CN209991929U - Lvdt直线位移传感器测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LVDT直线位移传感器测量电路，包括输入直流电源模块，LVDT信号输入模块、信号处理电路模块，直流输出电路模块；输入直流电源模块，用于给整个电路供电；LVDT传感器的激励线圈和次级线圈通过LVDT信号输入接口接入信号处理电路模块，LVDT传感器信号在信号处理电路模块内进行放大、滤波等处理；信号处理电路模块通过软件来调节不同幅值、频率的激励信号输出给LVDT激励线圈，从而得到稳定的LVDT次级线圈输出的正弦信号，该正弦信号在芯片内部经补偿计算处理，最后由直流输出电路输出直流模拟电压信号，解决了LVDT信号测量电路的补偿精度差和漂移、调节繁琐的问题，也可通过芯片补偿端点电压来增加LVDT的有效量程。

Description

LVDT直线位移传感器测量电路

技术领域

本实用新型涉及一种LVDT直线位移传感器测量电路，尤其涉及一种芯片调节、直流供电、直流信号输出的LVDT直线位移传感器测量电路，属于涉及LVDT直线位移传感器及信号处理领域。

背景技术

目前，线性差动变压器(linear variable differential transformer，LVDT)是一种线性位移传感器，其构造为一差动变压器，包括缠绕成桶状的初级线圈、两组次级线圈以及一个镍铁合金的铁芯。铁芯为一动件，其位置影响初、次级绕组间的磁场耦合。次级线圈同名端连接在一起，输出信号为两线圈信号的差值。当初级线圈有交流激励信号时，次级线圈输出交流差动信号幅度与相位反映铁芯的线性位置。RVDT(Rotary VariableDifferential Transformer，旋转可变差动变压器)原理与此相同，输出差动信号幅度与相位反映铁芯的角度位置。

现有技术中，一般的LVDT的测量电路，由分立模拟器件或模拟集成电路构成，其中比较有代表性的是ADI的集成电路AD698。但是，这一类模拟测量电路通常具有以下缺点：

1、电路基于模拟器件构成，模拟器件参数调节繁琐，以及极易引入误差和漂移。

2、当铁芯在零点时，理论上，耦合到次级线圈的磁通量相同，故次级输出的差动信号为零；实际上，由于线圈的不平衡、寄生电容、泄漏电阻等原因，会存在零点残余电压；可引入补偿电路来消除零点残余电压，同时会在零点附近引入非线性误差。

3、解调电路需要参考振荡电路的输出作为参考信号，当传感器输出与参考信号同相位时，解调电路可以很好地工作，但信号链中各环节均可能存在相移，需要引入模拟相位调节电路补偿信号链中的相移，同时也存在补偿精度差和漂移的问题，调节繁琐。

4、LVDT传感器决定于其构造，会存在一定的非线性，特别是在接近满量程时，其输出信号存在滚降，会影响其有效测量范围；需要引入一个非线性校正电路，在一个模拟系统中，也存在校正精度差、漂移、调节繁琐等问题。

5、解调电路中存在众多电子元器件，这些元器件的引入在温度变化时会造成很大的温漂，使得测量精度下降，由于众多电子元器件，存在很多的变量，调节补偿繁琐。

因而，亟待研发出能够解决现有技术缺陷的LVDT的测量电路。

发明内容

针对上述现存的技术问题，本实用新型提供一种芯片调节、直流供电、直流信号输出的LVDT直线位移传感器测量电路，以解决LVDT信号测量电路的补偿精度差和漂移、调节繁琐的问题，也可通过芯片补偿端点电压来增加LVDT的有效量程。

为实现上述目的，本实用新型提供一种LVDT直线位移传感器测量电路，包括输入直流电源模块，LVDT信号输入模块、信号处理电路模块，直流输出电路模块；

所述的LVDT信号输入模块用于将LVDT传接入信号处理电路模块，包括端口P1、P2、SIP、SIN、S2P、S2N；

所述的信号处理电路模块包括信号处理芯片U2和连接器J1，信号处理芯片U2的脚5、6-9、17-19、29-42、11、33-36、38悬空，脚1、2、3、4、46、47分别连接LVDT信号输入模块的端口SIP、SIN、S2P、S2N、P1、P2，脚10、24、37、48、49连接后接地，脚44经电阻R12、电容C1接地，脚45经电容C12接地，脚21接地，脚14连接DACCAP端，脚11连接REFCAP端，脚20、43分别连接VDD端，脚12连接AVDD端，脚22、23连接DVDD端，且DACCAP端、REFCAP端、VDD端、AVDD端DVDD端分别经电容C1、C2、C3、C4、C5后相连再接地；连接器J1的脚1-4分别连接信号处理芯片U2的脚25、26、27、28，连接器J1的脚5接地；

