楊 江 呂寵吾

(中國地震局地震研究所,武漢 430071)

基于 AD598的伸縮儀放大電路設計＊

楊 江 呂寵吾

(中國地震局地震研究所,武漢 430071)

伸縮儀多用于地殼形變觀測,但其在工程中亦有較大的應用前景。現(xiàn)用的放大電路精度高但電路復雜、成本過高,造成其工程應用方面的局限性。介紹基于單片式線位移差動變壓器 (LVDT)信號調(diào)節(jié)器 AD598設計的全新伸縮儀放大電路,作為伸縮儀放大電路的補充,體現(xiàn)了其在工程應用中簡單可靠、成本低的優(yōu)勢。

伸縮儀;形變觀測;LVDT;AD598;放大電路

1 引言

“九五”以來,伸縮儀一直采用差動變壓器作為其數(shù)據(jù)傳感器來進行地殼形變觀測,但其在工程測量如大壩、斷層等方面亦有較廣闊的應用前景?，F(xiàn)有的傳感器放大電路精度高但電路復雜、成本過高,不適用于工程測量。設計一種靈敏度稍低、穩(wěn)定可靠的放大電路有較強的實際意義。本文介紹基于LVDT信號調(diào)節(jié)器 AD598設計的全新的放大電路,其結(jié)構(gòu)簡單、集成度高[1],通過測試驗證了其十分適用于伸縮儀工程測量,拓展了伸縮儀未來的發(fā)展方向。

2 AD598簡介

AD598是一種完整的單片式線位移差動變壓器(LVDT)信號調(diào)節(jié)器。AD598與LVDT配合,能夠?qū)VDT的機械位置轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓[2]。其功能框圖如圖 1所示。

AD598內(nèi)部系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

其中,VA和 VB是差動變壓器 LVDT次級輸出的電壓,IREF是芯片內(nèi)部的參考電流,在設計中,常用的參考電流 IREF=500μA,RSCALE為芯片應用過程中外接的比例電阻[3]。

圖1 AD598功能框圖Fig.1 Functional block diagram ofAD598

3 放大電路設計原則[4]

電路設計原理如圖 2所示。選擇正負 15 V雙電源供電,保證其電源抑制比。元器件選取原則如下：

圖2 電路原理圖Fig.2 Circuit principle diagram

1)在雙供電電源和地之間采用了 6.8μF的電解電容和 0.1μF陶瓷電容。電解電容用于減小輸出脈動和低頻干擾;陶瓷電容和芯片構(gòu)成去耦旁路,濾除高頻噪聲。

2)電阻 R1用于決定 LVDT最佳激勵電壓 VEXC的值。

3)電容 C1用于確定激磁電壓頻率 fEXC的值。根據(jù)內(nèi)部電路的設計可知 fEXC=35μF Hz/C1,此時C1=35μF Hz/fEXC。

4)電容 C2、C3和 C4用于確定 AD598位置測量系統(tǒng)所要求的頻帶寬度。根據(jù)系統(tǒng)的要求,電容C2、C3、C4的標稱值為 C2=C3=C4=10-4FHz/fSYS。

4 放大電路器件參數(shù)的確定[5]

在實驗中,根據(jù)上述電容和電阻的不同用途,初步確定電容 C1、C2、C3、C4選用聚乙酯電容或者陶瓷電容,電阻 R2、R3、R4選用標準 1%電阻。

1)首先要確定LVDT位置測量系統(tǒng)所要求的機械頻帶 fSYS。本次實驗于常溫下在實驗工作臺上進行,采用固定底座和固定端搭建,省略了系統(tǒng)的基線部分,整套系統(tǒng)放置于平穩(wěn)的銅板上面。底座和固定端采用精加工,步進電機采用常州微特電機總廠生產(chǎn)的 45BC340C型三相步進電機,它的指標如下：額定電壓：12V,額定電流：0.4A,步距角：1.5°/3°,保持轉(zhuǎn)距：0.118 Nm?？紤]到整個系統(tǒng)的構(gòu)成及工作環(huán)境,初步確定機械頻帶 fSYS=250 Hz。

