CN106813564A - 一种lvdt位移传感器数字化处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LVDT位移传感器数字化处理方法及装置，包括LVDT位移传感器方波激励源处理电路、传感器输出信号差分放大电路、峰值捕捉采样电路、微处理器控制显示电路和隔离通讯接口电路。其特征在于：采用极少的常用分离元器件实现无需加入精密整流电路、滤波电路、峰值保持电路等，具有响应更快、温漂极小和成本低的效果；采用方波激励，使得响应峰值存续时间长，对输出信号进行差分放大，减少干扰，提高精度；无需复杂处理即可捕获峰值；无整流电路，直接对原始信号放大后进行采样，因而在电气零点附近线性度更好；采用隔离串口传输，使电路具有较强的抗干扰能力。应用本发明产品已经取代进口产品应用一年多时间，运行稳定可靠，取得良好效益。

Description

一种LVDT位移传感器数字化处理方法及装置

技术领域

本发明属于一种LVDT位移传感器数字化处理电路，极大的简化了LVDT信号处理的同时，大幅提升LVDT适应性，可直接转化为数字量的电路。

背景技术

LVDT(Linear Variable Differential Transformer)位移传感器基本部件由一个磁芯、一个初级线圈和两个次级线圈组成。其工作原理是如图1a所示：当磁芯在线圈中移动时，初级线圈与两个次级线圈的电磁互感发生变化，两个次级线圈感应的电压也发生变化。当磁芯处于中心位置时，两组次级线圈电压相等，电压差为零；当磁芯偏离中心，一组次级电压增大，而另一组电压减小，电压差增大。电压差的幅值与磁芯的位移量在一定的范围内成线性比例关系。图1b所以为半桥式LVDT位移传感器电气图，其原理类似。

目前现有的方法是对LVDT传感器信号处理方法常采用正弦波驱动，对输出信号进行放大，再经过精密整流电路，滤波电路，峰值保持电路等调理电路，将输出转换为直流电压后再进行数模转换（ADC）数字化。目前有分离原件实现方式和集成芯片实现方式，如AD698专用芯片。

还有一种信号检测方法是：采用FPGA生成方波，经滤波电路变为正弦激励信号，对输出信号直接进行采样，判断极性后进行相位粗调,然后再进行细调，得到理论上峰值相位，对峰值进行采样。

第一种方法如果采用集成芯片，结构简单，但是由于采用很多二次处理电路，芯片自身或周围温度发生变化，对每部分电路影响累计，导致输出有一定的温漂；芯片内部恒流源个体有差异，经大电阻后，输出差异被放大，导致同样的位移的LVDT传感器，经不同的AD698测量，结果差异大；同时AD698专用芯片成本非常高。如采用分离器件，成本低但温漂、精度和可靠性降低。

第二种方法是信号处理方法，以激励源和输出信号为理想信号为前提，实际工程中，LVDT输出信号畸变，峰值相位偏离理论峰值相位，无法采用该方法准确捕获峰值；在零点附近，由于LVDT位移传感器自身固有的磁滞特性影响，波形相移严重，畸变厉害，且幅值几乎为0，如果不进行放大，直接采样峰值，此时该方法几乎失效。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提出了一种LVDT位移传感器数字化处理电路，采用模拟和数字混合的技术方式实现。本发明的作用主要是以下几个方面 ：一是产生 LVDT位移传感器所需的激励为方波，取代正弦波激励信号；二是将传感器输出的信号进行放大后，微处理器采用简单算法捕捉峰值，即进行数模转换，无需复杂调理电路或者运算判别；三是采用隔离接口电路，使本系统与其他设备或者主机电气隔离，提高该电路抗干扰能力。

为实现上述发明目的，本发明包含以下发明内容：一种LVDT位移传感器数字化处理电路，包括LVDT位移传感器方波激励源产生电路、传感器输出信号差分放大电路、峰值捕捉采样电路、微处理器控制显示电路和隔离通讯接口电路。其特征在于：

A、采用方波作为激励源，与普遍采用单一频率正弦波信号作为LVDT激励信号不同；根据傅里叶变换，方波可看成是多种频率的正弦波叠加，且正弦波幅值随频率增大而减小，而LVDT位移传感器有较宽的频率范围和感性效应，相当于一个低通滤波器，方波激励响应是经LVDT位移传感器滤波后，由占多种频率的正弦波叠加的结果，根据LVDT传感器磁芯材质，方波频率范围为12-24KHz比较合适；

B、传感器输出的响应信号用差分放大电路放大，采用差分放大减少共模干扰；

C、经放大处理后的信号进入差分数模转换芯片，该采样电路由微处理器控制启动采样时刻和采样次数，根据激励源相位和输出信号相位差得到位移的方向，根据采样次数和滤波计算得到位移量；