LVDT传感器的初级线圈连接LVDT信号输入模块的端口P1、P2，次级线圈连接信号处理芯片U2的脚1、2、3、4。

上述技术方案中，LVDT传感器的激励线圈和次级线圈通过LVDT信号输入接口接入信号处理电路模块，LVDT传感器信号在信号处理电路模块内进行放大、滤波等处理。信号处理芯片U2安装了嵌入式软件程序，该软件是现有技术，能够执行控制、温度补偿、零点调节等内容，信号处理过程中，芯片可通过软件来调节不同幅值、频率的激励信号输出给LVDT激励线圈，从而得到稳定的LVDT次级线圈输出的正弦信号，该正弦信号在芯片内部经补偿计算处理，最后由直流输出电路输出直流模拟电压信号。

进一步，所述的输入直流电源模块包括LDO稳压芯片U1；外部直流电源经VIN端连接二极管D1正极，二极管D1负极分别连接VCC端、电容C11一端、电容C8一端以及LDO稳压芯片U1的输入端IN，且电容C11和电容C8的另一端相连后接地；LDO稳压芯片U1的输出端OUT分别连接电容C9一端、电容C10一端和VDD端，且电容C9和电容C10的另一端分别与LDO稳压芯片U1的GND端相连后接地。

上述技术方案中，输入直流电源模块为DC8-36V，用于给整个电路供电。

进一步，所述的直流输出电路模块包括电阻R1和电容C6，信号处理芯片U2的脚13经VO端连接电阻R1一端，脚16经电容C6连接电阻R1一端，电阻R1另一端分别连接脚15和VOUT端，且VOUT端经电容C7接地。

进一步，所述的信号处理芯片U2的型号为PGA970。

上述技术方案中，PGA970器件是一款具有高级信号处理功能的高集成度片上系统LVDT传感器信号调节器。该器件配有一个三通道、低噪声、可编程增益模拟前端，允许直接连接感测元件，后接三个独立的24位Δ-ΣADC。此外，该器件包含的数字信号解调模块可连接到集成的ARM-Cortex M0MCU，从而执行器件非易失性存储器中存储的定制传感器补偿算法。该器件可使用SPI、OWI、GPIO或PWM数字接口与外部系统通信。模拟输出通过一个14位DAC和可编程增益放大器来提供支持，从而提供基准或绝对电压输出。感测元件激励通过集成的波形发生器和波形放大器来实现。波形信号数据根据用户自定义存储在指定的RAM存储区。除了主要的功能组件之外，PGA970器件还配有额外的支持电路，例如器件诊断、传感器诊断和集成型温度传感器。这些电路可共同为整个系统和感测元件提供保护及相关完整性信息。该器件还包含一个栅极控制器电路，可在系统电源电压超过30V时搭配外部耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)一同调节器件电源电压。

进一步，所述的LDO稳压芯片U1的型号为LM2936。

本实用新型解决了LVDT信号测量电路的补偿精度差和漂移、调节繁琐的问题，并通过芯片补偿端点电压来增加LVDT的有效量程。相比现有技术，具有如下技术优势：

1、采用芯片集成电路，减少了繁琐的调节补偿等分立元件硬件电路；

2、输出信号的线性度、相位、零点调节以及温度补偿等都通过软件来实现，减少了工序工时，极大提高了产品生产效率；

3、由于PGA970调节的便利性和精确性，使得LVDT传感器产品的线性度、精度、温度稳定性等各项性能都有较大的提高。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本芯片调节、直流供电、直流信号输出的LVDT直线位移传感器，包括输入直流电源模块，LVDT信号输入模块、信号处理电路模块，直流输出电路模块。

所述的输入直流电源模块包括LDO稳压芯片U1；外部直流电源经VIN端连接二极管D1正极，二极管D1负极分别连接VCC端、电容C11一端、电容C8一端以及LDO稳压芯片U1的输入端IN，且电容C11和电容C8的另一端相连后接地；LDO稳压芯片U1的输出端OUT分别连接电容C9一端、电容C10一端和VDD端，且电容C9和电容C10的另一端分别与LDO稳压芯片U1的GND端相连后接地。

其中，LDO稳压芯片U1选用型号LM2936，具有宽输入电压范围6-40V,可以兼容多种外部输入电压和使用过程中的电源扰动。D1的作用是使用二极管的单向导电特性，防止电源反接烧毁元件。

所述的LVDT信号输入模块包括端口P1、P2、SIP、SIN、S2P、S2N。LVDT传感器通过信号输入模块接入信号处理电路模块，无需任何旁路元件。

所述的信号处理电路模块包括信号处理芯片U2和连接器J1，信号处理芯片U2脚1、2、3、4、46、47分别连接LVDT信号输入模块的端口SIP、SIN、S2P、S2N、P1、P2，脚10、24、37、48、49连接后接地，脚44经电阻R12、电容C1接地，脚45经电容C12接地，脚21接地，脚14连接DACCAP端，脚11连接REFCAP端，脚20、43分别连接VDD端，脚12连接AVDD端，脚22、23连接DVDD端，且DACCAP端、REFCAP端、VDD端、AVDD端DVDD端分别经电容C1、C2、C3、C4、C5后相连再接地；连接器J1的脚1-4分别连接信号处理芯片U2的脚25、26、27、28，连接器J1的脚5接地；

