基于AD598信號(hào)處理芯片的直線位移傳感器的精度和誤差分析

引 言

在信息采集系統(tǒng)中，傳感器通常處于系統(tǒng)前端，即檢測(cè)和控制系統(tǒng)之首，它提供給系統(tǒng)處理和決策所必需的原始信息，因此，傳感器的精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是至關(guān) 重要的。在位移、速度及加速度的測(cè)量中，經(jīng)常使用差動(dòng)變壓器式傳感器，原因是其靈敏度高、線性好且有配套集成電路，但傳統(tǒng)的LVDT傳感器對(duì)工作電源的穩(wěn) 定性和精度要求太高，且電路板大都由分離元件搭接而成，極易產(chǎn)生松脫和受潮變質(zhì)現(xiàn)象，從而影響傳感器的使用壽命和整體性能。

1 基本原理

差動(dòng)變壓器式傳感器是利用線圈的自感或者互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置，它的核心是可變自感或可變互感。本文采用的變氣隙式差動(dòng)變壓器式電感傳感器是利用互感的變化來(lái)工作的。

1.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

上下2只鐵芯上均有1個(gè)勵(lì)磁線圈和1個(gè)輸出線圈。上下2個(gè)勵(lì)磁線圈串聯(lián)后接交流勵(lì)磁電源電壓Uin，2個(gè)輸出線圈則按電勢(shì)反向串聯(lián)。忽略高階無(wú)窮小量，當(dāng)ωR（ω為交流勵(lì)磁電源電壓Uin的頻率，R為勵(lì)磁線圈的等效電阻）時(shí)，可推導(dǎo)出

式中：Uin為勵(lì)磁電源電壓（單位V）;Uout為輸出電壓（單位V）;N1，N2分別為勵(lì)磁線圈和輸出線圈的匝數(shù);△δ為軸偏移平衡位置的距離（單位mm）;δ占為軸處于平衡位置時(shí)的氣隙大?。▎挝籱m）。

當(dāng)軸處于中間位置時(shí)，δ1=δ2=δ，勵(lì)磁線圈中產(chǎn)生交變磁通φ1和φ2，在輸出線圈中便產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)。由于兩邊氣隙相等，磁阻相等，所 以，φ1=φ2，輸出線圈中感應(yīng)出的電勢(shì)E21=E22，由于次級(jí)是按電勢(shì)反向連接的，輸出電壓Uout=0。當(dāng)軸偏離中間位置時(shí)，兩邊氣隙不等（即 δ1≠δ2），輸出線圈中感應(yīng)的電勢(shì)不再相等（即E21≠E22），便有電壓Uout輸出。Uout的大小及相位取決于軸的位移大小和方向。

1.2 輸出特性方程

設(shè)差動(dòng)變壓器原邊激勵(lì)電壓為Ep、角頻率為ω、電流為Ip、電感為L(zhǎng)p、等效電阻為Rp。副邊電壓分別為E21、E22，互感為M1、M2。若忽略磁滯渦流及耦合電容的影響，可以得出：

2 傳感器測(cè)量電路

AD598是由Analog Device推出的新型LVDT專用信號(hào)處理芯片，原理圖如圖2所示。由圖可知，該芯片主要包含兩部分：一部分為正弦波發(fā)生器，它的頻率及幅值均可由少數(shù) 外接元件確定;另一部分為L(zhǎng)VDT次級(jí)的信號(hào)處理部分。通過(guò)這一部分產(chǎn)生一個(gè)與鐵芯位移成正比的直流電壓信號(hào)。AD598可驅(qū)動(dòng)高達(dá)24 V，頻率范圍為20Hz～20 kHz的LVDT原邊線圈，又可接受最低為100 mV的次級(jí)輸入，所以適用于許多不同類型的LVDT。

3 測(cè)量系統(tǒng)誤差分析

測(cè)量系統(tǒng)的誤差按來(lái)源也可分為固定誤差和隨機(jī)誤差兩大類。

3.1 固定誤差

固定誤差指差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)（加工精度）和材料（磁滯渦流）所造成的誤差。這是系統(tǒng)論證時(shí)要結(jié)合測(cè)量的精度要求及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合考慮的。系統(tǒng)一旦確定下來(lái)這些因素一般是不能改變的。

3.2 隨機(jī)誤差

隨機(jī)誤差按誤差來(lái)源可以分為由激勵(lì)源的波動(dòng)引起的誤差和由相敏檢波引起的誤差。由于AD598把振蕩器，LVDT和相敏解調(diào)器封裝在一起，不但提高 了產(chǎn)品的集成度，而且大大減少了外圍元件的個(gè)數(shù)，使傳感器的性能得到大幅提高，因此，在本文中就不對(duì)相敏檢波引起的誤差進(jìn)行推導(dǎo)了。

3.2.1 激勵(lì)源幅度波動(dòng)引起的誤差

由式（3）可以看出當(dāng)Ep、ω、Lp、Rp為常數(shù)時(shí)，E2正比于△M。差動(dòng)變壓器是非閉合磁路，而且鐵芯長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于線圈長(zhǎng)度，所以△M正比于鐵芯位 移，即E2正比于鐵芯位移。當(dāng)鐵芯在某一位置固定，輸出電壓E2也應(yīng)是定值。但Ep或ω有變化，雖然鐵芯位置沒(méi)變，輸出電壓E2卻發(fā)生了變化，這就是激勵(lì) 電壓和頻率不穩(wěn)定引起的誤差。E2是Ep的一次函數(shù)。將式（3）對(duì)Ep微分得到：

將式（4）除以式（3）得：

dE2/E2=dEp/Ep即在其它條件不變的情況下，激勵(lì)源的誤差即是差動(dòng)輸出的誤差。

3.2.2 激勵(lì)源頻率波動(dòng)引起的誤差

式中：Qp=ωLp/Rp為差動(dòng)電壓器原邊品質(zhì)因數(shù)，其值越大因ω波動(dòng)引起的誤差越小。

4 誤差與精度的測(cè)定

以CWZ-23F差動(dòng)變壓器為例，標(biāo)定后用光學(xué)測(cè)長(zhǎng)儀給定輸入電壓，用4位半數(shù)字電壓表測(cè)量輸出電壓。原文位置

精度=β×標(biāo)準(zhǔn)差=3×1.106≈3.32（μm）

可以認(rèn)為系統(tǒng)精度為3.32μm。此時(shí)置信概率為99.73%，完全可以說(shuō)明系統(tǒng)的情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

AD598將一個(gè)高精度的正弦波發(fā)生電路和差動(dòng)變壓器信號(hào)調(diào)節(jié)電路的絕大多數(shù)功能集成在一塊芯片上，減小了電路的體積，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試。