LVDT的测量电路及其测量方法与流程

本发明涉及LVDT测量技术领域，更具体地说，本发明涉及一种LVDT的测量电路及其测量方法。

背景技术：

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 Variable Differential 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。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种LVDT的测量电路及其测量方法，避免相对繁琐的模拟电路参数调节，有效地补偿零点残余电压、相位漂移、传感器非线性，稳定性高，减小了测量误差。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供一种LVDT的测量电路，其包括：

正弦脉宽调制器，其用于输出脉冲宽度和频率可调的矩形波信号；所述矩形波信号的脉冲宽度按正弦调节；

信号调理电路，其输入端连接到所述正弦脉宽调制器，用于对所述矩形波信号依次进行滤波和放大处理以输出幅度和频率可调的正弦波信号；

线性差动变压器，其初级线圈连接到所述信号调理电路输出端以接收所述正弦波信号作为LVDT激励信号，所述次级线圈输出LVDT差动信号；

第一采样电路，其输入端连接到所述初级线圈，用于对所述LVDT激励信号进行采样；

第二采样电路，其输入端连接到所述次级线圈，用于对所述LVDT差动信号进行采样；以及，

控制器，其分别连接到所述第一采样电路输出端和所述第二采样电路输出端，用于对所述LVDT差动信号相对于所述LVDT激励信号作幅度归一化处理以输出LVDT线性位置；

其中，所述矩形波信号的频率分别是所述第一采样电路的采样频率和所述第二采样电路的采样频率的整数倍。

优选的是，所述控制器设有四个通信端：

第一通信端连接到所述正弦脉宽调制器的输入端以调节所述矩形波脉冲的脉冲宽度和频率；

第二通信端连接到所述第一采样电路输出端以接收经过采样的所述LVDT激励信号；

第三通信端连接到所述第二采样电路输出端以接收经过采样的所述LVDT差动信号；

第四通信端作为控制器的输出端，输出经所述控制器归一化处理的所述LVDT线性位置。

优选的是，所述信号调理电路包括依次对所述矩形波脉冲进行滤除高频分量和放大处理的低通滤波器和功率放大器；

所述低通滤波器连接到所述正弦脉宽调制器输出端，所述功率放大器输出端连接到所述初级线圈。

优选的是，所述第一采样电路包括依次对所述LVDT激励信号进行滤除高频分量和采样的第一抗混叠滤波器和第一模数转换器；

所述第一抗混叠滤波器输入端连接到所述初级线圈；所述第一模数转换器输出端连接到所述第二通信端。

优选的是，所述第二采样电路包括依次对所述LVDT差动信号进行放大、滤除高频分量以及采样的仪表放大器、第二抗混叠滤波器和第二模数转换器；

所述仪表放大器输入端连接到所述次级线圈，所述第二模数转换器输出端连接到所述第三通信端。

优选的是，所述信号调理电路还包括用于交流耦合的电容，所述电容位于所述功率放大器与所述初级线圈之间。

一种LVDT的测量方法，包括以下步骤：

正弦脉宽调制器产生脉冲宽度和频率可调的矩形波信号，经信号调理电路处理，输出幅度和频率可调的正弦波信号至线性差动变压器的初级线圈；

正弦脉宽调制器产生脉冲宽度和频率可调的矩形波信号，经信号调理电路处理，输出幅度和频率可调的正弦波信号至线性差动变压器的初级线圈；

对初级线圈输入的LVDT激励信号和次级线圈输出的LVDT差动信号同时进行采样、去直流偏置处理；

对去直流偏置后的LVDT差动信号进行数字相位同步解调；

对去直流偏置后的LVDT激励信号和数字相位同步解调后的LVDT差动信号分别进行平滑处理；

通过控制器存储的传感器零点偏置信号对平滑输出的LVDT差动信号进行零点偏移校正；

以平滑处理后的LVDT激励信号为参考，对零点偏移校正后的LVDT差动信号作幅度归一化处理，输出LVDT线性位置；

其中，所述LVDT激励信号以及所述LVDT差动信号的采样分别与所述矩形波信号的产生同步；

所述数字相位同步解调的同步信号是所述矩形波信号。

优选的是，幅度归一化处理后，还包括步骤：

根据所述控制器存储的传感器位置-输出对应关系查找表，通过LVDT的非线性校正模块以校正LVDT线性位置信号的非线性。

优选的是，所述幅度归一化处理，指的是：

控制器接收经采样的LVDT激励信号，计算其有效值；

