一种lvdt传感器信号检测电路及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于工业控制领域，具体涉及一种LVDT传感器信号检测电路及其检测方法。
【背景技术】
[0002]LVDT线性可变差动变压器是工业控制系统中常见的位移传感器，广泛应用于电力、石化、化工等行业。现有的LVDT传感器信号检测技术存在的问题有以下方面:
[0003]1、目前的所有方法均采用模拟方法，电路复杂，集成度低，可靠性低，成本难以降低。
[0004]2、目前的方法不能完整的对LVDT信号进行故障检测，如初级线圈故障，电路故障等。原因在于以前的方案采用模拟方式进行信息提取，不能对原始信号全面分析，只是提取了有用信息，而进行故障检测需要用到被模拟采集信息滤掉的部分信息，所以不能进行故障判断。
[0005]3、适应性差，因为通过模拟电路实现，所以外部传感器特性变化时，需要电路参数调整。
[0006]基于上述问题，亟需提供一种稳定、智能，成本低的数字化方案，适应不同的现场要求。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种集检测和故障诊断于一体的LVDT传感器信号检测电路及其检测方法，能够完整地进行故障检测，诊断覆盖率高。
[0008]为了实现上述目的，本发明LVDT传感器信号检测电路采用的技术方案为:
[0009]包括频率发生电路，频率发生电路依次经模拟滤波电路和驱动电路连接LVDT传感器，LVDT传感器的次级线圈依次经过幅值调理电路和A/D转换模块后，分别连接用于寻找所采集频率每个周期最大值的包络解析模块以及分析所采集频率参数的故障判断模块。
[0010]所述的频率发生电路产生的是数字正弦波码值，并根据设定的频率和幅值进行输出。
[0011]所述的频率发生电路输出电压值的更新频率大于需要输出的正弦波频率16倍以上，PffM基频频率大于输出电压值的更新频率10倍以上。
[0012]所述的模拟滤波电路包括用于将频率发生电路输出电压变成连续正弦波的低通滤波器。
[0013]所述的驱动电路包括用于降低直流电对LVDT传感器线圈磁路影响的电容。
[0014]所述的LVDT传感器分为三、四、五、六线制；对于三、四线制LVDT传感器，次级线圈依次经过幅值调理电路和A/D转换模块后，分别连接包络解析模块和故障判断模块；对于五、六线制LVDT传感器，增加附加通道，附加通道具有与三、四线制LVDT传感器次级线圈所接相同的电路，使两路次级线圈分别独立检测。
[0015]所述的A/D转换模块采样时机与频率发生电路电压输出更新时机具有可调节确定延时。
[0016]本发明LVDT传感器信号检测方法采用的技术方案，包括以下步骤:
[0017]第一步、使LVDT传感器的初级线圈输出正弦O相位，延时之后，根据次级线圈采集至IJ的信号进行相位判断，若次级线圈采集到的相位与输出的初级线圈相位差大于0，按照相位调节的最小分辨率减延时，若相位小于0，按照相位调节的最小分辨率加延时，次级线圈重新采集信号进行相位判断，直至相位为差为0，记录延时数据；
[0018]第二步、按照所记录延时数据，LVDT传感器的次级线圈进行信号采集，若LVDT传感器初级线圈相位为正弦90°或180°，对LVDT传感器的输入频率进行数字低通滤波，通过包络解析模块判断幅值是否在正常范围内，若在，输出信号，反之报警；若LVDT传感器初级线圈相位为0，通过故障判断模块判断相位是否在正常范围内，若在，LVDT传感器的次级线圈重新进行信号采集，反之报警；
[0019]第三步、LVDT传感器的次级线圈按照所记录延时数据进行信号采集时，通过故障判断模块判断加速度是否在吊杆范围内，同时对包络解析模块发出数字低通滤波锁定输出命令以及对故障判断模块发出加速度信号确认判断，若故障判断模块确认加速度处于吊杆范围内，则发出报警，反之解除包络解析模块的数字低通滤波锁定；
[0020]第四步、LVDT传感器故障分析判断，具体如下；
[0021]①初级线圈或次级线圈发生断线、短路:LVDT传感器分为三、四、五、六线制，在三、四线制下次级线圈没有采集到频率，表示初级线圈断线或短路，或者所有线圈同时断线或短路；在五、六线制下，若单个通道没有频率，表示该通道对应的次级线圈断线或短路，若两个通道同时没有频率则表示初级线圈断线或短路，或者所有线圈同时断线或短路；
[0022]②通道电路故障:输出信号相位和幅值与输入信号相位和幅值出现偏差超过设计偏移量;
[0023]③传感器吊杆故障:将LVDT传感器垂直安装，当检测到幅值信号出现加速度变化时，初步判断吊杆，进行预报警，此时发送锁定输出命令；当中心杆从LVDT传感器掉出时，次级信号会表现反向变化，直到稳定到一个正常范围的值，此时确认吊杆，正式报警。
[0024]与现有技术相比，本发明LVDT传感器信号检测电路能够完全替代集成模拟芯片AD698，并且附加了故障诊断功能，频率参数采集全面，诊断覆盖率提高，本发明包络解析模块和故障判断模块通过数字化的方式对信息进行处理，数字实现能够根据当前信息及历史信息进行智能化管理。此外，该电路能够方便设置频率发生电路输出激励信号的频率和幅值，从而适应于不同LVDT传感器及现场配置，使得电路的灵活性较高。
