??? 摘? 要： 針對主動磁軸承系統(tǒng)中電感位移傳感器的高靈敏度設(shè)計要求，在對AD698芯片的輸入輸出特性進行了實驗測量的基礎(chǔ)上，對AD698的典型應(yīng)用電路加以改進，提出了一種基于AD698的半橋式電感位移傳感器高靈敏度測量電路設(shè)計方案。實驗證明，相對于AD698的典型應(yīng)用電路，這種方案能夠顯著地提高電路的靈敏度，并且輸出電壓的噪聲沒有明顯增大。?

??? 關(guān)鍵詞： AD698;? 電感位移傳感器;? 靈敏度

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??? 電感位移傳感器具有靈敏度及分辨力高、線性度好、工作可靠、壽命長等優(yōu)點，作為一種精密的位移檢測部件在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在位置自動測控系統(tǒng)中，通常采用微機或DSP來處理位移信號并進行控制，這就要設(shè)計與傳感器配套的信號變送電路，將電感式位移傳感器輸出的交變信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c位移成正比的直流信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后輸入微機或DSP中。?

??? AD698是一種完整的單片式線位移差動傳感器信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)。AD698提供了用單片電路來調(diào)理線性可變差動變壓器(LVDT)信號的完整解決方案，只需附加極少量的無源元件就可實現(xiàn)位置的機械變量到直流電壓的轉(zhuǎn)換。其主要功能模塊如圖1所示。

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??? 目前國內(nèi)已有文章詳細介紹了AD698在LVDT傳感器信號處理電路中的典型應(yīng)用方法以及相關(guān)參數(shù)的確定方法^[2]，在油田開發(fā)領(lǐng)域的井徑測量^[3-4]、汽車軸圓度自動檢測和軸承的內(nèi)外圓檢測^[5]、圓柱體直徑測量^[6]、三余度舵機作動器的位置檢測^[7]等測量系統(tǒng)中基于AD698的信號處理電路均得到應(yīng)用并得到良好結(jié)果。以上所有基于AD698的信號處理電路均沿用了AD698芯片手冊中介紹的典型應(yīng)用電路。?

??? 本文介紹了磁軸承系統(tǒng)中基于AD698的半橋式電感位移傳感器信號處理電路的設(shè)計。針對實際應(yīng)用中所遇到的問題——工作在變面積方式下的軸向電感位移傳感器的靈敏度偏低，在研究了AD698輸入輸出特性的基礎(chǔ)上，提出了提高傳感器信號處理電路靈敏度的方法并給出具體的電路設(shè)計方案。?

1 基于AD698的半橋式電感位移傳感器信號處理電路

??? 半橋式電感位移傳感器按工作方式可以分為變間隙式、變面積式和螺管式，不管采用何種工作方式，其基本原理均可表述為兩個線圈安裝成差動方式的結(jié)構(gòu)，使得線圈的電感量L與機械位移量Δx之間滿足式(1)：?

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式(1)中,忽略了高階小量，S為線圈電感L相對位移Δx的靈敏度。工作于不同工作方式下的電感位移傳感器有不同的L₀和靈敏度S。?

??? 將這兩個線圈串聯(lián)后加以一定幅度的正弦激勵，則兩線圈上的交流電壓幅值滿足：?

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??? 對于半橋式電感位移傳感器，AD698芯片手冊中列出的典型電路如圖2所示。?

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??? 圖3是磁軸承系統(tǒng)中電感式徑向位移傳感器和電感式軸向位移傳感器實物圖，徑向位移傳感器工作方式為變間隙式，軸向位移傳感器工作方式為變面積式，兩種傳感器采用一體化設(shè)計，線圈、鐵芯參數(shù)均相同，并共用一塊后級處理電路。傳感器后級處理電路使用AD698芯片，采用AD698芯片手冊中列出的典型電路方案（如圖2所示）。?

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??? 理論推導(dǎo)可得兩傳感器的電感靈敏度之比為：?

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式中，δ為氣隙寬度，b為線圈鐵芯截面長度。?

??? 實際δ為0.5mm左右，b為7.7mm，可見徑向位移傳感器靈敏度為軸向位移傳感器的15.4倍左右。實測徑向位移傳感器靈敏度為26.15V/mm，軸向位移傳感器靈敏度為2.28V/mm，輸出電壓噪聲在20mV內(nèi)。可見，軸向傳感器靈敏度偏低，有待提高。?

實際傳感器的物理結(jié)構(gòu)不易改變，此時可以通過改進傳感器信號處理電路來提高傳感器的靈敏度。?

2 AD698的輸入輸出特性測量?

??? 要提高基于AD698的測量電路的靈敏度，就必須摸清AD698的輸入輸出特性。AD698芯片手冊中對此并未作詳細說明，為此對AD698輸出電壓與A、B通道輸入信號電壓的關(guān)系進行實驗測量。實驗中AD698采用±15V供電，激勵電壓V_exc=2.92Vrms，激勵電壓頻率f=19.87kHz，決定輸入輸出靈敏度的反饋電阻R2取值為51.1kΩ, 實測結(jié)果如圖4所示。?

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??? 由圖4可看出，在±15V供電、R2=51.1kΩ情況下，AD698有如下幾點輸入輸出特性：?

??? (1) 輸入量A/B：A/B的有效范圍為[-1，1]，超出此范圍時輸出電壓無測量意義。?

??? (2) 輸出量Vout：Vout的有效范圍為[-13.5V，13.5V]，超出此范圍時無測量意義。?

