一种兼容4线制及5线制传感器位置信息解调系统的制作方法

本发明所属技术领域为基于差动变压器原理的位置测量传感器调理。

背景技术：

lvdt/rvdt传感器的原理是差动式变压器，结构是将线圈和磁介质安装在固定的壳体内，实现了机电一体化，具有较强的抗干扰能力，此类型传感器具有精度高、线性度好、安装方便等优点，尤其适用于小范围位置信息测量。1948年全世界第一台lvdt直线位移传感器由schaevitz公司研发成功，经过半个多世纪的发展，lvdt产品被广泛应用于电力、电子、汽车、航天、航空、船舶、冶金、煤炭、石油等诸多领域。伴随着lvdt/rvdt传感器研制技术的发展，lvdt/rvdt传感器的调理电路也取得飞速发展，由最早的分立元件搭建的位置解调电路一路发展到使用高集成度专用解调芯片进行位置解调，其中最为典型、应用最为广泛的集成芯片为adi公司生产的ad698系列芯片，它和lvdt配合使用，能够精确地将lvdt的输入机械位移转换为双极性或单极性的直流电压信号。此功能是由集成在芯片中的电路实现，且只需外加少量无源元件就可以确定激励频率和增益，把lvdt的次级线圈输出的交流信号按一定的比例转换为直流信号。然而ad698芯片仅适用于3线及4线制lvdt，若将其应用到5线制lvdt需进行专门的电路设计，在本专利中结合ad698芯片特性，针对5线制lvdt/rvdt传感器设计了一种位置信息解调电路，以满足航空发动机控制系统中使用5线制传感器的需求。

然而有些时候一个发动机控制系统中所使用的lvdt/rvdt传感器并不都是5线制，部分传感器还是4线制的，为了很好的兼容这两种传感器，同时加快原型机的开发验证进度，节约研发成本，本专利中设计了一种可以兼容4线制及5线制的位置信息解调电路，该电路可以通过软件进行设置，实现智能适配4线及5线制lvdt/rvdt传感器。

技术实现要素：

一个发动机控制系统中所使用的lvdt/rvdt传感器并不都是5线制，部分传感器还是4线制的，如果针对每一种线制的传感器都单独设计生产一个调理电路的话，由于供应链存在一定的管控风险，在开发周期上会存在延后的可能性，且会造成成本的浪费。因此本专利中设计了一种可以兼容4线制及5线制的位置信息解调电路，该电路可以通过软件进行设置，实现智能适配4线及5线制lvdt/rvdt传感器。

本发明的技术方案如下：

第一方面，提供一种兼容4线制及5线制传感器位置信息解调系统，包括：lvdt/rvdt传感器、铁芯，所述电路包括：励磁激励、位置信息解调电路、控制器；

所述位置信息解调电路包括：五线四线转换电路、多路选择器和位置信息解调芯片；所述多路选择器包括四组输入端和四个输出端，每一组输入端与唯一一个输出端对应；所述位置信息解调芯片包括两组输入端。

所述五线四线转换电路的输入端用于输入所述lvdt/rvdt传感器的三线输出，分别为正输出s2、中线输出s0和负输出s1；所述多路选择器的第一组输入端的第一端与所述励磁激励的负端电气连接，所述第一组输入端的第二端接地，所述多路选择器的第一输出端与所述位置信息解调芯片的第一组输入端的负输入端连接；所述多路选择器的第二组输入端的第一端与所述励磁激励的正端电气连接，所述第二组输入端的第二端与所述五线四线转换电路的加法输出端电气连接，所述多路选择器的第二输出端与所述位置信息解调芯片的第一组输入端的正输入端连接；所述多路选择器的第三组输入端的第一端输入所述s1，所述第三组输入端的第二端接地，所述多路选择器的输出端与所述位置信息解调芯片的第二组输入端的负输入端连接；所述多路选择器的第四组输入端的第一端输入所述s2，所述第四组输入端的第二端与所述五线四线转换电路的减法输出端电气连接，所述多路选择器的第四输出端与所述位置信息解调芯片的第二组输入端的正输入端连接；所述控制器与所述多路选择器的控制控制端电气连接；

所述控制器根据用户指示，控制所述多路选择器的所有第一端或所有第二端分别与对应的输出端导通；其中，当所述lvdt/rvdt传感器是4线传感器时，所述多路选择器的所有第一端分别与对应的输出端导通；当所述lvdt/rvdt传感器是5线传感器时，所述多路选择器的所有第二端分别与对应的输出端导通；

