變輸出范圍時(shí)，無(wú)需重新做PCB板。電路中各元件的參數(shù)值是經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和反復(fù)的試驗(yàn)，調(diào)整得到。

4 測(cè)量結(jié)果與噪聲分析

利用上述電路進(jìn)行測(cè)試，第一次進(jìn)行設(shè)計(jì)原理圖時(shí)，根據(jù)AD698的數(shù)據(jù)手冊(cè)，沒(méi)有用到R4，C6和L1。采用±15 V開(kāi)關(guān)電源供電，RIGOL DS1102C型雙通道100 MHz數(shù)字示波器進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果如4所示：

由測(cè)量結(jié)果可以看出，輸出中有136 mV的紋波。這對(duì)于微位移的測(cè)量來(lái)說(shuō)，會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。查找紋波的來(lái)源，首先，測(cè)量傳感器的激勵(lì)信號(hào)和他的輸出信號(hào)，發(fā)現(xiàn)正弦信號(hào)中也存在疊加噪聲，如圖5所示。由此看來(lái)，紋波是來(lái)源于激勵(lì)信號(hào)，那么激勵(lì)信號(hào)的噪聲又是從何處來(lái)的?初步估計(jì)是電源的問(wèn)題。對(duì)±15 V電源進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖6(a)，(b)所示。開(kāi)關(guān)電源自身的紋波噪聲在1％左右，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際相符。由此可以得出輸出紋波是由開(kāi)關(guān)電源引起的。綜合考慮成本和解決方案的復(fù)雜性，要減小圖4所示的紋波，只能從濾波方面著手解決。 

在信號(hào)輸出端增加R4，C6，L1，R4，C6構(gòu)成低通濾波器，L1對(duì)高頻交流信號(hào)起到了抑制作用。最終輸出結(jié)果如圖7所示，由圖7可見(jiàn)，輸出中的紋波噪聲已被濾除，在以后的信號(hào)采集以及處理中，會(huì)達(dá)到很好的效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用集成芯片AD698處理差動(dòng)電感式位移傳感器的輸出信號(hào)，可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜度，并且激勵(lì)信號(hào)的頻率和幅值可調(diào)，輸出增益和偏置可調(diào)。通過(guò)對(duì)電路的改進(jìn)，極大地減小了輸出紋波噪聲，對(duì)下一步使用AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作，提供了極大的便利