摘要：給出一種基于LVDT的數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)。為了準(zhǔn)確地測量鐵芯的位置，提出了以基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)平臺的數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)。與以往方法不同的是不僅對所得次級線圈信號采用加減法，還采用比率檢測方法，通過多點的測量得到其線性系數(shù)。運用線性插值算法計算誤差修正表，并且運用一種映射關(guān)系得出鐵芯的真實位移值，克服了模擬電路的種種缺點，大大減小誤差，還提高了線性度。通過實驗證明，此數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)精度最高可達萬分之三。
關(guān)鍵詞：LVDT；數(shù)字解調(diào)；FPGA；鐵芯

    差動變壓器式位移傳感器(Inear Variable Differential Transformer，LVDT)采用電磁感應(yīng)原理測量微小位移。一般情況下，對電感位移傳感器(LVDT)常用的信號檢測方法是運用載波放大器來完成的，載波放大器又是由解調(diào)電路模塊、交流放大模塊、低通濾波功能模塊和常用的振蕩器組成的。簡單的方法就是從每個次級線圈得到調(diào)幅連續(xù)電壓，通過整流、相減，通過輸出的直流電壓來表明鐵芯的位置。這種方法中的原始信號經(jīng)過了整流、加減等中間環(huán)節(jié)才得到直流電壓信號，這樣會使誤差很大，不能得到精確的鐵芯位置。

1 LVDT鐵芯位移測量原理
    LVDT的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    采用環(huán)氧樹脂，不銹鋼等材料作為線圈骨架，用不同線徑的漆包線在骨架上繞制線圈。與傳統(tǒng)的電力變壓器不同，LVDT是一種開磁路弱磁耦合的測量元件：在骨架上繞制1個初級線圈，2個次級線圈。其工作方式是當(dāng)鐵芯由中間向兩邊移動時，次級兩個線圈輸出的電壓之差與鐵芯移動成線性關(guān)系，如圖2所示。

    線性可變差動變壓器(LVDT)主要由一個鐵芯和兩個線圈組成，由于無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，且功耗低，壽命長。LVDT的初級線圈需施加正弦交流激磁電壓，對激磁電壓的要求主要是激磁頻率、電壓幅值和功率3方面。該系統(tǒng)的硬件實體簡稱為變送器。利用由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)制作的變送器來驅(qū)動LVDT的初級線圈，并采集LVDT的2個次級線圈的輸出信號Va和Vb，該變送器包括由閃存或SRAM構(gòu)成的存儲器、驅(qū)動LVDT初級線圈的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(D／A)、采樣LVDT2個次級線圈的2個模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)，以及數(shù)字輸出模塊、包括信號解調(diào)算法和與上位機通信程序的變送器軟件；將采集到的LVDT兩個次級線圈的輸出信號Va和Vb作S=(Va-Vb)／(Va+Vb)的數(shù)字解調(diào)處理，利用LVDT鐵芯的實際位移量與S之間的映射關(guān)系來實現(xiàn)對LVDT的信號檢測。

2 硬件結(jié)構(gòu)
    變送器的硬件主要包括處理器、激勵信號發(fā)生器、閃存工作狀態(tài)控制器、閃存和SRAM存儲器、主動配置芯片、通信接口、顯示屏和鍵盤以及電源、時鐘／復(fù)位。如圖3所示。

    具體實施方法參見圖3，測量過程如下：
    首先，通過激勵信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波數(shù)據(jù)，其頻率和幅度由配置存儲器中的控制字控制，激勵信號送至LVDT，LVDT的次邊信號送至數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)，解調(diào)的結(jié)果送數(shù)字修正器進行誤差修正和必要的濾波，誤差修正數(shù)據(jù)存儲在FPGA片外的誤差表ROM存儲器。修正后的結(jié)果送數(shù)字輸出模塊，以同步方式對外輸出。數(shù)字輸出同時送至模擬輸出模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。
    校準(zhǔn)工作過程：首先將變送器設(shè)置為校準(zhǔn)狀態(tài)，每得到一個數(shù)據(jù)點，測出其鐵芯的真實位移值，通過多點的測量來得到其線性系數(shù)，校準(zhǔn)工作在整個量程內(nèi)逐點進行，上位機根據(jù)所得數(shù)據(jù)，通過線性插值算法計算誤差修正表，通過處理器寫入誤差修正表ROM存儲器。在整個量程內(nèi)的校準(zhǔn)點越密集，所得誤差修正表越精確。

3 軟件設(shè)計
    變送器軟件是指運行于“LVDT數(shù)字變送器”中FPGA內(nèi)的處理器平臺之上的軟件。變送器軟件有3大功能：控制變送器各個部分的協(xié)同工作；與PC通信，對變送器配置、校準(zhǔn)，采集位移數(shù)據(jù)；通過變送器的人機界面接收用戶的各項指令。變送器軟件采用“前后臺系統(tǒng)”實現(xiàn)各任務(wù)的調(diào)度和資源分配，以提高任務(wù)級響應(yīng)的實時性，同時“前后臺系統(tǒng)”不增加額外的軟件代碼和處理器執(zhí)行時間，留出更多的內(nèi)存空間用于存放采集的實時位移數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機和FPGA啟動時，首先要進行初始化，并對硬件進行配置，使其能正常的工作，由處理器來控制閃存的工作狀態(tài)，此時LVDT接入系統(tǒng)，對未修正數(shù)據(jù)進行修正處理，最后得出準(zhǔn)確的位移值，呈現(xiàn)于顯示模塊，如圖4所示。

4 數(shù)據(jù)處理
    在此所采用的精度計算方法為采集的數(shù)據(jù)中最大值與最小值之差與滿量程分辨率的比值，即：
    精度=(最大值-最小值)／65 536
    目前數(shù)字變送器輸出的全部是位移相對值，其與LVDT量程對應(yīng)的變送器輸出值為-65 535～+65 536，沒有單位，根據(jù)所用LVDT的量程，此值經(jīng)過換算即可得到具有長度單位的位移量。
    從圖5～圖7可以看出，在一定范圍內(nèi)，頻響帶寬越小，高頻成分越少，其精度越高。

    保持LVDT溫度和鐵心位置不變，數(shù)字變送器頻響設(shè)置為150 Hz，使數(shù)字變送器溫度從20℃升至50℃，然后自然降溫至30℃，此過程中記錄數(shù)字變送器輸出的位移相對值。結(jié)果為：變送器輸出最大變化量是滿量程的16．8×10-4。如圖8所示。

5 結(jié)語
    采用對兩個次級線圈的輸出信號Va和Vb做S=(Va-Vb)／(Va+Vb)的處理方法，克服了以往噪聲干擾過大的缺點，并由DDS產(chǎn)生正弦激勵信號，以及進行數(shù)字誤差修正和數(shù)字濾波，使位移的測量精度相對傳統(tǒng)方法提高一個數(shù)量級。