CN110132118A - 一种基于lvdt传感器的位移检测系统 - Google Patents

一种基于lvdt传感器的位移检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LVDT传感器的位移检测系统，包括LVDT传感器、激励信号产生电路、激励信号调理电路、传感信号调理电路和单片机；激励信号调理电路包括第一峰值检测电路和第一比较电路，传感信号调理电路包括第二峰值检测电路和第二比较电路，激励信号产生电路的输出端分别与LVDT传感器的激励端、第一峰值检测电路的输入端、第一比较电路的输入端连接，LVDT传感器的输出端分别与第二峰值检测电路的输入端、第二比较电路的输入端连接，第一峰值检测电路、第一比较电路、第二峰值检测电路和第二比较电路的输出端分别与单片机连接，单片机进行相关计算，得到LVDT传感器的位移方向和位移大小。本发明能避免相对繁琐的模拟电路参数调节，同时降低成本。

Description

一种基于LVDT传感器的位移检测系统
技术领域
本发明属于传感器检测领域，具体涉及一种基于LVDT传感器的位移检测系统。
背景技术
LVDT传感器(即线性可变差动变压器)是工业控制系统中常见的一种直线位移传感器，其广泛应用于电力、石化、化工等行业。
目前，由LVDT传感器组成的位移检测系统，主要包括LVDT传感器和集成式信号调理模块(比如AD698)；这种位移检测系统虽然性能稳定且检测可靠，但是AD698价格十分昂贵(每只AD698芯片的价格在200元以上)，从而导致位移检测系统的成本高；另外，当外部LVDT传感器性能特性发生变化时，电路参数也需要一定的调整，然而AD698是基于模拟器件构成，参数调节较为繁琐。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于LVDT传感器的位移检测系统，以避免相对繁琐的模拟电路参数调节，同时降低成本。
本发明所述的基于LVDT传感器的位移检测系统，包括LVDT传感器，还包括激励信号产生电路、激励信号调理电路、传感信号调理电路和单片机；激励信号调理电路包括第一峰值检测电路和第一比较电路，传感信号调理电路包括第二峰值检测电路和第二比较电路，激励信号产生电路的输出端分别与LVDT传感器的激励端、第一峰值检测电路的输入端、第一比较电路的输入端连接，LVDT传感器的输出端分别与第二峰值检测电路的输入端、第二比较电路的输入端连接，第一峰值检测电路的输出端、第一比较电路的输出端、第二峰值检测电路的输出端和第二比较电路的输出端分别与单片机连接，单片机采集第一、第二比较电路输出的PWM信号，进行相位计算，得到LVDT传感器的位移方向(即位置偏移方向)，单片机采集第一、第二峰值检测电路输出的正弦波峰值，进行峰值计算，得到LVDT传感器的位移大小(即位置偏移量)。
优选的，所述激励信号产生电路包括文氏桥振荡电路和压控恒流源电路，激励信号产生电路主要用于产生正弦波信号并对LVDT传感器的初级线圈进行驱动；其中，文氏桥振荡电路用于产生正弦波信号，压控恒流源电路用于为LVDT传感器的初级线圈提供跟随文氏桥振荡电路所产生的正弦波波形变化的电流信号，以保证LVDT传感器的初级线圈的稳定工作；激励信号产生电路对LVDT传感器的初级线圈的驱动采用压控恒流源的方式进行控制，可以实现初级线圈的电压电流的可控制性。
所述文氏桥振荡电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2和运算放大器U1A，电阻R1与电容C1并联且一端接地、另一端接电阻R2的一端和运算放大器U1A的同向输入端，电阻R2的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器U1A的输出端，电阻R3的一端接地、另一端接运算放大器U1A的反向输入端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接运算放大器U1A的输出端，电阻R5、二极管D1、二极管D2相互并联，且二极管D1的负极接二极管D2的正极，二极管D2的负极接二极管D1的正极，运算放大器U1A的输出端接压控恒流源电路的输入端。为了方便计算文氏桥振荡电路的频率，设置R1＝R2，C1＝C2，则文氏桥振荡电路的振荡频率f为：