控制器将接收的经零点偏移校正后的LVDT差动信号除以LVDT激励信号的有效值。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明提供的LVDT测量电路，正弦脉宽调制器产生脉冲宽度和频率可调的矩形波信号给信号调理电路，输出幅度和频率可调的正弦波信号至线性差动变压器的初级线圈作为LVDT激励信号，次级线圈输出LVDT差动信号；控制器以经过采样、去直流偏置处理后LVDT激励信号为参考，对经过采样、去直流偏置、数字相位同步解调、平滑以及零点偏移校正处理后的LVDT差动信号进行幅度归一化处理，实现LVDT线性位置的输出，无需繁琐的模拟电路参数调节，避免了一般模拟电路的元件容差、老化、漂移等对电路参数的影响，数字方式所设置的参数的影响因素更少，稳定性更高，减小了测量误差；与此同时，相比于模拟补偿方法实现较为复杂、且会引入新的误差，本发明可以有效地补偿零点残余电压、相位漂移以及传感器非线性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的LVDT测量电路的示意图；

图2为本发明所述的LVDT测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

本发明提供一种LVDT的测量电路，其包括：

正弦脉宽调制器10，其用于输出脉冲宽度和频率可调的矩形波信号；矩形波信号的脉冲宽度按正弦调节；

信号调理电路20，其输入端连接到正弦脉宽调制器10，用于对矩形波信号依次进行滤波和放大处理以输出幅度和频率可调的正弦波信号；

线性差动变压器30，其初级线圈31连接到信号调理电路输出端20以接收正弦波信号作为LVDT激励信号，次级线圈32输出LVDT差动信号；

第一采样电路40，其输入端连接到初级线圈31，用于对LVDT激励信号进行采样；

第二采样电路50，其输入端连接到次级线圈32，用于对LVDT差动信号进行采样；以及，

控制器60，其分别连接到第一采样电路40输出端和第二采样电路50输出端，用于对LVDT差动信号相对于LVDT激励信号作幅度归一化处理以输出LVDT线性位置；

其中，矩形波信号的频率分别是第一采样电路40的采样频率和第二采样电路50的采样频率的整数倍。

上述实施方式中，正弦脉宽调制器(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)10产生的矩形波信号的脉冲宽度按照激励LVDT所需的正弦波来调节。信号调理电路20对矩形波信号进行滤波处理，滤除高频分量后，可以恢复出调制信号，即激励LVDT所需的正弦波信号。改变正弦脉宽调制器10的调制频率可以调节激励LVDT的正弦波的频率。将正弦脉宽调制器10的脉冲宽度乘以一个不同的比例因子，可以调节激励LVDT的正弦波的幅度。正弦脉宽调制器10可以是单极性或双极性方式。

作为一种具体的实施方式，信号调理电路20包括依次对矩形波脉冲进行滤除高频分量和放大处理的低通滤波器21和功率放大器22；低通滤波器21连接到正弦脉宽调制器10输出端，功率放大器22输出端连接到初级线圈31。功率放大器22放大低通滤波器21解调出的正弦波信号，以适应LVDT初级线圈31驱动的功率要求。作为进一步优选，信号调理电路20还包括用于交流耦合的电容23，电容23位于功率放大器22与初级线圈31之间。

作为一种具体的实施方式，控制器60设有四个通信端：第一通信端61连接到正弦脉宽调制器10的输入端以调节矩形波脉冲的脉冲宽度和频率；第二通信端62连接到第一采样电路40输出端以接收经过采样的LVDT激励信号；第三通信端63连接到第二采样电路50输出端以接收经过采样的LVDT差动信号；第四通信端64作为控制器的输出端，输出经控制器60归一化处理的LVDT线性位置。

作为一种具体的实施方式，第一采样电路40包括依次对LVDT激励信号进行滤除高频分量和采样的第一抗混叠滤波器41和第一模数转换器42；第一抗混叠滤波器41输入端连接到初级线圈31；第一模数转换器42输出端连接到第二通信端62。第二采样电路50包括依次对LVDT差动信号进行放大、滤除高频分量以及采样的仪表放大器51、第二抗混叠滤波器52和第二模数转换器53；仪表放大器51输入端连接到次级线圈32，第二模数转换器53输出端连接到第三通信端63。仪表放大器51用于放大次级线圈32输出的LVDT差动信号。仪表放大器51放大后的LVDT差动信号通过第二抗混叠滤波器52滤除频率高于第二采样电路50采样频率一半的高频信号；初级线圈的LVDT激励信号通过第一抗混叠滤波器41滤除频率高于第一采样电路40采样频率一半的高频信号，以满足奈奎斯特采样定理，实现采样。

控制器60可以是微控制器(MCU)或数字信号处理器(DSP)。控制器60分别控制第一模数转换器42和第二模数转换器53以获取相应的采样值并进行幅度归一化处理，通过第四通信端64输出LVDT线性位置。用过控制器60的第一通信端61，可以调节正弦脉宽调制器10输出的矩形波信号的脉冲宽度和频率。