D、微处理器电路作为核心计算单元，一方面控制方波激励源的产生，得到激励源的相位；另一方面控制采样电路，输出采样脉冲P，捕捉输出信号的峰值；在此期间还需进行数值计算处理、显示和上位机通讯；

E、微处理器处理完数据后得到的是带方向的位移量，该位移量通过隔离串口电路上传到上位机，采用隔离接口电路可避免上位机和本发明电路相互干扰，增强系统稳定性。

所述A中，其特征在于:方波信号可由微处理器产生，经驱动能力强的运放后接入到LVDT传感器输入端，该方波信号频率不能太高，也不能太低，频率过高，导致传感器响应不及时，输出信号峰值的延续时间过短，不便于捕捉；频率过低，容易导致峰值衰减明显，波形三角化，传感器经受峰值直流电压时间过长易发热损坏，频率通常情况在12-24KHz之间比较合适；

所述B中，传感器输出信号放大电路采用差分方式进行放大,提高抗共模干扰能力；且根据位移测量范围进行放大倍数调整,使输出信号幅度匹配数模转换芯片最大量程，提高分辨率。

所述C中峰值捕捉处理方法，只需以激励源相位为基准，延迟(N/16)*T和(N/16+1/2)*T采样即可。其中T表示激励源的周期，N表示0到15中的某一个数，其得到步骤如下：

C1、微处理器以激励源相位为基准，T/16为时间间隔采样16次，其中有8次采样值大小一致，另8次采样值大小一致，但方向相反；

C2、从两个方向分界线开始，从0数到第3个与激励源同相采样点，记下该采样点的序号为N；

C3、为增加采样数量，在(N/16+1/2)*T也进行采样，需要记住，此时采样结果的方向与(N/16)*T采样结果方向相反，需要改正方向；

C4、存储N到EEPROM存储器中，以后每次使用只需从EEPROM存储器读取即可。

在获得N以后，以后每次捕捉峰值，微处理器只需以激励源为基准，延迟(N/16)*T和(N/16+1/2)*T时间启动采样脉冲P即可捕获峰峰值。经过换算处理即可得到含方向的位移量。同时多次采样结果可用于滤波算法，提高采样精度。

与上位机接口采用ADM3251E磁耦合隔离电路，有助于提高抗干扰能力。

本发明的有益效果是：本发明是一种LVDT位移传感器数字化处理电路；该电路采用特定频率方波激励LVDT位移传感器，利用响应峰值的平坦效果拓宽峰值存续时间，便于峰值捕捉；对输出信号进行差分放大，减少干扰，提高精度；采用简单计算即可捕捉峰值直接采样，因此不需要通过对输出信号进行精密整流处理、滤波处理和峰值保持处理后才能得到峰值信号；与上位机通讯采用隔离串口，使内部电路与外部电路隔离，提高抗干扰能力。本发明具有精度高、信号处理简洁、温漂小、成本低、抗干扰强的优点。

附图说明

图 1 为LVDT传感器电气原理图；

图 2 为本发明的系统理框图；

图 3 为本发明的部分电原理框图；

图 4为本发明峰值捕捉算法波形图；

图 5为图3中相关节点波形图；

图 6为本发明隔离串口电路图 。

具体实施方式

如图 2 所示，本发明是一种LVDT位移传感器数字化处理电路，包括LVDT位移传感器方波激励源产生电路、传感器输出信号差分放大电路、峰值捕捉采样电路、微处理器控制显示电路和隔离通讯接口电路。微处理控制LVDT激励源产生，输出到驱动放大电路 AMP1中，该电路将单端信号转换成差分信号Ui，该信号直接驱动LVDT传感器的原边。LVDT位移传感器根据磁芯的位置输出响应的信号Uo,由于LVDT自身固有特性，Uo相对Ui有相位偏移；Uo接入到差分放大器OP1，此放大采用的是反向输入，信号经放大后为U，由于放大器和电路板的影响，U相对于Uo也有相位偏移；假设U=-AUo， A为放大倍数，放大倍数根据实际应用选定，然后用精密电阻匹配出最接近的放大倍数，既要使LVDT位移传感器量程满足要求，又要使放大后的信号幅值正好与差分采样芯片的输入电压匹配。放大后的信号由微处理器控制转换时刻，使得所采样的值为信号峰值。