为了保证文氏桥振荡电路的连续工作，并且避免其波形出现削波失真的情况，在电路中设置二极管D1、二极管D2以及电阻R3、电阻R4、电阻R5，且从而保证了在电路开始振荡时放大倍数大于3，当振幅增大到某个程度时，其放大倍数自动切换为小于3，这样就可以限制最大振幅并且连续工作。
所述压控恒流源电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、三极管Q1、三极管Q2和运算放大器U1C，电阻R6的一端接运算放大器U1A的输出端、另一端接运算放大器U1C的同向输入端，电阻R8的一端接地、另一端接运算放大器U1C的反向输入端，运算放大器U1C的输出端接三极管Q1的基极和三极管Q2的基极，三极管Q1的集电极接电源VDD1，三极管Q2的集电极接电源VDD2，三极管Q1的发射极接三极管Q2的发射极和电阻R10的一端，电阻R10的另一端接电阻R7的一端，且作为激励信号产生电路的输出端，电阻R7的另一端接运算放大器U1C的同向输入端，电阻R9的一端接运算放大器U1C的反向输入端、另一端接三极管Q1的发射极。为了便于控制与计算电流，设置R6＝R7＝R8＝R9，则所述LVDT传感器的激励端的激励电流IL为：其中，Vin表示运算放大器U1A的输出端输出的电压。
优选的，所述第一峰值检测电路的电路结构与第二峰值检测电路的电路结构相同，第一峰值检测电路用于获取激励信号产生电路输出的正弦波信号的正弦波峰值，并发送给单片机处理，第二峰值检测电路用于获取LVDT传感器输出的正弦波信号的正弦波峰值，并发送给单片机处理。所述第一、第二峰值检测电路都包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C3、电容C4、二极管D3、二极管D4、运算放大器U4A和运算放大器U4B，电阻R11的一端接运算放大器U4A的同向输入端，运算放大器U4A的反向输入端接二极管D4的正极，二极管D4的负极接运算放大器U4A的输出端和二极管D3的正极，二极管D3的负极接电容C3的一端、电阻R12的一端和运算放大器U4B的同向输入端，电容C3的另一端和电阻R12的另一端都接地，运算放大器U4B的反向输入端接运算放大器U4B的输出端，运算放大器U4B的输出端接电阻R14的一端，电阻R14的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电阻R13的一端接运算放大器U4A的反向输入端、另一端接运算放大器U4B的反向输入端；第一峰值检测电路中的电阻R11的另一端接激励信号产生电路的输出端，第一峰值检测电路中的电阻R14的另一端(即第一峰值检测电路的输出端)接单片机的一个AD采样接口；第二峰值检测电路中的电阻R11的另一端接LVDT传感器的输出端，第二峰值检测电路中的电阻R14的另一端(即第二峰值检测电路的输出端)接单片机的另一个AD采样接口。二极管D3和电容C3组成最基本的峰值检测模块，电容C3用于模拟峰值存储器，二极管D3作为单向电流开关，二极管D4用于限幅以防止运算放大器U4A深度饱和，运算放大器U4A、运算放大器U4B用作输入输出缓冲隔离，电阻R12作为电容C3的放电复位器，电阻R14、电容C4组成输出滤波电路。
优选的，所述第一比较电路的电路结构与第二比较电路的电路结构相同，第一比较电路用于将激励信号产生电路输出的正弦波信号转换为方波信号(即PWM信号)，并发送给单片机处理，第二比较电路用于将LVDT传感器输出的正弦波信号转换为方波信号(即PWM信号)，并发送给单片机处理。所述第一、第二比较电路都包括电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、二极管D5、二极管D6和运算放大器U3A，电阻R15的一端接运算放大器U3A的同向输入端，电阻R16的一端接地、另一端接运算放大器U3A的反向输入端和电阻R17的一端，电阻R17的另一端接运算放大器U3A的输出端，电阻R18的一端接运算放大器U3A的输出端，二极管D5的正极接运算放大器U3A的输出端、负极接电源VCC，二极管D6的负极接运算放大器U3A的输出端、正极接地；第一比较电路中的电阻R15的另一端接激励信号产生电路的输出端，第一比较电路中的电阻R18的另一端(即第一比较电路的输出端)接单片机的一个PWM采样接口；第二比较电路中的电阻R15的另一端接LVDT传感器的输出端，第二比较电路中的电阻R18的另一端(即第二比较电路的输出端)接单片机的另一个PWM采样接口。为了使第一、第二比较电路的输出电压快速达到最大值，设置R15＝R16，R17＞1000×R15。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
