AD698在RVDT傳感器測(cè)量中的應(yīng)用

摘要：簡(jiǎn)要介紹了AD698的工作原理，對(duì)AD698在RVDT傳感器測(cè)量中的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究。根據(jù)傳感器使用要求，進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)分析和電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)從電源、信號(hào)濾波、輸入輸出范圍、信號(hào)傳輸連接各方面采取了提高測(cè)量準(zhǔn)確性的可靠性措施，最終達(dá)到了理想的效果。

關(guān)鍵詞：AD698；RVDT傳感器；測(cè)量；可靠性

LVDT表示差動(dòng)變壓位移傳感器，是一種機(jī)電元件，一般由一個(gè)鐵芯、一個(gè)初級(jí)線圈和二個(gè)次級(jí)線圈組成。外部正弦波信號(hào)源激勵(lì)初級(jí)線圈，通過(guò)初級(jí)線圈與次級(jí)線圈弱電磁耦合，使得鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈精密線性關(guān)系，通過(guò)電壓測(cè)量即可獲得位移信息。

RVDT(Rotary Variable Differential Transformer)是旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)變壓器縮寫(xiě)，屬于角位移傳感器。

它采用與LVDT相同的差動(dòng)變壓器式原理，即把機(jī)械部件的旋轉(zhuǎn)傳遞到角位移傳感器的軸上，帶動(dòng)與之相連的鐵芯，通過(guò)改變線圈中的感應(yīng)電壓，輸出與旋轉(zhuǎn)角度成比例的電壓信號(hào)。

RVDT的初級(jí)和次級(jí)線圈是完全隔離的，為非接觸設(shè)計(jì)，具有無(wú)限分辨率、使用壽命長(zhǎng)，精度高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量，廣泛應(yīng)用于鐵路、航天航空、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)度和精密位移的測(cè)量和反饋控制。

RVDT傳感器位移檢測(cè)電路主要包括激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路和信號(hào)調(diào)理電路，傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路，這2種測(cè)量方法都是用分立電子元件搭成的，電路復(fù)雜，不易調(diào)試。AD698線性位移差分變壓器信號(hào)調(diào)理芯片彌補(bǔ)了這方面的缺陷，電路集成度高并且輸出增益可調(diào)。

1 AD698的特點(diǎn)

AD698是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的單片式線性位移差分變壓器信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。AD698與RVDT／LVDT配合，能夠高精確性、可重復(fù)性的將RVDT／ LVDT的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698具有RVDT／LVDT檢測(cè)電路所有必不可少的電路功能，只要增加幾個(gè)外接元源元件來(lái)確定激磁頻率和增益，就能把RVDT／LVDT的原始輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)比例直流信號(hào)，消除原邊驅(qū)動(dòng)的幅度漂移所導(dǎo)致的比例系數(shù)誤差，改善測(cè)量的溫度性能和穩(wěn)定性。

AD698的主要特點(diǎn)有：

1)內(nèi)含晶振和參考電壓源，只需附加極少量的無(wú)源元件就可實(shí)現(xiàn)位置的機(jī)械變量到直流電壓的轉(zhuǎn)換，并且無(wú)需校準(zhǔn)。提供用單片電路來(lái)調(diào)理RVDT信號(hào)的完整解決方案，其直流電壓輸出正比于RVDT的角度變化；

2)器件的輸入電壓、輸出電壓及頻率適應(yīng)范圍寬；能夠適用于不同類(lèi)型的RVDT，如半橋式、同名端反相串聯(lián)4線輸出式等；

3)器件能夠產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)頻率為20～20 kHz，這個(gè)頻率取決于他的外接電容器。其輸出電壓有效值可達(dá)24 V，能夠直接驅(qū)動(dòng)LVDT的初級(jí)激磁線圈，LVDT的次級(jí)輸出電壓有效值可以低于100mV；

