一种电感式位移传感器的电路系统设计（-_全文）

随着传感器技术的成熟发展，传感器已经广泛应用于各种测量设备中。在许多几何测量装置中，位移传感器是不可缺少的一部分。介绍了一种电感式位移传感器的电路系统。该系统采用AD698芯片作为信号调理电路的核心，将位移输出信号转换成相应的DC电压值，结合一系列其他电路模块实现测头的位移测量。探头的标定试验证明，该系统具有较高的精度和较宽的线性测量范围。

1系统结构和工作原理

图1是探头电路系统的结构框图。探头电路系统主要由五部分组成：信号转换电路、运算放大电路、滤波输出电路、量程切换电路和窗口电压比较电路。传感器输出一个交流电压信号，该电压值与传感器磁芯的位置成正比，并通过信号转换电路转换成相应的DC电压信号。放大电路放大DC电压信号以满足后续电路的电压需求；放大后的DC信号通过滤波输出电路输出到A /D卡，在计算机的控制下实现自动检测。同时，滤波后的信号经过量程切换电路，DC电压信号以对应电表不同量程的位移值显示，提供直观的测量结果；滤波后的信号可通过窗口电压比较电路检测探头的位移状态，并可在检测、安装、报警等状态下显示输出。确保安装和检测过程的安全性。

图1探头电路系统结构框图

2个主要功能模块

2.1信号转换电路

信号转换电路的作用是将传感器输出的交流电压信号转换成相应的DC电压信号。信号转换电路的设计直接影响整个探头电路系统的测量精度，是探头电路系统的核心部分。

该传感器是线性差动位移传感器。它的输入是磁芯的机械位移，输出是与磁芯位置成比例的交流电压信号。传感器的初级线圈由外部参考正弦波信号源激励，两个次级线圈反向串联。磁芯的运动可以改变初级线圈之间的耦合通量，从而产生两个幅度不同的交流电压信号。根据传感器输出信号的特点，设计了一种基于AD698芯片的信号转换电路。AD698是一款用于高精度线性差动位移变压器(LVDT)的专用信号调理电路，可以同时接收两路差分交流电压信号。图2是使用AD698的传感器的信号转换工作原理图。AD698使用一个正弦波振荡器和功率放大器来驱动传感器的初级线圈，使用两个同步解调器来解码初级和次级电压，并对其进行滤波和放大，最终输出DC电压信号。AD698可以通过同步解调获得次级线圈的输出电压值和初级线圈的参考电压值。通过计算A /B比值和设置外部元件参数，可以实现零电压漂移补偿，从而满足测量精度要求。AD698具有较宽的输入输出电压范围(均可达到正负电压的输入输出)，可实现探头从零到最大位移和从最大位移回零的测量，从而扩大了测量范围。

图2 ad 698的工作原理图

2.2运算放大器电路和滤波器输出电路

放大电路和滤波输出电路进一步调节转换后信号的交流电压，可以很好地匹配AD698芯片，满足下一级电路的处理要求。输出电路由二阶“”型滤波电路组成，在满足滤波精度要求的前提下，能保证较短的延迟时间。

2.3范围切换电路

量程切换电路的作用是显示电压信号，其位移值对应于电表的不同量程，从而提供直观的测量结果。该范围切换电路

窗口电压比较电路的作用是实时显示探头的运动状态。它由多个不同参数的比较电路单元组成，将滤波后的电压信号与每个比较单元的参考电压值进行比较，从而实时反映探头的不同运动状态。结合外部信号灯和蜂鸣器，可以判断探头的工作状态，并据此控制探头，防止探头超范围移动带来的危险，提高测量安全性。这里设置的探头运动状态分别是安装状态、检测状态和报警状态。

3测试验证

用一级环规检定装置和数字电压表校准测头左右齿面的位移测量。校准方法是静态特性校准。校准测试记录见图3和图4。图中，K1和K2分别表示探头从零移至最大位移和从最大位移移回零时的灵敏度。

校准公式如下：

其中：U为探头电路系统的输出电压值，V；k为探头灵敏度，mV/mm；s是探头的位移，mm；b是零位电压值失调，mV。

图3左齿面测量数据曲线

图4右齿面测量数据曲线

从校准记录中，我们可以得到：

1)探针的灵敏度

左齿面：-010186mV/mm；

右齿面：010183毫伏/毫米.

2)探头位移的线性测量范围

左齿面：312 ~ 51112 m；

右齿面：411 ~ 50717 m .