(1)利用激励信号产生电路、激励信号调理电路、传感信号调理电路和单片机代替AD698，在保证运行稳定、检测可靠的情况下，降低了位移检测系统的整体成本，适于推广应用。
(2)包括LVDT传感器、激励信号产生电路、激励信号调理电路、传感信号调理电路和单片机的位移检测系统也避免了相对繁琐的模拟电路参数调节，检测快捷、方便。
(3)激励信号产生电路、激励信号调理电路、传感信号调理电路所使用的核心器件为运算放大器，其运行稳定、成本低廉，从而更进一步的降低了位移检测系统的整体成本。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图。
图2为本发明中的文氏桥振荡电路的原理图。
图3为本发明中的压控恒流源电路的原理图。
图4为本发明中的第一峰值检测电路的原理图。
图5为本发明中的第一比较电路的原理图。
图6为本发明中的第二峰值检测电路的原理图。
图7为本发明中的第二比较电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如图1所示的基于LVDT传感器的位移检测系统，包括激励信号产生电路1、LVDT传感器2、激励信号调理电路3、传感信号调理电路4和单片机5。激励信号产生电路1包括文氏桥振荡电路11和压控恒流源电路12，激励信号调理电路3包括第一峰值检测电路31和第一比较电路32，传感信号调理电路4包括第二峰值检测电路41和第二比较电路42。
如图2、图3所示，文氏桥振荡电路11包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2和运算放大器U1A；压控恒流源电路12包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、三极管Q1、三极管Q2和运算放大器U1C；电阻R1与电容C1并联且一端接地、另一端接电阻R2的一端和运算放大器U1A的同向输入端，电阻R2的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器U1A的输出端，电阻R3的一端接地、另一端接运算放大器U1A的反向输入端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接运算放大器U1A的输出端，电阻R5、二极管D1、二极管D2相互并联，且二极管D1的负极接二极管D2的正极，二极管D2的负极接二极管D1的正极，运算放大器U1A的输出端接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接运算放大器U1C的同向输入端，电阻R8的一端接地、另一端接运算放大器U1C的反向输入端，运算放大器U1C的输出端接三极管Q1的基极和三极管Q2的基极，三极管Q1的集电极接电源VDD1(为+15V)，三极管Q2的集电极接电源VDD2(为-15V)，三极管Q1的发射极接三极管Q2的发射极和电阻R10的一端，电阻R10的另一端接电阻R7的一端，且作为激励信号产生电路1的输出端，连接LVDT传感器2的初级线圈RL1的一端(即LVDT传感器2的激励端)，LVDT传感器2的初级线圈RL1的另一端接地，电阻R7的另一端接运算放大器U1C的同向输入端，电阻R9的一端接运算放大器U1C的反向输入端、另一端接三极管Q1的发射极。其中，R1＝R2，C1＝C2，R6＝R7＝R8＝R9。
如图4、图6所示，第一峰值检测电路31的电路结构与第二峰值检测电路41的电路结构相同；第一峰值检测电路31、第二峰值检测电路41都包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C3、电容C4、二极管D3、二极管D4、运算放大器U4A和运算放大器U4B，电阻R11的一端接运算放大器U4A的同向输入端，运算放大器U4A的反向输入端接二极管D4的正极，二极管D4的负极接运算放大器U4A的输出端和二极管D3的正极，二极管D3的负极接电容C3的一端、电阻R12的一端和运算放大器U4B的同向输入端，电容C3的另一端和电阻R12的另一端都接地，运算放大器U4B的反向输入端接运算放大器U4B的输出端，运算放大器U4B的输出端接电阻R14的一端，电阻R14的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电阻R13的一端接运算放大器U4A的反向输入端、另一端接运算放大器U4B的反向输入端；第一峰值检测电路31中的电阻R11的另一端接激励信号产生电路1的输出端，第一峰值检测电路31中的电阻R14的另一端接单片机5的一个AD采样接口；第二峰值检测电路41中的电阻R11的另一端接LVDT传感器2的输出端(即LVDT传感器2的次级线圈RL2的一端)，LVDT传感器2的次级线圈RL2的另一端接地，第二峰值检测电路41中的电阻R14的另一端接单片机5的另一个AD采样接口。
