本發(fā)明屬于一種LVDT位移傳感器數(shù)字化處理電路，極大的簡化了LVDT信號(hào)處理的同時(shí)，大幅提升LVDT適應(yīng)性，可直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的電路。

背景技術(shù)：

LVDT(Linear Variable Differential Transformer)位移傳感器基本部件由一個(gè)磁芯、一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)次級(jí)線圈組成。其工作原理是如圖1a所示：當(dāng)磁芯在線圈中移動(dòng)時(shí)，初級(jí)線圈與兩個(gè)次級(jí)線圈的電磁互感發(fā)生變化，兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓也發(fā)生變化。當(dāng)磁芯處于中心位置時(shí)，兩組次級(jí)線圈電壓相等，電壓差為零；當(dāng)磁芯偏離中心，一組次級(jí)電壓增大，而另一組電壓減小，電壓差增大。電壓差的幅值與磁芯的位移量在一定的范圍內(nèi)成線性比例關(guān)系。圖1b所以為半橋式LVDT位移傳感器電氣圖，其原理類似。

目前現(xiàn)有的方法是對(duì)LVDT傳感器信號(hào)處理方法常采用正弦波驅(qū)動(dòng)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)過精密整流電路，濾波電路，峰值保持電路等調(diào)理電路，將輸出轉(zhuǎn)換為直流電壓后再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC）數(shù)字化。目前有分離原件實(shí)現(xiàn)方式和集成芯片實(shí)現(xiàn)方式，如AD698專用芯片。

還有一種信號(hào)檢測(cè)方法是：采用FPGA生成方波，經(jīng)濾波電路變?yōu)檎壹?lì)信號(hào)，對(duì)輸出信號(hào)直接進(jìn)行采樣，判斷極性后進(jìn)行相位粗調(diào),然后再進(jìn)行細(xì)調(diào)，得到理論上峰值相位，對(duì)峰值進(jìn)行采樣。

第一種方法如果采用集成芯片，結(jié)構(gòu)簡單，但是由于采用很多二次處理電路，芯片自身或周圍溫度發(fā)生變化，對(duì)每部分電路影響累計(jì)，導(dǎo)致輸出有一定的溫漂；芯片內(nèi)部恒流源個(gè)體有差異，經(jīng)大電阻后，輸出差異被放大，導(dǎo)致同樣的位移的LVDT傳感器，經(jīng)不同的AD698測(cè)量，結(jié)果差異大；同時(shí)AD698專用芯片成本非常高。如采用分離器件，成本低但溫漂、精度和可靠性降低。

第二種方法是信號(hào)處理方法，以激勵(lì)源和輸出信號(hào)為理想信號(hào)為前提，實(shí)際工程中，LVDT輸出信號(hào)畸變，峰值相位偏離理論峰值相位，無法采用該方法準(zhǔn)確捕獲峰值；在零點(diǎn)附近，由于LVDT位移傳感器自身固有的磁滯特性影響，波形相移嚴(yán)重，畸變厲害，且幅值幾乎為0，如果不進(jìn)行放大，直接采樣峰值，此時(shí)該方法幾乎失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述不足，本發(fā)明提出了一種LVDT位移傳感器數(shù)字化處理電路，采用模擬和數(shù)字混合的技術(shù)方式實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的作用主要是以下幾個(gè)方面 ：一是產(chǎn)生 LVDT位移傳感器所需的激勵(lì)為方波，取代正弦波激勵(lì)信號(hào)；二是將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大后，微處理器采用簡單算法捕捉峰值，即進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，無需復(fù)雜調(diào)理電路或者運(yùn)算判別；三是采用隔離接口電路，使本系統(tǒng)與其他設(shè)備或者主機(jī)電氣隔離，提高該電路抗干擾能力。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明包含以下發(fā)明內(nèi)容：一種LVDT位移傳感器數(shù)字化處理電路，包括LVDT位移傳感器方波激勵(lì)源產(chǎn)生電路、傳感器輸出信號(hào)差分放大電路、峰值捕捉采樣電路、微處理器控制顯示電路和隔離通訊接口電路。其特征在于：

