??? 摘? 要： 針對(duì)主動(dòng)磁軸承系統(tǒng)中電感位移傳感器的高靈敏度設(shè)計(jì)要求，在對(duì)AD698芯片的輸入輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上，對(duì)AD698的典型應(yīng)用電路加以改進(jìn)，提出了一種基于AD698的半橋式電感位移傳感器高靈敏度測(cè)量電路設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)證明，相對(duì)于AD698的典型應(yīng)用電路，這種方案能夠顯著地提高電路的靈敏度，并且輸出電壓的噪聲沒(méi)有明顯增大。?

??? 關(guān)鍵詞： AD698;? 電感位移傳感器;? 靈敏度

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??? 電感位移傳感器具有靈敏度及分辨力高、線性度好、工作可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，作為一種精密的位移檢測(cè)部件在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在位置自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中，通常采用微機(jī)或DSP來(lái)處理位移信號(hào)并進(jìn)行控制，這就要設(shè)計(jì)與傳感器配套的信號(hào)變送電路，將電感式位移傳感器輸出的交變信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c位移成正比的直流信號(hào)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后輸入微機(jī)或DSP中。?

??? AD698是一種完整的單片式線位移差動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。AD698提供了用單片電路來(lái)調(diào)理線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)信號(hào)的完整解決方案，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。其主要功能模塊如圖1所示。

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??? 目前國(guó)內(nèi)已有文章詳細(xì)介紹了AD698在LVDT傳感器信號(hào)處理電路中的典型應(yīng)用方法以及相關(guān)參數(shù)的確定方法^[2]，在油田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的井徑測(cè)量^[3-4]、汽車軸圓度自動(dòng)檢測(cè)和軸承的內(nèi)外圓檢測(cè)^[5]、圓柱體直徑測(cè)量^[6]、三余度舵機(jī)作動(dòng)器的位置檢測(cè)^[7]等測(cè)量系統(tǒng)中基于AD698的信號(hào)處理電路均得到應(yīng)用并得到良好結(jié)果。以上所有基于AD698的信號(hào)處理電路均沿用了AD698芯片手冊(cè)中介紹的典型應(yīng)用電路。?

??? 本文介紹了磁軸承系統(tǒng)中基于AD698的半橋式電感位移傳感器信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中所遇到的問(wèn)題——工作在變面積方式下的軸向電感位移傳感器的靈敏度偏低，在研究了AD698輸入輸出特性的基礎(chǔ)上，提出了提高傳感器信號(hào)處理電路靈敏度的方法并給出具體的電路設(shè)計(jì)方案。?

1 基于AD698的半橋式電感位移傳感器信號(hào)處理電路

??? 半橋式電感位移傳感器按工作方式可以分為變間隙式、變面積式和螺管式，不管采用何種工作方式，其基本原理均可表述為兩個(gè)線圈安裝成差動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)，使得線圈的電感量L與機(jī)械位移量Δx之間滿足式(1)：?

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式(1)中,忽略了高階小量，S為線圈電感L相對(duì)位移Δx的靈敏度。工作于不同工作方式下的電感位移傳感器有不同的L₀和靈敏度S。?

??? 將這兩個(gè)線圈串聯(lián)后加以一定幅度的正弦激勵(lì)，則兩線圈上的交流電壓幅值滿足：?

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??? 對(duì)于半橋式電感位移傳感器，AD698芯片手冊(cè)中列出的典型電路如圖2所示。?

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??? 圖3是磁軸承系統(tǒng)中電感式徑向位移傳感器和電感式軸向位移傳感器實(shí)物圖，徑向位移傳感器工作方式為變間隙式，軸向位移傳感器工作方式為變面積式，兩種傳感器采用一體化設(shè)計(jì)，線圈、鐵芯參數(shù)均相同，并共用一塊后級(jí)處理電路。傳感器后級(jí)處理電路使用AD698芯片，采用AD698芯片手冊(cè)中列出的典型電路方案（如圖2所示）。?

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??? 理論推導(dǎo)可得兩傳感器的電感靈敏度之比為：?

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式中，δ為氣隙寬度，b為線圈鐵芯截面長(zhǎng)度。?

??? 實(shí)際δ為0.5mm左右，b為7.7mm，可見(jiàn)徑向位移傳感器靈敏度為軸向位移傳感器的15.4倍左右。實(shí)測(cè)徑向位移傳感器靈敏度為26.15V/mm，軸向位移傳感器靈敏度為2.28V/mm，輸出電壓噪聲在20mV內(nèi)。可見(jiàn)，軸向傳感器靈敏度偏低，有待提高。?

實(shí)際傳感器的物理結(jié)構(gòu)不易改變，此時(shí)可以通過(guò)改進(jìn)傳感器信號(hào)處理電路來(lái)提高傳感器的靈敏度。?

2 AD698的輸入輸出特性測(cè)量?

??? 要提高基于AD698的測(cè)量電路的靈敏度，就必須摸清AD698的輸入輸出特性。AD698芯片手冊(cè)中對(duì)此并未作詳細(xì)說(shuō)明，為此對(duì)AD698輸出電壓與A、B通道輸入信號(hào)電壓的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中AD698采用±15V供電，激勵(lì)電壓V_exc=2.92Vrms，激勵(lì)電壓頻率f=19.87kHz，決定輸入輸出靈敏度的反饋電阻R2取值為51.1kΩ, 實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示。?