如图5、图7所示，第一比较电路32的电路结构与第二比较电路42的电路结构相同；第一比较电路32、第二比较电路42都包括电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、二极管D5、二极管D6和运算放大器U3A，电阻R15的一端接运算放大器U3A的同向输入端，电阻R16的一端接地、另一端接运算放大器U3A的反向输入端和电阻R17的一端，电阻R17的另一端接运算放大器U3A的输出端，电阻R18的一端接运算放大器U3A的输出端，二极管D5的正极接运算放大器U3A的输出端、负极接电源VCC(为+3.3V)，二极管D6的负极接运算放大器U3A的输出端、正极接地；第一比较电路32中的电阻R15的另一端接激励信号产生电路1的输出端，第一比较电路32中的电阻R18的另一端接单片机5的一个PWM采样接口；第二比较电路42中的电阻R15的另一端接LVDT传感器2的输出端(即LVDT传感器2的次级线圈RL2的一端)，第二比较电路42中的电阻R18的另一端接单片机5的另一个PWM采样接口。其中，R15＝R16，R17＞1000×R15。
单片机5采集第一比较电路32输出的PWM信号、第二比较电路42输出的PWM信号，并进行相位计算，得到LVDT传感器2的位移方向(即单片机5根据两种PWM信号的相位差，确定当前LVDT传感器的位置偏移方向)；单片机5采集第一峰值检测电路31输出的正弦波峰值、第二峰值检测电路41输出的正弦波峰值，并进行峰值计算，得到LVDT传感器2的位移大小(即单片机5根据采集到的两种正弦波峰值的比较，计算当前LVDT传感器的位置偏移量)。

Claims (8)

1.一种基于LVDT传感器的位移检测系统，包括LVDT传感器(2)，其特征在于：还包括激励信号产生电路(1)、激励信号调理电路(3)、传感信号调理电路(4)和单片机(5)；激励信号调理电路(3)包括第一峰值检测电路(31)和第一比较电路(32)，传感信号调理电路(4)包括第二峰值检测电路(41)和第二比较电路(42)，激励信号产生电路(1)的输出端分别与LVDT传感器(2)的激励端、第一峰值检测电路(31)的输入端、第一比较电路(32)的输入端连接，LVDT传感器(2)的输出端分别与第二峰值检测电路(41)的输入端、第二比较电路(42)的输入端连接，第一峰值检测电路(31)的输出端、第一比较电路(32)的输出端、第二峰值检测电路(41)的输出端和第二比较电路(42)的输出端分别与单片机(5)连接，单片机(5)采集第一、第二比较电路(32、42)输出的PWM信号，进行相位计算，得到LVDT传感器的位移方向，单片机(5)采集第一、第二峰值检测电路(31、41)输出的正弦波峰值，进行峰值计算，得到LVDT传感器的位移大小。
2.根据权利要求1所述的基于LVDT传感器的位移检测系统，其特征在于：所述激励信号产生电路(1)包括文氏桥振荡电路(11)和压控恒流源电路(12)；文氏桥振荡电路(11)包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2和运算放大器U1A，电阻R1与电容C1并联且一端接地、另一端接电阻R2的一端和运算放大器U1A的同向输入端，电阻R2的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器U1A的输出端，电阻R3的一端接地、另一端接运算放大器U1A的反向输入端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接运算放大器U1A的输出端，电阻R5、二极管D1、二极管D2相互并联，且二极管D1的负极接二极管D2的正极，二极管D2的负极接二极管D1的正极，运算放大器U1A的输出端接压控恒流源电路(12)的输入端。