A、采用方波作為激勵(lì)源，與普遍采用單一頻率正弦波信號(hào)作為LVDT激勵(lì)信號(hào)不同；根據(jù)傅里葉變換，方波可看成是多種頻率的正弦波疊加，且正弦波幅值隨頻率增大而減小，而LVDT位移傳感器有較寬的頻率范圍和感性效應(yīng)，相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，方波激勵(lì)響應(yīng)是經(jīng)LVDT位移傳感器濾波后，由占多種頻率的正弦波疊加的結(jié)果，根據(jù)LVDT傳感器磁芯材質(zhì)，方波頻率范圍為12-24KHz比較合適；

B、傳感器輸出的響應(yīng)信號(hào)用差分放大電路放大，采用差分放大減少共模干擾；

C、經(jīng)放大處理后的信號(hào)進(jìn)入差分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換芯片，該采樣電路由微處理器控制啟動(dòng)采樣時(shí)刻和采樣次數(shù)，根據(jù)激勵(lì)源相位和輸出信號(hào)相位差得到位移的方向，根據(jù)采樣次數(shù)和濾波計(jì)算得到位移量；

D、微處理器電路作為核心計(jì)算單元，一方面控制方波激勵(lì)源的產(chǎn)生，得到激勵(lì)源的相位；另一方面控制采樣電路，輸出采樣脈沖P，捕捉輸出信號(hào)的峰值；在此期間還需進(jìn)行數(shù)值計(jì)算處理、顯示和上位機(jī)通訊；

E、微處理器處理完數(shù)據(jù)后得到的是帶方向的位移量，該位移量通過隔離串口電路上傳到上位機(jī)，采用隔離接口電路可避免上位機(jī)和本發(fā)明電路相互干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

所述A中，其特征在于:方波信號(hào)可由微處理器產(chǎn)生，經(jīng)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的運(yùn)放后接入到LVDT傳感器輸入端，該方波信號(hào)頻率不能太高，也不能太低，頻率過高，導(dǎo)致傳感器響應(yīng)不及時(shí)，輸出信號(hào)峰值的延續(xù)時(shí)間過短，不便于捕捉；頻率過低，容易導(dǎo)致峰值衰減明顯，波形三角化，傳感器經(jīng)受峰值直流電壓時(shí)間過長易發(fā)熱損壞，頻率通常情況在12-24KHz之間比較合適；

所述B中，傳感器輸出信號(hào)放大電路采用差分方式進(jìn)行放大,提高抗共模干擾能力；且根據(jù)位移測(cè)量范圍進(jìn)行放大倍數(shù)調(diào)整,使輸出信號(hào)幅度匹配數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片最大量程，提高分辨率。

所述C中峰值捕捉處理方法，只需以激勵(lì)源相位為基準(zhǔn)，延遲(N/16)*T和(N/16+1/2)*T采樣即可。其中T表示激勵(lì)源的周期，N表示0到15中的某一個(gè)數(shù)，其得到步驟如下：

C1、微處理器以激勵(lì)源相位為基準(zhǔn)，T/16為時(shí)間間隔采樣16次，其中有8次采樣值大小一致，另8次采樣值大小一致，但方向相反；

C2、從兩個(gè)方向分界線開始，從0數(shù)到第3個(gè)與激勵(lì)源同相采樣點(diǎn)，記下該采樣點(diǎn)的序號(hào)為N；

C3、為增加采樣數(shù)量，在(N/16+1/2)*T也進(jìn)行采樣，需要記住，此時(shí)采樣結(jié)果的方向與(N/16)*T采樣結(jié)果方向相反，需要改正方向；

C4、存儲(chǔ)N到EEPROM存儲(chǔ)器中，以后每次使用只需從EEPROM存儲(chǔ)器讀取即可。

在獲得N以后，以后每次捕捉峰值，微處理器只需以激勵(lì)源為基準(zhǔn)，延遲(N/16)*T和(N/16+1/2)*T時(shí)間啟動(dòng)采樣脈沖P即可捕獲峰峰值。經(jīng)過換算處理即可得到含方向的位移量。同時(shí)多次采樣結(jié)果可用于濾波算法，提高采樣精度。

