摘要：介紹了一種電感式位移傳感器的電路系統。該系統以一片AD698芯片為信號調整電路的核心,將位移量輸出信號轉換為相應的直流電壓值,并結合其它一系列電路模塊實現了測頭位移量測量。通過對測頭的標定試驗證明該系統精度高、線性測量范圍大。
0 前言
隨著傳感器技術的成熟發展，傳感器已廣泛應用于各種測量裝置中。在很多幾何量測量裝置中，位移傳感器是不可或缺的組成部分。如Mahr公司生產的891EA齒輪測量中心是一款較早實現電子展成的測量中心，它采用的測頭是旁向位移測頭，該測頭的傳感器即為一維電感式位移傳感器。原測頭電路系統由于硬件局限性，線性測量范圍小，精度不高，已無法滿足891EA的測量需求。本文結合傳感器的特點，設計了測頭電路系統，它不僅能滿足測量中心的機械動作，并在完成原電路測量功能基礎上提高了測量精度，擴大了測頭的檢測范圍，提高了測量的安全性；同時，將測頭電路系統與A /D卡配接，可在計算機的控制下實現自動檢測功能。
1 系統結構與工作原理
圖1為測頭電路系統結構框圖。測頭電路系統主要由信號轉換電路、運算放大電路、濾波輸出電路、量程切換電路和窗口電壓比較電路五部分組成。傳感器輸出交流電壓信號，電壓值與傳感器磁芯位置成正比，經過信號轉換電路將其轉換為相應的直流電壓信號。運算放大電路對直流電壓信號進行放大，以滿足后續電路的電壓需求；放大后的直流信號經過濾波輸出電路輸出到A /D 卡，在計算機控制下實現自動檢測；同時，濾波信號經量程切換電路，將直流電壓信號以對應電表不同量程的位移值得以顯示，從而提供直觀的測量結果；濾波信號經窗口電壓比較電路可檢測到測頭位移狀態，分別以檢測、安裝、報警等狀態顯示輸出，保證了安裝和檢測過程的安全。
圖1 測頭電路系統結構框圖
2 主要功能模塊
2.1 信號轉換電路
信號轉換電路的功能是將傳感器輸出的交流電壓信號轉換為相應的直流電壓信號。信號轉換電路的設計直接影響到整個測頭電路系統的測量精度，是測頭電路系統的核心部分。
傳感器為線性差分式位移傳感器，它的輸入為磁芯的機械位移，輸出為與磁芯位置成正比的交流電壓信號。傳感器初級線圈由外部參考正弦波信號源激勵，兩個次級線圈反向串聯，磁芯的移動可改變初級線圈之間的耦合磁通，從而產生兩個幅值不同的交流電壓信號。針對傳感器輸出信號特點， 設計了基于AD698芯片的信號轉換電路。 AD698是一種高精度線性差分式位移變壓器（LVDT） 專用信號調整電路，可同時接收兩路差動交流電壓信號。圖2為采用AD698對傳感器進行信號轉換的工作原理圖。AD698用一個正弦波函數振蕩器和功率放大器來驅動傳感器初級線圈，并用兩個同步解調器對初級和次級電壓進行解碼，經過濾波和放大后最終輸出直流電壓信號；AD698經過同步解調可得到次級線圈輸出電壓值和初級線圈輸出的參考電壓值，通過計算A /B的比例并以此設置外部元件參數，可實現零位電壓漂移補償，從而滿足測量的精度要求；AD698的輸入電壓和輸出電壓范圍較廣（均可達到正、負電壓的輸入與輸出） , 可實現測頭從零位到最大位移量及從最大位移量回到零位的測量，擴大了測量范圍。
圖2 AD698工作原理圖
2.2 運算放大電路及濾波輸出電路
運算放大電路及濾波輸出電路對經轉換后的信號不同的交流電壓進行進一步調節，可很好地匹配AD698芯片，并滿足下一級電路的處理需求。濾波輸出電路由一個二階"Π"型濾波電路構成，在滿足濾波精度要求的前提下，可保證較短的延遲時間。
2.3 量程切換電路
量程切換電路的功能是將電壓信號以對應電表不同量程的位移值顯示，從而提供直觀的測量結果。量程切換電路由三個不同放大倍數的放大電路組成，外接電表（以電壓值對應的位移量顯示） 以實現輸出電壓值對應傳感器位移量的顯示。量程切換電路的放大倍數分別對應電表的不同量程，通過電路電阻參數的設置可實現測頭500, 150, 30μm三檔量程選擇。
2.4 窗口電壓比較電路
窗口電壓比較電路的功能是實時顯示測頭運動狀態。它由多個不同參數的比較電路單元構成，將濾波輸出后的電壓信號分別與每個比較單元的參考電壓值進行比較，從而實時反映測頭不同的運動狀態。結合外接信號燈及蜂鳴器，可判斷測頭工作狀態，并對測頭作出相應控制，進而防止測頭因過量程運動造成的危險，提高測量安全性。這里設置的測頭運動狀態分別為安裝狀態、檢測狀態和報警狀態。
3 試驗驗證
用一等環規檢定裝置和數字電壓表對測頭的左、右齒面位移測量進行標定，標定方法采用靜態特性標定法，標定試驗記錄見圖3、圖4.圖中，k1 , k2 分別表示測頭從零位運動到最大位移量和從最大位移量運動回零位測頭的靈敏度。
標定公式如下：
式中： U為測頭電路系統輸出電壓值，V; k為測頭靈敏度，mV /mm; S 為測頭位移量，mm; b為零位電壓值偏移量，mV。
圖3 左齒面測量數據曲線
圖4 右齒面測量數據曲線
由標定記錄可得到：
1） 測頭的靈敏度
左齒面： - 010186 mV /mm;
右齒面： 010183 mV /mm.
2） 測頭位移量線性測量范圍
左齒面： 312~51112μm;
右齒面： 411~50717μm.
3） 零位電壓值偏移量
左齒面： 41412 mV;
右齒面： 51027 mV.
實驗數據表明測頭電路系統測量精度較高，線性測量線性范圍大（ ±500 μm） , 滿足891EA齒輪測量中心的測量需求。
4 結論
該電路系統可將測頭所檢測的細微位移量經過一系列信號調整及濾波、放大，轉換為相應的直流電壓信號。經過測頭標定試驗驗證，證明該系統測量精度高、線性測量范圍大、測量安全性能好，滿足891EA齒輪測量中心的測量要求。
