第２３卷第４期 ２０１１年ｌ２月 武汉工程职业技术学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＷｕｈａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｖｏｌ ２３Ｎ０．４ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０ｌｌ 差动变压器式位移传感器的设计与实现 陈 贞 李晓虹 张 键 （武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：４３００８０） 摘 要 分析了ＬＶＤＴ的工作原理、结构组成及特点，和ＬＶＤＴ信号处理芯片ＡＤ５９８的工作原 理，重点分析了使用ＡＤ５９８芯片设计的应用电路的调试过程。在传统位移传感器上使用ＡＤ５９８ 芯片，提高了测量精度且功耗小，工作可靠性高，在测试过程中电压和位移基本上符合比例关系。 关键词 差动变压器；ＡＤ５９８芯片；位移传感器 中图分类号：ＴＮ７５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—３５２４（２０１１）０４—００３４—０３ 次级线圈绕组采用差动式结构，故称为差动变压器 ０ 引言 位移是与物体的位置在运动过程中的移动有关 的量，目前测量位移的方式相当多，小位移通常使用 式传感器。差动变压器式传感器的结构如图１（ａ） 所示，它由一个初级线圈、两个次级线圈、可自由移 动的杆状铁芯、空心线圈骨架、外壳等部件组成。 ＬＶＤＴ工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线 应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔等位移 传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容 性范围，否则将产生非线性值，因此所有的ＬＶＤＴ 均有一个线性范围。初级线圈、次级线圈分别绕在 线圈骨架上，线圈骨架内部空心处有一个可自由移 动的杆状铁芯。 栅、磁栅等位移传感技术来测量。位移传感器主要 应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。 在电感式传感器中，差动变压器（１ｉｎｅａｒ ｖａｒｉａ ｂｌｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ＬＶＤＴ）式位移传感器， 因其结构简单、测量线性范围大、测量电路可靠、具 有较高的分辨力和灵敏度以及价格低廉等优点，在 许多行业的位移测量系统中得以广泛应用。但由于 传统的的直流位移传感器对工作电源的稳定性和精 度要求较高，而位移传感器的电路板大都由分立元 件焊接而成，极易产生焊点松脱和受潮变质的现象， 从而影响了传感器的使用寿命和整体性能。因此， 本文在传统ＬＶＤＴ式位移传感器的基础上，使用 ＡＤ５９８（一种单片式线位移Ｉ ＶＤＴ信号调节系统） 芯片来设计位移传感器。 １ 差动变压器式位移传感器 （Ｉ ＶＤＴ）的工作原理及特点 差动变压器式传感器也称为互感式传感器，把 被测的位移量转化为传感器线圈的互感变化，由于 收稿１５ｔ期：２０１１－０５—０７ 修回１５ｔ期：２０１１－１０－０９ （ｂ）等效电路图 图１ 差动变压器式传感器的结构图与等效电路图 差动变压器式传感器的等效电路如图１（ｂ）所 示，初级绕组接人交流电源之后，由于互感作用，两 作者简介：陈贞（１９８１～），女，硕士，讲师．Ｅ—ｍａｉｌ：ｅｚ＠ｗｇｘｙ．ｎｅｔ 陈贞 李晓虹张键：差动变压器式位移传感器的设计与实现 ３５ 个次级绕组分别产生了感应电动势Ｅ 一 和Ｅ。一 ，将 两个二次线圈的同名端相接，在另一对同名端就可 以获得一个与铁芯位移成线性函数关系的特征曲 线。当铁芯处于两个二次线圈中间位置时，两个次 级线圈产生的感应电动势相等，Ｅ 一 一Ｅ 。一０，输 出电压为零，这个电压称为零点电压。当铁芯在两 个二次线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈 产生的感应电动势不再相等，有电压输出，其电压大 小取决于位移量的大小，其变化关系如图２所示。 为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增 大传感器的线性范围，一般在设计时将两个线圈反 串相接、两个次级线圈的电压极性相反，ＬＶＤＴ输 出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的 电压值与铁芯的位移量成线性关系。 厘盈 圆匿蜀 厍 蓄 睦变匿 嚏厍耍 霞 雪 霾 图２差动变压器式传感器电压与位移量的变化关系 ２ ＡＤ５９８芯片的工作原理 ＡＤ５９８是一个单片式线位移可变差动变压器 （ＬＶＤＴ）信号调节系统。ＡＤ５９８与ＬＶＤＴ单配合， 能够直接将ＬＶＤＴ的机械位移量转化成为单极性 或双极性输出的高精度直流电压。