其中，信号处理芯片U2采用PGA970芯片，PGA970芯片是信号处理电路模块的核心元件，C1对PGA970芯片的内部DAC输出进行滤波，减少DAC输出的噪声；C2对PGA970的内部参考电源提供滤波；C3、C4、C5分别对芯片的主电源、模拟电源和数字电源进行滤波，为芯片的工作提供良好的电源环境。R2、C12用于调节芯片激励信号的增益。

LVDT传感器的初级线圈经过通过LVDT信号输入模块的端口P1、P2分别接至PGA970芯片的脚46、47，即激励信号端P1、P2，由PGA970芯片给初级线圈提供经过调节好的正弦激励信号，驱动初级线圈产生交变磁场；同时LVDT传感器的次级线圈受该交变磁场感应产生相应幅值的正弦信号，该信号通过LVDT信号输入模块的端口S1P、S1N和S2P、S2N连接PGA970芯片的脚1、2、3、4，从而进入芯片内进行放大、滤波、补偿计算等等处理，最后通过内部DAC输出直流电压信号至13引脚。并且，初级激励信号的频率和幅值、次级线圈信号的幅值、最后产生的直流信号的幅值、线性度、温度稳定性等参数，由PGA970芯片内部程序设定，可根据需要任意调节补偿至最合适的值，用于提高LVDT传感器的各项性能。

所述的直流输出电路模块包括电阻R1和电容C6，信号处理芯片U2的脚13经VO端连接电阻R1一端，脚16经电容C6连接电阻R1一端，电阻R1另一端分别连接脚15和VOUT端，且VOUT端经电容C7接地。

由PGA970芯片内部DAC输出至脚13的直流信号，经电容C6、C7和电阻R1组成的滤波网络，进一步降低噪声干扰。同时，信号经R1连接至芯片FBN引脚组成闭环反馈，从而提高信号精确度。

使用过程中，本测量电路能够实现直流输入及直流模拟电压信号输出，参数调节不繁琐，不易引入误差和漂移，降低了补偿精度差和漂移，增加了LVDT传感器的有效量程和测量精度。

当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种LVDT直线位移传感器测量电路，其特征在于，包括输入直流电源模块，LVDT信号输入模块、信号处理电路模块，直流输出电路模块；

所述的LVDT信号输入模块用于将LVDT传接入信号处理电路模块，包括端口P1、P2、SIP、SIN、S2P、S2N；

所述的信号处理电路模块包括信号处理芯片U2和连接器J1；信号处理芯片U2的脚5、6-9、17-19、29-42、11、33-36、38悬空，脚1、2、3、4、46、47分别连接LVDT信号输入模块的端口SIP、SIN、S2P、S2N、P1、P2，脚10、24、37、48、49连接后接地，脚44经电阻R12、电容C1接地，脚45经电容C12接地，脚21接地，脚14连接DACCAP端，脚11连接REFCAP端，脚20、43分别连接VDD端，脚12连接AVDD端，脚22、23连接DVDD端，且DACCAP端、REFCAP端、VDD端、AVDD端DVDD端分别经电容C1、C2、C3、C4、C5后相连再接地；连接器J1的脚1-4分别连接信号处理芯片U2的脚25、26、27、28，连接器J1的脚5接地；

LVDT传感器的初级线圈连接LVDT信号输入模块的端口P1、P2，次级线圈连接信号处理芯片U2的脚1、2、3、4。

2.根据权利要求1所述的一种LVDT直线位移传感器测量电路，其特征在于，所述的输入直流电源模块用于给整个电路供电，包括LDO稳压芯片U1；外部直流电源经VIN端连接二极管D1正极，二极管D1负极分别连接VCC端、电容C11一端、电容C8一端以及LDO稳压芯片U1的输入端IN，且电容C11和电容C8的另一端相连后接地；LDO稳压芯片U1的输出端OUT分别连接电容C9一端、电容C10一端和VDD端，且电容C9和电容C10的另一端分别与LDO稳压芯片U1的GND端相连后接地。

3.根据权利要求1所述的一种LVDT直线位移传感器测量电路，其特征在于，所述的直流输出电路模块包括电阻R1和电容C6，信号处理芯片U2的脚13经VO端连接电阻R1一端，脚16经电容C6连接电阻R1一端，电阻R1另一端分别连接脚15和VOUT端，且VOUT端经电容C7接地。

4.根据权利要求1所述的一种LVDT直线位移传感器测量电路，其特征在于，所述的信号处理芯片U2的型号为PGA970。

5.根据权利要求2所述的一种LVDT直线位移传感器测量电路，其特征在于，所述的LDO稳压芯片U1的型号为LM2936。

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