[0025]进一步的，本发明频率发生电路输出电压值的更新频率大于需要输出的正弦波频率16倍以上，PffM基频频率大于输出电压值的更新频率10倍以上，因为输出的电压值是离散的数字量，需要通过模拟滤波电路进行平滑才能变成正弦波，如果电压更新频率低，平滑效果就很差，输出的波形就不像正弦波了，PWM因为是通过占空比表示电压值，需要通过滤波才能变成电压，若PWM基频太低，会影响电压的更新。
[0026]进一步的，本发明A/D转换模块的转换频率及采样时机与频率发生电路电压输出更新频率及时机具有固定延时，能够简化电路的设计。
[0027]与现有技术相比，本发明LVDT传感器信号检测方法首先按照初级线圈输出正弦O相位，延时后判断次级线圈的相位，记录下次级线圈相位为O时所经过的时间，然后再按照记录延时，使LVDT传感器的次级线圈进行信号采集，因为该延时使采集通道知道所采集的信号峰值位置，因此不用负责的峰值搜索算法，直接进行峰值采集就能找到峰值。通过包络解析模块和故障判断模块分别判断信号幅值，相位，加速度是否在正常范围内，对应不同情况得出故障所在。本发明检测方法操作简单，故障诊断精确，适应于不同LVDT传感器及现场配置。
【附图说明】
[0028]图1本发明检测电路的结构示意图；
[0029]图2本发明检测方法的流程图；
[0030]附图中:1-频率发生电路；2_模拟滤波电路；3_驱动电路；4-LVDT传感器；5_幅值调理电路；6-A/D转换模块；7_包络解析模块；8_故障判断模块；9_附加通道。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0032]参见图1，本发明LVDT传感器信号检测电路包括频率发生电路1，频率发生电路I依次经模拟滤波电路2和驱动电路3连接LVDT传感器4，LVDT传感器4的次级线圈依次经过幅值调理电路5和A/D转换模块6后，分别连接包络解析模块7和故障判断模块8。
[0033]频率发生电路I，A/D转换模块6，包络解析模块7和故障判断模块8属于数字电路部分，模拟滤波电路2，驱动电路3，LVDT传感器4和幅值调理电路5属于模拟电路部分，附加通道9的内部也包括幅值调理电路5，A/D转换模块6后，包络解析模块7和故障判断丰旲块8。
[0034]数字电路部分可选用一片单片机进行实现，该单片机具备一路AD采集，一路PffM或者DA输出，例如英飞凌XMC1000系列单片机或飞思卡尔K20系列等单片机。
[0035]频率发生电路I原理与DDS相同，通过数字方式，产生正弦波码值，并根据一定的频率和幅值进行输出，该频率和幅值通过参数进行设置，以适应不同的LVDT传感器要求。输出电压值可选择DA或者PffM两种方式，输出电压值的更新频率一般应大于需要输出的正弦波频率16倍以上，PWM基频频率应大于电压值更新频率10倍以上，以取得较好的效果，因为输出的电压值是离散的数字量，需要通过模拟滤波电路2进行平滑才能变成正弦波，如果电压更新频率低，平滑效果就很差，输出的波形就不像正弦波了，PWM因为是通过占空比表示电压值，需要通过滤波才能变成电压，若PWM基频太低，会影响电压更新。这里假设需要输出的频率是F，则需要选择转换速率为16*F的DA芯片，如果用PffM输出，则PffM基频要160*F，设计16值的查找表，将一个周期的正弦值放进去，依据16F的频率逐个输出。
[0036]模拟滤波电路2的原理就是低通滤波，一阶低通或者二阶低通滤波即可，更高阶次没有明显效果，将输出电压值滤波为连续的正弦波。
[0037]驱动电路3为适应现场长线负载要求设置，驱动电路3输出通过电容进行隔直，降低直流电路对线圈磁路的影响。
[0038]LVDT传感器4分为三、四、五、六线制，其中三、四线制次级线圈只有一路，不用使用附加通道9，五、六线制正常接线方法有两路次级线圈，需要使用附加通道9。
[0039]幅值调理电路5为电压调理电路，将现场信号电压调整到A/D转换模块6能够采集到的信号范围内，并且进行基本模拟滤波，消除信号的高频干扰。
[0040]本发明A/D转换模块6的转换频率及采样时机与频率发生电路I电压输出更新频率及时机具有固定延时，能够简化电路的设计。
[0041]包络解析模块7为数字包络解析，即寻找采集回来的正弦波每个周期的最大值，用该最大值的变化表征现场信号的变化。因为输出的是频率信号，当出现LVDT初级或次级断线、短路、及其他电路故障时，必然会导致输入频率信号变化，故障判断模块8通过对幅值、频率、相位的检测进行故障判断，具体原理如下:
[0042]初级线圈与次级线圈具有固定的相位关系，幅值关系根据LVDT的初始化使用时，设定输出至初级线圈的频率及电压，在调零调满的过程中，通过程序获取次级电压范围和次级信号与初级信号的相位关系，在正常使用中，相位和幅值均在正确范围内，表示电路正常，外部线路正常，相位偏差、幅值偏差都是故障表现。现场常发生的故障有:
[0043]1、初级线圈或次级线圈发生断线、短路；在3、4线制下次级线圈没有频率采集