本发明提供的LVDT测量电路，正弦脉宽调制器10产生脉冲宽度和频率可调的矩形波信号给信号调理电路20，输出幅度和频率可调的正弦波信号至线性差动变压器30的初级线圈31作为LVDT激励信号，次级线圈32输出LVDT差动信号；控制器60以经过采样、去直流偏置处理后LVDT激励信号为参考，对经过采样、去直流偏置、数字相位同步解调、平滑以及零点偏移校正处理后的LVDT差动信号进行幅度归一化处理，实现LVDT线性位置的输出，无需繁琐的模拟电路参数调节，避免了一般模拟电路的元件容差、老化、漂移等对电路参数的影响，数字方式所设置的参数的影响因素更少，稳定性更高，减小了测量误差。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供一种基于LVDT测量电路的测量方法，其包括以下步骤：

S1，正弦脉宽调制器产生脉冲宽度和频率可调的矩形波信号，经信号调理电路处理，输出幅度和频率可调的正弦波信号至线性差动变压器的初级线圈；

S2，正弦脉宽调制器产生脉冲宽度和频率可调的矩形波信号，经信号调理电路处理，输出幅度和频率可调的正弦波信号至线性差动变压器的初级线圈；

S3，对初级线圈输入的LVDT激励信号和次级线圈输出的LVDT差动信号同时进行采样、去直流偏置处理；

S4，对去直流偏置后的LVDT差动信号进行数字相位同步解调；

S5，对去直流偏置后的LVDT激励信号和数字相位同步解调后的LVDT差动信号分别进行平滑处理；

S6，通过控制器存储的传感器零点偏置信号对平滑输出的LVDT差动信号进行零点偏移校正；

S7，以平滑处理后的LVDT激励信号为参考，对零点偏移校正后的LVDT差动信号作幅度归一化处理，输出LVDT线性位置；

上述实施方式中，LVDT激励信号以及LVDT差动信号的采样分别与矩形波信号的产生同步，指的是第一采样电路40以及第二采样电路50的采样频率分别与矩形波信号的频率相同。

依据控制器60的定时器产生的固定节律，用软件正弦数据查找表中的数据来更新正弦脉宽调制器10的矩形波信号的脉冲宽度。矩形波信号经过信号调理电路20的滤波处理，滤除高频分量后，恢复出调制信号，即激励LVDT所需的正弦波信号。信号调理电路20输出正弦波信号给线性差动变压器30的初级线圈31，作为LVDT激励信号。改变正弦脉宽调制器10的调制频率可以调节激励LVDT的正弦波的频率。将正弦脉宽调制器10的脉冲宽度乘以一个不同的比例因子，可以调节激励LVDT的正弦波的幅度。

通过软件的程序部分，对分别经过第一模数转换器42和第二模数转换器53模数转换后输出的数字化信号设置直流偏置去除算法，去除模数转换中采样值的直流偏置。

通过数字相位同步解调算法，计算出去直流偏置后的数字化信号调制信号的幅度和符号。数字相位同步解调的同步信号是矩形波信号。

平滑处理指的是，通过一个数字滤波器对数字相位同步解调算法解调出的数据进行处理，得到一个代表LVDT铁芯位置的稳定信号。

根据程序存储的实验得出的传感器偏置数据查找表，再通过控制器存储的传感器零点偏置信号对平滑输出的LVDT激励信号和LVDT差动信号分别进行零点偏移校正，以校正LVDT的偏置影响，如零点残余电压。

控制器60对零点偏移校正后的LVDT差动信号相对于LVDT激励信号进行幅度归一化处理，通过控制器60第四通信端64输出LVDT线性位置。幅度归一化处理，指的是：控制器60接收经采样的LVDT激励信号，计算其有效值；控制器60将接收的经零点偏移校正后的LVDT差动信号除以LVDT激励信号的有效值。幅度归一化，用于消除激励信号幅度变化对测量结果的影响。

步骤S7中幅度归一化处理后，还包括步骤S8，根据控制器存储的传感器位置-输出对应关系查找表，通过LVDT的非线性校正模块以校正LVDT线性位置信号的非线性。

上述实施方式中，正弦脉宽调制器10产生脉冲宽度和频率可调的矩形波信号给信号调理电路20，输出幅度和频率可调的正弦波信号至线性差动变压器30的初级线圈31作为LVDT激励信号，次级线圈32输出LVDT差动信号；控制器60以经过采样、去直流偏置处理后LVDT激励信号为参考，对经过采样、去直流偏置、数字相位同步解调、平滑以及零点偏移校正处理后的LVDT差动信号进行幅度归一化处理，实现LVDT线性位置的输出，无需繁琐的模拟电路参数调节，避免了一般模拟电路的元件容差、老化、漂移等对电路参数的影响，数字方式所设置的参数的影响因素更少，稳定性更高，减小了测量误差；与此同时，相比于模拟补偿方法实现较为复杂、且会引入新的误差，本实施方式可以有效地补偿零点残余电压、相位漂移以及传感器非线性。