與上位機(jī)接口采用ADM3251E磁耦合隔離電路，有助于提高抗干擾能力。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明是一種LVDT位移傳感器數(shù)字化處理電路；該電路采用特定頻率方波激勵(lì)LVDT位移傳感器，利用響應(yīng)峰值的平坦效果拓寬峰值存續(xù)時(shí)間，便于峰值捕捉；對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行差分放大，減少干擾，提高精度；采用簡單計(jì)算即可捕捉峰值直接采樣，因此不需要通過對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行精密整流處理、濾波處理和峰值保持處理后才能得到峰值信號(hào)；與上位機(jī)通訊采用隔離串口，使內(nèi)部電路與外部電路隔離，提高抗干擾能力。本發(fā)明具有精度高、信號(hào)處理簡潔、溫漂小、成本低、抗干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖 1 為LVDT傳感器電氣原理圖；

圖 2 為本發(fā)明的系統(tǒng)理框圖；

圖 3 為本發(fā)明的部分電原理框圖；

圖 4為本發(fā)明峰值捕捉算法波形圖；

圖 5為圖3中相關(guān)節(jié)點(diǎn)波形圖；

圖 6為本發(fā)明隔離串口電路圖 。

具體實(shí)施方式

如圖 2 所示，本發(fā)明是一種LVDT位移傳感器數(shù)字化處理電路，包括LVDT位移傳感器方波激勵(lì)源產(chǎn)生電路、傳感器輸出信號(hào)差分放大電路、峰值捕捉采樣電路、微處理器控制顯示電路和隔離通訊接口電路。微處理控制LVDT激勵(lì)源產(chǎn)生，輸出到驅(qū)動(dòng)放大電路 AMP1中，該電路將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)Ui，該信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)LVDT傳感器的原邊。LVDT位移傳感器根據(jù)磁芯的位置輸出響應(yīng)的信號(hào)Uo,由于LVDT自身固有特性，Uo相對(duì)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輸入，信號(hào)經(jīng)放大后為U，由于放大器和電路板的影響，U相對(duì)于Uo也有相位偏移；假設(shè)U=-AUo， A為放大倍數(shù)，放大倍數(shù)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選定，然后用精密電阻匹配出最接近的放大倍數(shù)，既要使LVDT位移傳感器量程滿足要求，又要使放大后的信號(hào)幅值正好與差分采樣芯片的輸入電壓匹配。放大后的信號(hào)由微處理器控制轉(zhuǎn)換時(shí)刻，使得所采樣的值為信號(hào)峰值。

下面以單個(gè)周期的激勵(lì)響應(yīng)為例說明，如何確定捕捉峰值的時(shí)刻N(yùn)，如圖4所示：

1、微處理器得到激勵(lì)源的初始相位后，馬上觸發(fā)采樣脈沖P，采樣時(shí)間間隔為（1/16）*T；

2、經(jīng)過一個(gè)周期T后，微處理器對(duì)U=-A*Uo進(jìn)行了16次采樣；

3、采樣結(jié)果為一個(gè)完整周期激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)，其中有8次數(shù)值大小一致（并非完全一樣），另外8次數(shù)字大小一致，但方向相反。以圖4為例，第0、1、2、B、C、D、E和F次采樣結(jié)果大小一致、方向相同；第3、4、5、6、7、8、9和A次樣結(jié)果大小一致、方向與前一組相反，分界點(diǎn)為3、4和A、B；

4、以兩個(gè)方向的分界點(diǎn)3開始，第4個(gè)同相采樣點(diǎn)為6號(hào)采樣點(diǎn)；以B開始，第4個(gè)同相采樣點(diǎn)為E號(hào)采樣點(diǎn)；根據(jù)傳感器位置確定與激勵(lì)源同相的數(shù)字即可，這里假設(shè)為N=E；

5、延遲（14/16）*T和（14/16+1/2）*T時(shí)刻采樣，即可捕獲峰值，但需要注意，延遲（14/16+1/2）*T時(shí)刻采樣值為相反方向，實(shí)際使用時(shí)需將方向改變。

記住了峰值捕獲時(shí)刻后，以后只需要從存儲(chǔ)器中調(diào)出來即可，無需重復(fù)計(jì)算，除非改變了LVDT傳感器信號(hào)，或者電路參數(shù)。以后每個(gè)周期只需差分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換電路兩次捕捉到峰峰值即可，電路各處波形如圖5所示。

微處理器捕獲了峰值后，根據(jù)采樣結(jié)果計(jì)算出對(duì)應(yīng)的位移量和方向，顯示到LCD屏上，同時(shí)經(jīng)隔離接口傳輸給上位機(jī)。隔離串口ADM3251E電路路如圖6所示。