??? (3) 偏置電壓Vos：Vos起到平移Vout-A/B測量曲線的作用，但是當(dāng)Vos超過其有效范圍時，測量曲線線性段會縮小，失去平移的意義。Vos的有效范圍大小與反饋電阻R2的取值有關(guān)，在本例中，Vos的有效范圍為[-12V，12V]。?

??? 當(dāng)偏置電壓Vos處于有效范圍[-12V，12V]內(nèi)時，Vout與A/B在一定范圍內(nèi)滿足線性關(guān)系：?

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??? 以上結(jié)論得自實際測量結(jié)果。而在AD698芯片手冊中，AD698輸入量A/B的限制范圍是[0.1，0.9]，輸出量Vout的限制范圍是[-11V，11V]。對比可知芯片手冊中的數(shù)據(jù)有所保留。這對于AD698在其他場合下的應(yīng)用亦有參考意義。?

3 高靈敏度測量電路設(shè)計方案及其應(yīng)用結(jié)果?

??? 對于采用AD698的后級處理電路而言，要提高其靈敏度有三種方法：對AD698的輸出信號或AD698的A通道輸入信號進行放大以及對AD698的B通道輸入信號進行縮小。?

??? (1) 對AD698的輸出信號進行放大。實驗表明，AD698靜態(tài)輸入情況下輸出信號的噪聲電壓在10～20mV左右，對輸出信號進行放大的同時噪聲信號也被放大，即使采用儀表放大器對輸出端和地線間的電壓信號加以放大仍然有相當(dāng)大噪聲存在?？梢夾D698輸出信號與地線之間不僅有共模噪聲，還有差模噪聲存在。?

??? (2) 對AD698的A通道輸入信號進行放大。芯片手冊中AD698的A通道輸入信號幅度限制為0V～3.5Vrms，在A通道輸入信號幅度較大的情況下，對放大倍數(shù)有一定的限制。?

??? (3) 對AD698的B通道輸入信號進行縮小。芯片手冊中AD698的B通道輸入信號幅度限制為0.1V～3.5Vrms，一般B通道輸入在3Vrms左右，縮小倍數(shù)最大可達20～30。?

??? 比較以上三種方法，方法2和方法3均可行，但是方法2只在激勵電壓較小情況下適用，在激勵電壓較大情況下，只有方法3能得到較好結(jié)果。?

??? 但在應(yīng)用方法3之前，還有一個問題需解決：按照AD698芯片手冊中列出的半橋式LVDT典型接法（圖2），傳感器在零輸入情況（Δx=0，L₁=L₂）下，有A/B=0.5，假定對B縮小10倍再輸入AD698，此時AD698的輸入量A/B=5，遠大于AD698輸入量的允許范圍[-1，1]。?

??? 解決方法是對A通道輸入采取如圖5所示的電橋式接法，使得傳感器在零輸入情況下，有L₁=L₂，輸入端Ain+、Ain-電位相等，即A=0、A/B=0，在AD698輸入量的允許范圍內(nèi)。?

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??? 綜上所述，最終提高靈敏度的電路方案如圖5所示（靈敏度的放大倍數(shù)由電阻Rx決定）。?

??? 圖3所示磁軸承系統(tǒng)的徑向軸向一體化電感式位移傳感器中，采用圖5所示的高靈敏度測量電路設(shè)計方案后，軸向位移傳感器和徑向位移傳感器可共用一套測量電路（靈敏度大小可通過改變Rx阻值來調(diào)節(jié)），軸向變面積式位移傳感器靈敏度可大大提高。在提高靈敏度的同時，輸出電壓與位移的線性度仍然良好，并且輸出端電壓噪聲始終控制在30mV內(nèi)。圖6為軸向位移傳感器提高至不同靈敏度下輸出電壓與位移之間的關(guān)系曲線。

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??? 實驗證明，相比于AD698的典型應(yīng)用電路，這種高靈敏度測量電路設(shè)計方案能夠顯著地提高工作方式為變面積式的半橋式電感位移傳感器的靈敏度，同時維持較好的線性度以及噪聲指標。對這種電路設(shè)計方案稍加改動，即可應(yīng)用于其他類型的基于AD698的LVDT傳感器測量電路中，理論上也能得到同樣好的效果。?

參考文獻?

[1]?Analog Devices.Universal LVDT signal conditioner AD698,Analog Devices Datasheet, 2002.?

[2]?王敬亭,廖力清，凌玉華. AD698型LVDT信號調(diào)理電路的原理與應(yīng)用[J].國外電子元氣件, 2005,(9):63-64.?

[3]?饒海濤. LVDT傳感器在井徑測量中的應(yīng)用探討[J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報, 2007,20(4): 87-89.?

[4]?饒海濤.基于LVDT傳感技術(shù)的36臂數(shù)傳井徑儀的研制[J].電腦知識與技術(shù), 2007,3(14):452-453.?

[5]?洪志剛.半橋式電感位移傳感器信號變送電路設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù), 2006,25(5):30-33.?

[6]?楊愛民,宋仲康. 基于LVDT傳感器的圓柱體直徑測量儀的設(shè)計[J]. 儀表技術(shù), 2005,(5):52-54.?

[7]?韓鵬霄,焦宗夏，王少萍. 線位移差分傳感器檢測與自監(jiān)控電路的設(shè)計[J]. 計測技術(shù), 2005,25(4):35-37.?

[8]?單成祥.傳感器設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2007.