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??? 由圖4可看出，在±15V供電、R2=51.1kΩ情況下，AD698有如下幾點(diǎn)輸入輸出特性：?

??? (1) 輸入量A/B：A/B的有效范圍為[-1，1]，超出此范圍時(shí)輸出電壓無(wú)測(cè)量意義。?

??? (2) 輸出量Vout：Vout的有效范圍為[-13.5V，13.5V]，超出此范圍時(shí)無(wú)測(cè)量意義。?

??? (3) 偏置電壓Vos：Vos起到平移Vout-A/B測(cè)量曲線的作用，但是當(dāng)Vos超過(guò)其有效范圍時(shí)，測(cè)量曲線線性段會(huì)縮小，失去平移的意義。Vos的有效范圍大小與反饋電阻R2的取值有關(guān)，在本例中，Vos的有效范圍為[-12V，12V]。?

??? 當(dāng)偏置電壓Vos處于有效范圍[-12V，12V]內(nèi)時(shí)，Vout與A/B在一定范圍內(nèi)滿足線性關(guān)系：?

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??? 以上結(jié)論得自實(shí)際測(cè)量結(jié)果。而在AD698芯片手冊(cè)中，AD698輸入量A/B的限制范圍是[0.1，0.9]，輸出量Vout的限制范圍是[-11V，11V]。對(duì)比可知芯片手冊(cè)中的數(shù)據(jù)有所保留。這對(duì)于AD698在其他場(chǎng)合下的應(yīng)用亦有參考意義。?

3 高靈敏度測(cè)量電路設(shè)計(jì)方案及其應(yīng)用結(jié)果?

??? 對(duì)于采用AD698的后級(jí)處理電路而言，要提高其靈敏度有三種方法：對(duì)AD698的輸出信號(hào)或AD698的A通道輸入信號(hào)進(jìn)行放大以及對(duì)AD698的B通道輸入信號(hào)進(jìn)行縮小。?

??? (1) 對(duì)AD698的輸出信號(hào)進(jìn)行放大。實(shí)驗(yàn)表明，AD698靜態(tài)輸入情況下輸出信號(hào)的噪聲電壓在10～20mV左右，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)噪聲信號(hào)也被放大，即使采用儀表放大器對(duì)輸出端和地線間的電壓信號(hào)加以放大仍然有相當(dāng)大噪聲存在。可見(jiàn)AD698輸出信號(hào)與地線之間不僅有共模噪聲，還有差模噪聲存在。?

??? (2) 對(duì)AD698的A通道輸入信號(hào)進(jìn)行放大。芯片手冊(cè)中AD698的A通道輸入信號(hào)幅度限制為0V～3.5Vrms，在A通道輸入信號(hào)幅度較大的情況下，對(duì)放大倍數(shù)有一定的限制。?

??? (3) 對(duì)AD698的B通道輸入信號(hào)進(jìn)行縮小。芯片手冊(cè)中AD698的B通道輸入信號(hào)幅度限制為0.1V～3.5Vrms，一般B通道輸入在3Vrms左右，縮小倍數(shù)最大可達(dá)20～30。?

??? 比較以上三種方法，方法2和方法3均可行，但是方法2只在激勵(lì)電壓較小情況下適用，在激勵(lì)電壓較大情況下，只有方法3能得到較好結(jié)果。?

??? 但在應(yīng)用方法3之前，還有一個(gè)問(wèn)題需解決：按照AD698芯片手冊(cè)中列出的半橋式LVDT典型接法（圖2），傳感器在零輸入情況（Δx=0，L₁=L₂）下，有A/B=0.5，假定對(duì)B縮小10倍再輸入AD698，此時(shí)AD698的輸入量A/B=5，遠(yuǎn)大于AD698輸入量的允許范圍[-1，1]。?

??? 解決方法是對(duì)A通道輸入采取如圖5所示的電橋式接法，使得傳感器在零輸入情況下，有L₁=L₂，輸入端Ain+、Ain-電位相等，即A=0、A/B=0，在AD698輸入量的允許范圍內(nèi)。?

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??? 綜上所述，最終提高靈敏度的電路方案如圖5所示（靈敏度的放大倍數(shù)由電阻Rx決定）。?

??? 圖3所示磁軸承系統(tǒng)的徑向軸向一體化電感式位移傳感器中，采用圖5所示的高靈敏度測(cè)量電路設(shè)計(jì)方案后，軸向位移傳感器和徑向位移傳感器可共用一套測(cè)量電路（靈敏度大小可通過(guò)改變Rx阻值來(lái)調(diào)節(jié)），軸向變面積式位移傳感器靈敏度可大大提高。在提高靈敏度的同時(shí)，輸出電壓與位移的線性度仍然良好，并且輸出端電壓噪聲始終控制在30mV內(nèi)。圖6為軸向位移傳感器提高至不同靈敏度下輸出電壓與位移之間的關(guān)系曲線。

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??? 實(shí)驗(yàn)證明，相比于AD698的典型應(yīng)用電路，這種高靈敏度測(cè)量電路設(shè)計(jì)方案能夠顯著地提高工作方式為變面積式的半橋式電感位移傳感器的靈敏度，同時(shí)維持較好的線性度以及噪聲指標(biāo)。對(duì)這種電路設(shè)計(jì)方案稍加改動(dòng)，即可應(yīng)用于其他類型的基于AD698的LVDT傳感器測(cè)量電路中，理論上也能得到同樣好的效果。?

參考文獻(xiàn)?

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