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LVDT电子学第1部分:激励和解调

由比尔施韦尔|2020年9月21日

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LVDT的接口电子设备必须用正弦波激励一次侧绕组,然后解调产生的两个二次侧波形;现代集成电路使这种模拟信号处理相当简单。

此LVDT文章的前两个部分(参考文献)查看了LVDT换能器本身,以及其属性和历史。第二部分看出了LVDT接口电子设备的同样重要的主题,这使得这种简单,准确,可靠的传感器变成了可行,实用和广泛使用的线性位置指示器。

问:LVDT是否需要刺激?

A:是的。与产生电压的热电偶或压电传感器不同,LVDT是一种完全由绕线线圈组成的无源传感器。与任何变压器一样,它需要初级绕组交流励磁来产生响应。

问:这个激励信号是什么样子的?

答:它几乎总是一个低失真,恒幅正弦波,通常在1千赫和20千赫之间。振幅通常在1至24 Vrms之间,所需电流在20至100 mA之间,具体取决于LVDT的特性。经典的Wein桥振荡器结构由于其简单和低失真而经常被使用。更高的电压可以提高信噪比和分辨率,但需要更大的功率和更大的损耗,这是一种常见的折衷方法。交流信号还用于产生相应的方波,用于同步解调的定时。

问:什么是基本的投入产出关系?

次级绕组彼此缠绕出相位。当核心居中时,两个辅助绕组中的电压相互彼此相对,并且净输出电压为零。当磁芯从其中心“中性”位置移动时,磁芯移动的次级绕组中的电压增加,而另一个绕组的电压降低。结果是具有核心位置偏移的线性的差分电压输出。

问:有什么相关问题?

答:两个次级绕组之间存在不可避免的轻微不匹配以及漏电感。由于卷绕不对称,核心以核心为中心时,不会发生完美的“真实空”。这些错误相对较小,许多用户可以忽略它们,但可以在很大程度上修剪或校准它们。

问:如何使输出信号有用?

答:采用同步解调——一种早已确立的解调方法,图1. 这涉及使二次侧输出根据与一次侧激励的相位的关系进行解调。

图1:位置信号的解调需要查看两个输出振幅和相位之间的差异(图片:模拟设备)

问:解调是如何完成的?

答:解调器的功能是采用换能器的交流输出并将其转换为与位移成比例的有用直流电压,图2. 在基本信号调节电路中,二次输出的两个输出电压的绝对值相减。利用这项技术,可以测量中心位置的正负变化。

图2:基本LVDT模拟接口需要驾驶员进行激励和模拟信号处理;只有在需要数字输出时,才会添加缓冲放大器和右侧的A / D转换器(图像:模拟设备)。

问:波形的样子是什么样的,需要什么过滤?

答:输出通过一个低通滤波器供电,低通滤波器去除了大部分交流分量,留下了稳定的直流电压,图3. 该滤波器通常还包括用于设置粗零、精零和精增益的电路,并且还具有连接以便可以改变滤波器特性。

图3:解调信号需要基本的低通滤波,以消除任何不可避免的纹波在两倍的激励频率(图片:欧米茄工程)

问:有哪些错误来源?

答:在测量绝对电压值时,由于偏移,漂移和测量值,始终存在错误。因此,几乎所有LVDT电路都使用比率设计,用于通过在理论轨道之间使用比率来消除绝对误差的常见和长效的技术,这在很大程度上可以消除错误。惠斯通桥是经典的辐射方法。

问:什么部分的LVDT接口电路受益于比例电路?

答:有三个地方可以利用这种众所周知的方法(图4):

  1. 主波形发生器和辅助信号调节器之间;
  2. 在两个次级线圈输出之间;
  3. 在电源和信号输出部分。

图4:在接口的三个关键区域使用比率电路而不是绝对值电路消除了由于漂移、公差和其他现实因素而产生的许多误差源(图片:德州仪器)

在测量LVDT信号时,使用比率接近消除由于激励电压而导致的变化,并且还补偿并消除LVDT的漂移和其他方差。虽然这样的方法比非比率设计有些更复杂,但优点是显着的,而他们的电路之间的差异现在几乎与现代ICS几乎微不足道(预IC和预晶体管前的情况下不是这种情况基于矩的欧元)。

本FAQ的第二部分也是最后一部分将介绍一些标准LVDT接口IC和实现。

EE世界参考

LVDT位置传感器,第1部分:基础知识和原则
LVDT位置传感器,第2部分:特点
试验环-自重校准的替代品,第2部分
微型LVDT位置传感器在恶劣的高压环境中工作
微型LVDT传感器在紧凑的空间中提供精确的位置/路径测量
核电站抗辐射LVDT线性位置传感器设计
LVDT位置传感器在机器人应用中提供反馈
高压和海水抗位置传感器
极端高温位置传感器

外部参照

“传感器Wiki”线性可变差动变压器”
维基百科线性可变差动变压器”
TE Con​​nectivity,“LVDT教程”
欧米茄工程公司什么是LVDT?”
H.G.Schaevitz LLC/联盟传感器集团LVDT位置传感器产品”
模拟设备线性可变差压变压器”
模拟设备两个新的LVDT接口IC提供模拟或数字输出的选择”
模拟设备采用直接RMS到DC转换的精密LVDT信号调节”
模拟设备同步解调低功耗LVDT信号调理器”
模拟设备AD698通用LVDT信号调节器”
模拟设备CN0288 LVDT信号调节电路”
德州仪器公司LVDT传感器信号调节的上下文中的比率测量”
德州仪器公司PGA970使用LVDT应用程序的用例“
德州仪器公司PGA970 LVDT传感器信号调节器”


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