ＡＤ５９８是一块 将实现交流信号的放大、相敏检波器、直流信号放 大、产生正弦波振荡器、滤波等电路功能都集成的芯 片，在外围电路的构造中只要增加几个外接无源元 件，就能确定激磁频率和输出电压的幅值。 激励ｒ载波 Ｉ些堡Ｈ ＡＤ５９８ Ｖ ．．．．．．．．．．．．．．．—— 匦咽 图３ ＡＤ５９８芯片原理图 ＡＤ５９８芯片原理图如图３所示，该芯片主要包 含两部分：一部分为正弦波发生器，它的频率及幅值 均可由少数外接元件确定；另一部分为ＬＶＤＴ次级 的信号处理部分，通过这一部分产生一个与铁芯位 移成正比的直流电压信号。在ＡＤ５９８芯片中有一 个用来产生ＬＶＤＴ初级激磁信号的低失真正弦波 振荡器，其振荡器的频率和幅度可有少数外围元件 确定，因此ＡＤ５９８既可驱动高达２４Ｖ、频率范围为 ２０Ｈｚ￣２０ ｋＨｚ的ＬＶＤＴ原边线圈，又可接受最低 为１００ ｍＶ的次级输入，所以适用于许多不同类型 的ＬＶＤＴ。除此之外还有输出放大器和接收 ＬＶＤＴ次级输出的两个正弦信号的输出级、除法 器、滤波器及其输出放大器。在ＡＤ５９８芯片的除法 器中，将ＬＶＤＴ次级的这两个信号的幅度值之差去 除以这两个信号的幅度值之和，因为只有保证Ｖ 与 的幅度值之和在任意时刻都是一个常数， ＡＤ５９８的输出信号才能将传感器的位移量按比例 转化成直流电压信号，其传递函数为： １，一１， Ｖ ＝ Ｌ 曼 ＲＥＦＲ ２ （１） Ｖ Ａ １＿Ｖ Ｂ 其中， 、 为次级电压；Ｊ脚为参考电流，一 般为５００／￣Ａ；Ｒ。为输出电压调节电阻。 ３ 差动变压器式位移传感器的设计 将ＬＶＤＴ与ＡＤ５９８连接在一起，再配上一些 电阻器和电容器，就组成一个精密位移传感器，如图 ４所示。图中Ｃ１、Ｃ２、ｃ３、Ｃ４的参数与所用的差动 变压器参数所要求的激励频率相关，４脚、５脚之间 的电阻与差动变压器的激励电压相关。 为了满足位移测量要求，达到设计目标，必须在 调试电路过程中完成以下工作： （１）改变ＡＤ５９８外接的电容Ｃ１的取值，调节 Ｉ ＶＤＴ的激磁信号的频率变化范围：２０Ｈｚ～ ２０ｋＨｚ。 （２）根据激磁频率选择合适的ＬＶＤＴ。 （３）确定ＬＶＤＴ激磁电压的最佳值，在ＬＶＤＴ 加上激磁电压后，将铁芯移动到机械的满量程位置， 测出次级的最大输出电压。 （４）改变电容Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４的值，即改变ＡＤ５９８ 位移测量系统所要求的频带宽度函数。 （５）调节电阻Ｒ２的值，保证满足ＡＤ５９８增益 和满量程输出电压正比于铁芯位移ＡＸ。 传感器测试结果如下： （１）两个次级线圈的输出接成同极性串联，电压 和距离的关系图如图５所示。 （２）两个次级线圈的输出接成反极性串联，电压 和距离的关系图如图６所示。 通过两种不同连接方法的比较可以得出以下的 结论： ３６ 武汉工程职业技术学院学报 图４使用ＡＤ５９８的差动变压器测量电路 增大，因而降低了初级电流。如果激励是恒定的交 流电压信号，则会降低输出电压，因此选择用恒定电 流而不是用恒定电压去激励，能够有效的降低温度 对输出电压的影响。 ４ 结束语 距离／ａｍ ｒ图５ 电压和距离的关系图（同极性串联） ２Ｏ １５ １０ 在传统的位移传感器上使用ＡＤ５９８芯片，提高 了测量精度并且具有功耗小，工作可靠性高等优点。 在实际测试过程中电压和位移基本上符合比例关 ５ ．．．．． ．．．． 厂 ．．． 系，但是还存在着许多，比如在实际的ＬＶＤＴ 中心位置处输出电压并不为零，而是达到最小值，以 及温度对输出电压的影响。所以在实际的设计过程 中，为了减少温度漂移，用恒定电流源来代替恒压源 距 －５ ・１Ｏ １５ ／●一 距离／ｍｍ 并且在传感器中可以加入温度补偿绕组来进行补 偿，使测量精度进一步提高。 参考文献 ［１］ 张 键．传感器与检测技术［Ｍ］．北京：北京科学技术出版社， ２０１０． 图６ 电压和距离的关系图（反极性串联） （１）电压和位移基本上符合比例关系，即铁芯从 左向右移动时，电压逐步由负向的最大值逐渐减小 至零再逐步升高到正向的最大值，到达某个值后，继 续改变位移大小，电压不再变化。 （２）在实际的ＬＶＤＴ中心位置处，输出电压并 ［２］尹成竹，柏受军，黄平，等．一种基于ＡＤ５９８的精密位移传感 器的研制［Ｊ］．传感器与微系统，２００７，２６（２）：６８—７０． 不为零，而是达到最小值。其原因是初级线圈与次 级线圈之间存在有与铁芯位置无关的杂散电容，以 及绕组和磁路中缺少对称性。其次就是输出电压存 在谐波分量，特别是在零点位置尤为明显，影响最大 的谐波是由磁性材料饱和引起的，一般是将输出电 ［３］贾静科．基于ＡＤ５９８的差动变压器式位移传感器口］．传感器 世界，２０００，（９）：２１—２３． ［４］陈杰，黄鸿．传感器与检测技术［Ｍ］．北京：高等教育出版 社，２００２． ［５］ 程方晓，孙静波，吴瑞芝．差动变压器位移传感器的误差与精度 ［Ｊ］．长春大学学报，２００３，１３（１）：１６ １８． ［６］ 沈申生．差动变压器式位移传感器检测系统研究［Ｊ］．传感器 与微系统，２００６，２５（３）：４１—４３． 压通过低通滤波器来减少此谐波的干扰。 （３）温度也是影响输出电压大小的因素。原因 是温度会影响初级绕组的电阻，温度升高会使电阻 （下转第６８页） ６８ 武汉工程职业技术学院学报 思考感悟，伴随诗人的灵魂 境遇及其对宇宙人生的 飞翔在精神的自由王国 寻觅现实生活中的所残缺 ， Ｅ２］ 杨改学．现代教育技术教程［Ｍ］．兰州：甘肃教育出版社，２００１．－Ｉ３］ 苏霍姆林斯基．苏霍姆林斯基选集（五卷本）［Ｍ］．北京：教育科 学出版社， 的人性人情美。 参考文献 孔凡成．从情境到语境——语文情境教学理论与实践的思考 ＥＪ］．伊犁教育学院学报，２００３，（２）：７０—７５． Ｅ４］ 朱立元．接受美学ＥＭ］．上海：上海人民出版社，１９８９． Ｉｓ； 袁行霈．中国古典诗歌的艺术鉴赏［Ｍ］／／中国诗歌艺术研究．北京：北大出版社，１９９６． Ｅ６］ 于漪．给语文教育加点钙ＥＭ］．上海：上海教育出版社，２００１．Ａｅｓｔｈｅｔｉｃ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｐｏｅｔｒｙ ＡＩ Ｘｉａｎｇｌｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｆｏｕｎｄ ａｅｓｔｈｅｔｉｃ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｒｅｎｄｅｒ ｐｏｅｔｒｙ ａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｃａｒｒｉｅｒ ｏｆ ａｅｓｔｈｅｔｉｃ ｅｄｕｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ａｅｓｔｈｅｔｉｃ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ ｐｏｅｍ ａｐｐｒｅｃｉａｔｉｏｎ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｒｅａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅａｕｔｉｆｕｌ ｃｉｒ— ｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ，ａｐｐｒｅｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｅｔｉｃ ｂｅａｕｔｙ，ａｎｄ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅａｕｔｉｆｕｌ ｌｉｆｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ ｃｒｅａｔｉｏｎ；ａｐｐｒｅｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｇｕａｇｅ；ｓｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ａｆｆｅｃｔｉｏｎ （责任编辑：李文英） （上接第３６页） Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｔｙｐｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎ ＬＩ Ｘｉａｏｈｏｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＬＶＤＴ ｓｅｎｓｏｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＤＣ ＬＶＤＴ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｅｄｓ ｈｉｇｈ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ａｎｄ ＤＣ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｍａｄｅ ｕｐ ｏｆ ｓｅｐａｒａｔｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｌｉｋｅｌｙ ｔｏ ｂｅｃｏｍｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ ｄａｍｐ，ｔｈｅｒｅｂｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ＬＶＤＴ ｓｅｎｓｏｒ， ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ， ＡＤ５９８ ｃｈｉｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ＡＤ５９８ ｃｈｉｐ；Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ （责任编辑：栗晓）