3)零电压值的偏移

左齿面：41412mV；

右齿面：51027 mV。

实验结果表明，探头电路系统测量精度高，线性测量范围大(500 m)，能够满足891EA齿轮测量中心的测量要求。

4结论

电路系统通过一系列信号对探头检测到的微小位移进行调节、滤波和放大，并转换成相应的DC电压信号。通过对测头的标定试验，证明该系统测量精度高、线性测量范围宽、测量安全性好，满足891EA齿轮测量中心的测量要求。

随着传感器技术的成熟发展，传感器已经广泛应用于各种测量设备中。在许多几何测量装置中，位移传感器是不可缺少的一部分。介绍了一种电感式位移传感器的电路系统。该系统采用AD698芯片作为信号调理电路的核心，将位移输出信号转换成相应的DC电压值，结合一系列其他电路模块实现测头的位移测量。探头的标定试验证明，该系统具有较高的精度和较宽的线性测量范围。

1系统结构和工作原理

图1是探头电路系统的结构框图。探头电路系统主要由五部分组成：信号转换电路、运算放大电路、滤波输出电路、量程切换电路和窗口电压比较电路。传感器输出一个交流电压信号，该电压值与传感器磁芯的位置成正比，并通过信号转换电路转换成相应的DC电压信号。放大电路放大DC电压信号以满足后续电路的电压需求；放大后的DC信号通过滤波输出电路输出到A /D卡，在计算机的控制下实现自动检测。同时，滤波后的信号经过量程切换电路，DC电压信号以对应电表不同量程的位移值显示，提供直观的测量结果；滤波后的信号可通过窗口电压比较电路检测探头的位移状态，并可在检测、安装、报警等状态下显示输出。确保安装和检测过程的安全性。

图1探头电路系统结构框图

2个主要功能模块

2.1信号转换电路

信号转换电路的作用是将传感器输出的交流电压信号转换成相应的DC电压信号。信号转换电路的设计直接影响整个探头电路系统的测量精度，是探头电路系统的核心部分。

该传感器是线性差动位移传感器。它的输入是磁芯的机械位移，输出是与磁芯位置成比例的交流电压信号。传感器的初级线圈由外部参考正弦波信号源激励，两个次级线圈反向串联。磁芯的运动可以改变初级线圈之间的耦合通量，从而产生两个幅度不同的交流电压信号。根据传感器输出信号的特点，设计了一种基于AD698芯片的信号转换电路。AD698是一款用于高精度线性差动位移变压器(LVDT)的专用信号调理电路，可以同时接收两路差分交流电压信号。图2是使用AD698的传感器的信号转换工作原理图。AD698使用一个正弦波振荡器和功率放大器来驱动传感器的初级线圈，使用两个同步解调器来解码初级和次级电压，并对其进行滤波和放大，最终输出DC电压信号。AD698可以通过同步解调获得次级线圈的输出电压值和初级线圈的参考电压值。通过计算A /B比值和设置外部元件参数，可以实现零电压漂移补偿，从而满足测量精度要求。AD698具有较宽的输入输出电压范围(均可达到正负电压的输入输出)，可实现探头从零到最大位移和从最大位移回零的测量，从而扩大了测量范围。

图2 ad 698的工作原理图

2.2运算放大器电路和滤波器输出电路

放大电路和滤波输出电路进一步调节转换后信号的交流电压，可以很好地匹配AD698芯片，满足下一级电路的处理要求。输出电路由二阶“”型滤波电路组成，在满足滤波精度要求的前提下，能保证较短的延迟时间。

2.3范围切换电路

量程切换电路的作用是显示电压信号，其位移值对应于电表的不同量程，从而提供直观的测量结果。量程切换电路由三个放大倍数不同的放大电路组成，连接一个电表(显示电压值对应的位移)显示输出电压值对应的传感器位移。开关电路的放大系数分别对应于仪表的不同测量范围。通过设置电路的电阻参数，可以选择500，150，30m 30微米的测量范围。

2.4车窗电压比较电路

窗口电压比较电路的作用是实时显示探头的运动状态。它由多个不同参数的比较电路单元组成，将滤波后的电压信号与每个比较单元的参考电压值进行比较，从而实时反映探头的不同运动状态。结合外部信号灯和蜂鸣器，可以判断探头的工作状态，并据此控制探头，防止探头超范围移动带来的危险，提高测量安全性。这里设置的探头运动状态分别是安装状态、检测状态和报警状态。

3测试验证

用一级环规检定装置和数字电压表校准测头左右齿面的位移测量。校准方法是静态特性校准。校准测试记录见图3和图4。图中，K1和K2分别表示探头从零移至最大位移和从最大位移移回零时的灵敏度。

校准公式如下：

其中：U为探头电路系统的输出电压值，V；k为探头灵敏度，mV/mm；s是探头的位移，mm；b是零位电压值失调，mV。

图3左齿面测量数据曲线

图4右齿面测量数据曲线

从校准记录中，我们可以得到：

1)探针的灵敏度

左齿面：-010186mV/mm；

右齿面：010183毫伏/毫米.

2)探头位移的线性测量范围

左齿面：312 ~ 51112 m；

右齿面：411 ~ 50717 m .

3)零电压值的偏移

左齿面：41412mV；

右齿面：51027 mV。

实验

电路系统通过一系列信号对探头检测到的微小位移进行调节、滤波和放大，并转换成相应的DC电压信号。通过对测头的标定试验，证明该系统测量精度高、线性测量范围宽、测量安全性好，满足891EA齿轮测量中心的测量要求。