所述lvdt/rvdt传感器感应在所述励磁激励作用下的铁芯的移动，得到三路感应电信号；所述感应电信号经过五线四线转换电路变为两路新电信号，所述两路新电信号通过位置信息解调芯片，得到包含位置信息的电压信号。

可选的，所述位置信息解调芯片包括：

双减法器、除法器、过滤器、放大环节；

其中，所述位置信息解调芯片的第一组输入端的负输入端是所述双减法器中第一减法器的负输入端；所述位置信息解调芯片的第一组输入端的正输入端是所述双减法器中第一减法器的正输入端；所述位置信息解调芯片的第二组输入端的负输入端是所述双减法器中第二减法器的负输入端；所述位置信息解调芯片的第二组输入端的正输入端是所述双减法器中第二减法器的正输入端；所述双减法器的输出依次经过除法器、过滤器和放大环节，得到包含位置信息的电压信号。

可选的，所述系统还包括：bit检测器、ad采集器；所述bit检测器包括放大器、第三比较器、电阻；

所述放大器的负输入端输入采样电阻后的激励信号，所述放大器的正输入端分别通过不同阻值的电阻接所述励磁激励的正端和地；所述放大器的输出端与所述第三比较器的正输入端电气连接；所述第三比较器的负输入端分别通过不同阻值的电阻接恒定电压和地；

所述ad采集器的一端输入所述第三比较器的输出信号，所述ad采集器的另一端输入所述包含位置信息的电压信号；所述ad采集的输出端与所述控制器的输入端电气连接。

可选的，所述多路选择器是一组连动的切换开关，分别为：第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关和第四切换开关；

所述多路选择器的第一组输入端是所述第一切换开关的两个切换端，所述多路选择器的第一输出端是所述第一切换开关的输出端；所述多路选择器的第二组输入端是所述第二切换开关的两个切换端，所述多路选择器的第二输出端是所述第二切换开关的输出端；所述多路选择器的第三组输入端是所述第三切换开关的两个切换端，所述多路选择器的第三输出端是所述第三切换开关的输出端；所述多路选择器的第四组输入端是所述第四切换开关的两个切换端，所述多路选择器的第四输出端是所述第四切换开关的输出端。

可选的，所述系统还包括：滤波器；

所述滤波器的输入端与所述位置信息解调电路的输出端电气连接；所述滤波器的输出端与所述ad采集器的另一端电气连接。

本专利的优点是智能适配4线及5线制lvdt/rvdt传感器，解调输出具有滤波电路，具有传感器工作状态及解调电路的监测功能。可广泛适用于涉及到位置信息采集的各个领域，诸如油门杆位置采集、阀门位置采集等等。

附图说明

图1是一种兼容4线制及5线制lvdt/rvdt传感器位置信息解调原理框图；

图2是4线制/5线制接口切换原理示意图；

图3是5线制传感器位置信息解调原理；

图4是5线制lvdt/rvdt传感器结构示意图；

图5是ad698配置电路示意图；

图6是二阶低通滤波电路示意图；

图7是初级线圈开路检测示意图。

具体实施方式

lvdt/rvdt传感器是发动机控制系统中的一个重要测量元件，在航空、航天、舰船、汽车等领域的位置测量中有广泛的应用。通过对lvdt/rvdt传感器输出信号的采集，可以精确获得伺服机构当前的位置信息，对lvdt/rvdt传感器调理电路的研究对实现位置伺服的精确控制有重要意义。

本发明提出的是一种兼容4线制及5线制lvdt/rvdt传感器调理电路的设计方法，由于总体单位在进行发动机系统设计时，会采用不同的设计理念，导致lvdt/rvdt传感器在选型时存在较大差异，为了提升电子控制器产品的兼容性，对总体单位的需求进行快速响应，本专利针对4线制及5线制lvdt/rvdt传感器，设计了一种可软件配置的兼容接口，采用集成芯片完成激励产生以及位置信息解调功能，调理输出具有滤波，并设计了bit监测电路，可以实时反馈电路的工作状态。

在本节中将详细描述兼容4线制及5线制lvdt/rvdt传感器位置信息解调电路的设计方法，该电路的原理框图如图1所示。

1、4线制/5线制接口切换功能单元

在本专利所设计的电路中，对外接口连接器共有5个插针，其中2个用于初级线圈的激励信号，另外3个根据外部所接传感器进行选择，若是4线制传感器则只接其中2个插针即可，若是5线制则3个插针全部连接。

