LVDT數(shù)字解調(diào)方法研究

摘要：給出一種基于LVDT的數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)。為了準(zhǔn)確地測量鐵芯的位置，提出了以基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)平臺的數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)。與以往方法不同的是不僅對所得次級線圈信號采用加減法，還采用比率檢測方法，通過多點(diǎn)的測量得到其線性系數(shù)。運(yùn)用線性插值算法計(jì)算誤差修正表，并且運(yùn)用一種映射關(guān)系得出鐵芯的真實(shí)位移值，克服了模擬電路的種種缺點(diǎn)，大大減小誤差，還提高了線性度。通過實(shí)驗(yàn)證明，此數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)精度最高可達(dá)萬分之三。
關(guān)鍵詞：LVDT；數(shù)字解調(diào)；FPGA；鐵芯

差動變壓器式位移傳感器(Inear Variable Differential Transformer，LVDT)采用電磁感應(yīng)原理測量微小位移。一般情況下，對電感位移傳感器(LVDT)常用的信號檢測方法是運(yùn)用載波放大器來完成的，載波放大器又是由解調(diào)電路模塊、交流放大模塊、低通濾波功能模塊和常用的振蕩器組成的。簡單的方法就是從每個(gè)次級線圈得到調(diào)幅連續(xù)電壓，通過整流、相減，通過輸出的直流電壓來表明鐵芯的位置。這種方法中的原始信號經(jīng)過了整流、加減等中間環(huán)節(jié)才得到直流電壓信號，這樣會使誤差很大，不能得到精確的鐵芯位置。

1 LVDT鐵芯位移測量原理
LVDT的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用環(huán)氧樹脂，不銹鋼等材料作為線圈骨架，用不同線徑的漆包線在骨架上繞制線圈。與傳統(tǒng)的電力變壓器不同，LVDT是一種開磁路弱磁耦合的測量元件：在骨架上繞制1個(gè)初級線圈，2個(gè)次級線圈。其工作方式是當(dāng)鐵芯由中間向兩邊移動時(shí)，次級兩個(gè)線圈輸出的電壓之差與鐵芯移動成線性關(guān)系，如圖2所示。

線性可變差動變壓器(LVDT)主要由一個(gè)鐵芯和兩個(gè)線圈組成，由于無滑動觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，且功耗低，壽命長。LVDT的初級線圈需施加正弦交流激磁電壓，對激磁電壓的要求主要是激磁頻率、電壓幅值和功率3方面。該系統(tǒng)的硬件實(shí)體簡稱為變送器。利用由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)制作的變送器來驅(qū)動LVDT的初級線圈，并采集LVDT的2個(gè)次級線圈的輸出信號Va和Vb，該變送器包括由閃存或SRAM構(gòu)成的存儲器、驅(qū)動LVDT初級線圈的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(D／A)、采樣LVDT2個(gè)次級線圈的2個(gè)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)，以及數(shù)字輸出模塊、包括信號解調(diào)算法和與上位機(jī)通信程序的變送器軟件；將采集到的LVDT兩個(gè)次級線圈的輸出信號Va和Vb作S=(Va-Vb)／(Va+Vb)的數(shù)字解調(diào)處理，利用LVDT鐵芯的實(shí)際位移量與S之間的映射關(guān)系來實(shí)現(xiàn)對LVDT的信號檢測。