实施例3

在实施例1和实施例2的基础上，本实施例给出LVDT的测量电路及其测量方法的具体实施例。

以MHR500LVDT传感器为例，LVDT测量电路采用激励频率为2.5kHz、有效值为3V的正弦波激励，控制器60选用NXP微控制器LPC1768。LPC1768内部集成了PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)模块，可用来产生SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉冲宽度调制)信号，即相当于本发明的正弦脉宽调制器10。PWM模块的时钟频率设置为96MHz，PWM周期寄存器NT设为119，因此PWM信号的频率fPWM为：

利用LPC1768内部的通用定时器中断，设置其中断频率fINT为80kHz。在中断服务中更新PWM脉宽寄存器，同时控制第一模数转换器42、第二模数转换器53的采样，并作幅度归一化计算处理。LPC1768内部Flash存储器存储一个周期采样数M为32点的正弦波形幅值查找表数据。在上述的80kHz的中断服务中更新PWM脉冲宽度寄存器，PWM脉冲宽度的调制频率即产生的正弦信号频率fsin为：

从信号调理电路20对矩形波信号进行滤波处理，滤除高频分量后，可以恢复出调制信号，即激励LVDT所需的正弦波信号。滤波采用萨伦·基低通滤波器，设置截至频率为4kHz。功率放大器22采用放大器OPA544T。MHR500LVDT传感器在2.5kHz时输入阻抗为145Ω，OPA544T可满足驱动要求。有效值为3V的正弦波电压摆动范围为±3*1.414V，±15V电源供电，满足其摆动范围要求。

功率放大器22输出端用隔直电容23实现交流耦合。仪表放大器51选用INA826仪表放大器。

第一抗混叠滤波器41和第二抗混叠滤波器52分别采用一阶低通RC滤波器，截止频率设置为25kHz。

第一模数转换器42和第二模数转换器53分别采用ADS8519集成芯片。最高采样率为250kHz，信号输入范围最大±10V，可满足要求。通讯端口为USB接口，基于LPC1768内部集成的USB控制器实现。

控制器60的软件部分基于Keil MDK—ARM开发环境开发。LPC1768CPU时钟频率设置为96MHz，程序运行于内部RAM，比运行于Flash时速度提高。定时器中断频率为80kHz，两次中断之间可以运行1200条指令。中断服务程序的长度不能超过1200条指令限制。软件主体用C语言编写，时间关键代码用汇编语言编写。

软件中利用32个元素的数组存储正弦波信号一个周期的32个采样值，每个数组元素32位宽。三个指针分别指向数组头、数组尾、以及下一数据。下一数据指针在每个定制器中断服务中自增，达到数组尾时复位为数组头。在每个中断服务中将下一数字据指针所指向的数组元素赋值给PWM脉冲宽度寄存器。

定时器中断服务采样两路模数转换的转换值，采样率为80kHz。

在数字解调之前，LVDT的次级线圈32输出信号的采样需先经过直流偏置去除算法去除直流偏置。对前320个采样值求平均，即10个周期的采样值，正弦信号的平均值为零，所以此平均值即为直流偏置。每个采样值均减去此平均值，便得到交流耦合的信号。

相位同步数字解调模块的同步信号为PWM信号。对PWM的脉冲宽度符号和采样值的符号进行异或操作：两个信号同相时符号相同，结果为逻辑0；两个信号反相是符号不同，结果为逻辑1。前32个异或的逻辑值通过多数投票算法确定LVDT次级线圈32采样的相位。

软件的下一级为数字滤波器，解调数据经此步处理后得到平滑、稳定的输出。采用滑动平均滤波器，滑动窗的宽度可覆盖前16个解调值。

预先通过实验确定传感器零点偏置信号，并存储。传感器偏置校正模块将上一级模块的输出数据均减去这个偏置信号。实现传感器偏置校正。

施加不同幅度的激励信号，输出信号幅度也不同。为了克服激励幅度漂移的影响，控制器60采用幅度归一化算法。实现方法为：实时采样激励信号值，计算得到其有效值，再把经传感器偏置校正后的数据，均除以计算出的激励信号有效值，实现归一化。

通过实验标定不同位置下测量到的LVDT输出值，描定曲线。再根据最佳各标定点与最佳逼近直线的偏差，计算各点的校正值，并将数据表存入LPC1768的Flash存储器。非线性校正算法根据不同点的校正值修正最终输出，形成输出的线性。

需要说明的是，实施例1、实施例2以及实施例3中涉及LVDT的测量电路及其测量方法的示例，均适用于RVDT传感器。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。