下面以单个周期的激励响应为例说明，如何确定捕捉峰值的时刻N，如图4所示：

1、微处理器得到激励源的初始相位后，马上触发采样脉冲P，采样时间间隔为（1/16）*T；

2、经过一个周期T后，微处理器对U=-A*Uo进行了16次采样；

3、采样结果为一个完整周期激励信号的响应，其中有8次数值大小一致（并非完全一样），另外8次数字大小一致，但方向相反。以图4为例，第0、1、2、B、C、D、E和F次采样结果大小一致、方向相同；第3、4、5、6、7、8、9和A次样结果大小一致、方向与前一组相反，分界点为3、4和A、B；

4、以两个方向的分界点3开始，第4个同相采样点为6号采样点；以B开始，第4个同相采样点为E号采样点；根据传感器位置确定与激励源同相的数字即可，这里假设为N=E；

5、延迟（14/16）*T和（14/16+1/2）*T时刻采样，即可捕获峰值，但需要注意，延迟（14/16+1/2）*T时刻采样值为相反方向，实际使用时需将方向改变。

记住了峰值捕获时刻后，以后只需要从存储器中调出来即可，无需重复计算，除非改变了LVDT传感器信号，或者电路参数。以后每个周期只需差分数模转换电路两次捕捉到峰峰值即可，电路各处波形如图5所示。

微处理器捕获了峰值后，根据采样结果计算出对应的位移量和方向，显示到LCD屏上，同时经隔离接口传输给上位机。隔离串口ADM3251E电路路如图6所示。

Claims (6)

1.一种LVDT位移传感器数字化处理电路，包括LVDT位移传感器方波激励源产生电路、传感器输出信号差分放大电路、峰值捕捉采样电路、微处理器控制显示电路和隔离通讯接口电路，其特征在于：

A、采用方波作为激励源，与普遍采用单一频率正弦波信号作为LVDT激励信号不同，根据傅里叶变换，方波可看成是多种频率的正弦波叠加，且正弦波幅值随频率增大而减小，而LVDT位移传感器有较宽的频率范围和感性效应，相当于一个低通滤波器，方波激励响应是经LVDT位移传感器滤波后，由占多种频率的正弦波叠加的结果，根据LVDT传感器磁芯材质，方波频率范围为12-24KHz比较合适；

B、传感器输出的响应信号用差分放大电路放大，采用差分放大减少共模干扰；

C、经放大处理后的信号进入差分数模转换芯片，该采样电路由微处理器控制启动采样时刻和采样次数，根据激励源相位和输出信号相位差得到位移的方向，根据采样次数和滤波计算得到位移量；

D、微处理器电路作为核心计算单元，一方面控制方波激励源的产生，得到激励源的相位；另一方面控制采样电路，输出采样脉冲P，捕捉输出信号的峰值；在此期间还需进行数值计算处理、显示和上位机通讯；

E、微处理器处理完数据后得到的是带方向的位移量，该位移量通过隔离串口电路上传到上位机，采用隔离接口电路可避免上位机和本发明电路相互干扰，增强系统稳定性。

2.根据权利要求1所述A中，其特征在于:方波信号可由微处理器产生，经驱动能力强的运放后接入到LVDT传感器输入端，该方波信号频率不能太高，也不能太低，频率过高，导致传感器响应不及时，输出信号峰值的延续时间过短，不便于捕捉；频率过低，容易导致峰值衰减明显，波形三角化，传感器经受峰值直流电压时间过长易发热损坏，频率通常情况在12-24KHz之间比较合适。

3.根据权利要求1所述B中，传感器输出信号放大电路采用差分方式进行放大,提高抗共模干扰能力；且根据位移测量范围进行放大倍数调整,使输出信号幅度匹配数模转换芯片最大量程，提高分辨率。

4.根据权利要求1所述C中峰值捕捉处理方法，只需以激励源相位为基准，延迟(N/16)*T和(N/16+1/2)*T采样即可，其中T表示激励源的周期，N表示0到15中的某一个数，其得到步骤如下：

C1、微处理器以激励源相位为基准，T/16为时间间隔采样16次，其中有8次采样值大小一致，另8次采样值大小一致，但方向相反；

C2、从两个方向分界线开始，从0数到第3个与激励源同相采样点，记下该采样点的序号为N；

C3、为增加采样数量，在(N/16+1/2)*T也进行采样，需要记住，此时采样结果的方向与(N/16)*T采样结果方向相反，需要改正方向；

C4、存储N到EEPROM存储器中，以后每次使用只需从EEPROM存储器读取即可。

5.根据权利要求4所述；在获得N以后，以后每次捕捉峰值，微处理器只需以激励源为基准，延迟(N/16)*T和(N/16+1/2)*T时间启动采样脉冲P即可捕获峰峰值，经过换算处理即可得到含方向的位移量，同时多次采样结果可用于滤波算法，提高采样精度。

6.与上位机接口采用ADM3251E磁耦合隔离电路，有助于提高抗干扰能力。