4线制/5线制接口切换采用模拟开关完成，其控制信号由cpu给出，当sel信号为高时，适配5线制lvdt/rvdt传感器，当sel为低时，适配4线制lvdt/rvdt传感器。原理示意如图2所示。

2、5线制传感器位置信息解调原理

对于5线制传感器，其位置信息解调原理如图3所示。

5线制lvdt/rvdt传感器结构示意图如图4所示：

m1、m2分别为初级线圈l1与两个次级线圈l2、l3之间的互感系数，l1、r1分别为初级线圈的电感和等效电阻，l2、l3分别为两个次级线圈的电感，r2、r3分别为两个次级线圈的等效电阻。当初级线圈l1加上某一频率的正弦交流电压u1后，次级线圈产生感应电动势为e1和e2，它们的大小与铁心在线圈内的位置有关。

e1和e2反极性连接便得到输出电压v0。为便于分析，忽略电阻的影响。

设施加在初级线圈上的激励电流为i(t)＝i*sinωt，根据互感原理，初级线圈l1对次级线圈l2和l3的互感磁链和分别为：

感应电势为：

将式(1)代入式(2)得：

e1＝m1di(t)/dt，e2＝m2di(t)/dt(3)

当铁心处于中心位置时，初级线圈l1对两个次级线圈l2和l3的互感相等，即有m1＝m2＝m，此时e1＝e2，输出电压v0＝e1-e2＝0。

由于两个次级线圈属于均匀密绕，当铁心位移变化δx时，引起初级线圈对次级线圈互感的变化，则有：

δm＝kδx(4)

其中k为耦合系数。

m1＝m+δm，m2＝m-δm(5)

由式(3)-式(5)可知：

由式(6)-式(7)可知：

根据以上分析可以看出，通过本专利所提出的线制转换方法，可以让5线制lvdt传感器解算出执行部件机械运动的信息。

3、ad698芯片配置电路

ad698芯片配置电路如图5所示，2脚(exc1)和3脚(exc2)为lvdt传感器的初级线圈提供激励信号，其输出幅值和相位大小取决于4、5脚之间电阻值和6、7脚之间电容值。19、20脚之间电阻影响输入a/d信号的电压范围，电容值影响电压的纹波。8、9脚之间电容，16、17脚之间电容，18、19脚之间电容，大小取决于系统所要求带宽。

4、解调输出滤波功能单元

由于ad698调理输出后的波形仍然存在一定的纹波扰动，因此在ad698的输出端又设计了相应的解调输出滤波功能单元，该滤波电路的原理图如图6所示。

当r1＝r2＝r，c1＝c2＝c时，该电路的传递函数如下：

式中a0为该电路的通带电压增益，

令wn＝1/rc，q＝1/(3-a0)，则有

可得该电路的幅频响应和相频响应函数分别为：

5、bit检测功能单元

为提升该功能电路的测试性指标，便于对电路的功能状态进行准确监控，在本专利中对初级线圈的开路状态设计bit检测功能电路。分别如图7所示。

在图7中，为实现初级线圈的开路状态检测，需按照图5所示，在ad698的2和3脚分别串接一个小阻值的电阻，当初级线圈开路时，该电阻两端电压相等，小于比较器负端设定的电压，即开路状态时，比较器输出低电平；当初级线圈正常时，在该电阻两端会产生一定的电压，经过合适的比例放大环节后，比较器正端电压高于负端电压，即正常状态时，比较器输出高电平

本节中结合上文所述，将该设计方法在某电子控制器项目中进行了实际应用，某型电子控制器已经交付用户使用，lvdt/rvdt位置信息解调的电路工作稳定、可靠，接口兼容、可智能调节。

该电路默认连接方式为4线制lvdt(接线s1，s2，p+，p-端)，当需要连接5线制lvdt(接线s1，s0，s2，p+，p-端)时，需通过软件将sel信号置高，使多路选择开关的通道进行切换，以实现对5线制传感器的兼容。

当切换至5线制工作模式时，由5线转4线功能电路完成位置信息的初步调理，并将调理值接入ad698芯片，最终实现5线制传感器位置信息的解调。

根据在某电子控制器中的实际验证，该电路能够实现4线制及5线制lvdt/rvdt传感器的兼容切换，位置信息解调精确、可靠。