3.根据权利要求2所述的基于LVDT传感器的位移检测系统，其特征在于：所述压控恒流源电路(12)包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、三极管Q1、三极管Q2和运算放大器U1C，电阻R6的一端接运算放大器U1A的输出端、另一端接运算放大器U1C的同向输入端，电阻R8的一端接地、另一端接运算放大器U1C的反向输入端，运算放大器U1C的输出端接三极管Q1的基极和三极管Q2的基极，三极管Q1的集电极接电源VDD1，三极管Q2的集电极接电源VDD2，三极管Q1的发射极接三极管Q2的发射极和电阻R10的一端，电阻R10的另一端接电阻R7的一端，且作为激励信号产生电路(1)的输出端，电阻R7的另一端接运算放大器U1C的同向输入端，电阻R9的一端接运算放大器U1C的反向输入端、另一端接三极管Q1的发射极。
4.根据权利要求3所述的基于LVDT传感器的位移检测系统，其特征在于：所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5与电容C1、电容C2满足：R1＝R2，C1＝C2，
5.根据权利要求3所述的基于LVDT传感器的位移检测系统，其特征在于：所述电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9满足：R6＝R7＝R8＝R9。
6.根据权利要求1至5任一所述的基于LVDT传感器的位移检测系统，其特征在于：
所述第一峰值检测电路(31)的电路结构与第二峰值检测电路(41)的电路结构相同；所述第一、第二峰值检测电路(31、41)都包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C3、电容C4、二极管D3、二极管D4、运算放大器U4A和运算放大器U4B，电阻R11的一端接运算放大器U4A的同向输入端，运算放大器U4A的反向输入端接二极管D4的正极，二极管D4的负极接运算放大器U4A的输出端和二极管D3的正极，二极管D3的负极接电容C3的一端、电阻R12的一端和运算放大器U4B的同向输入端，电容C3的另一端和电阻R12的另一端都接地，运算放大器U4B的反向输入端接运算放大器U4B的输出端，运算放大器U4B的输出端接电阻R14的一端，电阻R14的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电阻R13的一端接运算放大器U4A的反向输入端、另一端接运算放大器U4B的反向输入端；第一峰值检测电路(31)中的电阻R11的另一端接激励信号产生电路(1)的输出端，第一峰值检测电路(31)中的电阻R14的另一端接单片机(5)的一个AD采样接口；第二峰值检测电路(41)中的电阻R11的另一端接LVDT传感器(2)的输出端，第二峰值检测电路(41)中的电阻R14的另一端接单片机(5)的另一个AD采样接口。
7.根据权利要求1至6任一所述的基于LVDT传感器的位移检测系统，其特征在于：
所述第一比较电路(32)的电路结构与第二比较电路(42)的电路结构相同；所述第一、第二比较电路(32、42)都包括电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、二极管D5、二极管D6和运算放大器U3A，电阻R15的一端接运算放大器U3A的同向输入端，电阻R16的一端接地、另一端接运算放大器U3A的反向输入端和电阻R17的一端，电阻R17的另一端接运算放大器U3A的输出端，电阻R18的一端接运算放大器U3A的输出端，二极管D5的正极接运算放大器U3A的输出端、负极接电源VCC，二极管D6的负极接运算放大器U3A的输出端、正极接地；第一比较电路(32)中的电阻R15的另一端接激励信号产生电路(1)的输出端，第一比较电路(32)中的电阻R18的另一端接单片机(5)的一个PWM采样接口；第二比较电路(42)中的电阻R15的另一端接LVDT传感器(2)的输出端，第二比较电路(42)中的电阻R18的另一端接单片机(5)的另一个PWM采样接口。
8.根据权利要求7所述的基于LVDT传感器的位移检测系统，其特征在于：所电阻R15、电阻R16、电阻R17满足：R15＝R16，R17＞1000×R15。
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