4)器件采用比值譯碼方案，振蕩器的幅值隨溫度變化不會(huì)影響電路的整體性能；

5)輸出激勵(lì)源負(fù)載能力強(qiáng)，且具有熱保護(hù)功能；

6)利用獨(dú)特的比率架構(gòu)來(lái)消除傳統(tǒng)LVDT接口方法的多個(gè)弊端。具有無(wú)需調(diào)整；溫度穩(wěn)定性提高；傳感器互換性得以改善的優(yōu)勢(shì)。

2 AD698的工作原理

AD698用1個(gè)正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器驅(qū)動(dòng)RVDT，并用2個(gè)同步解調(diào)器對(duì)初級(jí)和次級(jí)電壓進(jìn)行解調(diào)，再通過(guò)一個(gè)除法電路來(lái)計(jì)算比率A／B，其后的濾波器和放大器可按比例調(diào)整輸出結(jié)果。輸出放大器測(cè)量500μA的參考電流并把他轉(zhuǎn)化成一個(gè)電壓值，從而得到一個(gè)與RVDT ／LVDT磁芯位置成正比的直流電壓信號(hào)，其功能框圖如圖1所示。

AD698產(chǎn)生固定頻率和幅度的正弦激勵(lì)信號(hào)VEXC，VEXC輸出驅(qū)動(dòng)RVDT／LVDT初級(jí)線圈，并用二個(gè)同步解調(diào)級(jí)來(lái)對(duì)初級(jí)和次級(jí)電壓進(jìn)行解碼，解碼器決定了輸出電壓與輸入驅(qū)動(dòng)電壓的比率(A／B)，A／B的比值經(jīng)濾波及放大后輸出。

AD698內(nèi)置一個(gè)低失真正弦波振蕩器，用來(lái)驅(qū)動(dòng)RVDT／LVDT初級(jí)線圈。兩個(gè)同步解調(diào)通道用于檢測(cè)初級(jí)和次邊幅度。該器件將次級(jí)邊的輸出除以初邊的幅度，然后乘以一個(gè)比例系數(shù)。這樣可以消除初級(jí)邊驅(qū)動(dòng)的幅度漂移所導(dǎo)致的比例系數(shù)誤差，改善溫度性能和穩(wěn)定性。 激勵(lì)正弦波的頻率和幅值由一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器決定。輸出頻率在20 Hz～20 kHz可調(diào)，輸出有效幅值在2～24 V可調(diào)。

AD698的輸入包括二個(gè)獨(dú)立的同步解調(diào)通道A和B。B通道用來(lái)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)RVDT／LVDT的激勵(lì)信號(hào)，A通道的作用與之相同，但是它的比較器引腳是單獨(dú)引出來(lái)的。因?yàn)樵赗VDT／LVDT處于零位的時(shí)候，A通道可能達(dá)到0 V，所以A通道解調(diào)器通常由初級(jí)電壓(B通道)觸發(fā)。另外，可能還需要一個(gè)相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)給A通道增加一個(gè)相位超前或滯后量，比此來(lái)補(bǔ)償RVDT／LVDT初級(jí)對(duì)次級(jí)的相位偏移。

AD698通過(guò)同步解調(diào)輸入幅值A(chǔ)(次級(jí)線圈側(cè))和一個(gè)固定的參考輸入B(初級(jí)線圈側(cè))，消除了所有的偏移影響。

信號(hào)被解調(diào)和濾波后，通過(guò)一個(gè)除法器來(lái)計(jì)算比率A／B，除法器的輸出是一個(gè)矩波信號(hào)。當(dāng)A／B等于1時(shí)，矩形波的占空比為100％。輸出放大器測(cè)量500 μA的參考電流并把它轉(zhuǎn)化成一個(gè)電壓值。當(dāng)參考電流為500μA時(shí)，AD698輸出的傳遞函數(shù)為：

Vn=500μAxA／BxR2

其中R2為輸出增益電阻。