2)選擇 LVDT的最低激磁頻率 fEXC。一般選擇機械頻帶 fSYS的 10倍頻作為激磁頻率,即 fEXC=10 fSYS。實驗中 LVDT激磁頻率 fEXC=250 Hz×10=2. 5 kHz。

3)確定LVDT次級電壓VA和VB之和。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品說明按照典型驅(qū)動水平 VPRI激勵LVDT,將鐵心移動到中心位置時,理論上 VA=VB。實際上VA≠VB,存在一定誤差。測量 VA、VB的電壓,并且計算 VA與 VB的和。對于本次試驗所用WY-0.5,VA+VB=2.70 V,根據(jù)這個結(jié)果就可以確定AD598的輸出電壓。

4)確定 LVDT激磁電壓的最佳值 VEXC。在LVDT加上激磁電壓 VPRI后,將鐵心移動到機械的滿量程位置,并且測出次級的最大輸出電壓 VSEC。然后計算LVDT的電壓變比VTR：

對于WY-0.5,VSEC=1.71 V,VPRI=3V,則可以得到 VTR=VPRI/VSEC=1.75。選取 VSEC=3 V,這樣就確定了LVDT的激磁電壓的最佳值VEXC：

進一步校驗電源電壓,并且要求電壓 VA和 VB的峰值電壓至少要比電源電壓 +Vs和 -Vs分別小2.5V。

5)根據(jù)AD598廠商指標選擇決定放大器輸出電壓幅值的電阻 R1。

如圖 3所示,由VEXC=5.25 V,選 R1=6。

6)選擇確定激磁電壓頻率的電容 C1：

C1=35μFHz/fEXC=35μFHz/2.5 KHz=1.4× 10-2μF

圖3 激勵電壓電阻對應關(guān)系Fig.3 Corresponding relation between driving voltage and resistor

7)電容 C2、C3和 C4是 AD598位置測量系統(tǒng)所要求的頻帶寬度函數(shù),其標稱值應為：C2=C3=C4= 10-4FHz/fSYS。

因為要求的系統(tǒng)帶寬 fSYS=250 Hz,則

C2=C3=C4=10-4FHz/250 Hz=0.4μF

8)為了計算確定 AD598增益和滿量程輸出電壓范圍的電阻 R2,應首先知道下列幾個參數(shù)：

①LVDT的靈敏度S。

②LVDT的磁芯從零位到滿量程的位移 d。

③制造商所推薦的初級線圈驅(qū)動電壓 VPRI,對(VA+VB)的比值滿量程鐵心移動 d時,AD598的輸出電壓按下式計算：

式中,VA、VB、VOUT的單位為V,d單位為 mm,R2單位為Ω。

則：

通過估算及合理取值,將采用阻值為 604 kΩ的1%精度的電阻來搭建電路。

9)選取 R3和 R4后,可確定正或負的輸出失調(diào)電壓調(diào)整范圍。

實驗中根據(jù)輸出失調(diào)電壓范圍計算電阻 R3和R4的阻值。

我們要求設計電路能夠產(chǎn)生0～10 V(±5V)的輸出失調(diào)電壓調(diào)整范圍時,鐵心移動 ±3 mm,這時可以根據(jù)步驟 9)的公式,將已知參數(shù)代入就能求出R2,再令 R4開路 (R4=∞),則可得

同樣地,令 R3開路 (R3=∞),能夠求出產(chǎn)生 0～-10 V輸出失調(diào)電壓調(diào)整范圍的電阻 R4,

10)考慮到實際的使用條件,各參數(shù)的具體取值如下：

電容 C1、C2均取 0.1μF,電容 C4取 0.34μF,考慮到需要提高整個系統(tǒng)的放大倍數(shù),電阻 R2取604 kΩ,電阻 R3、R4均取 97 kΩ,電阻 R1取 6 kΩ。

5 放大電路測試

放大電路搭建完成以后,需要對整套系統(tǒng)做靈敏度、線性度和噪聲方面的測試。測試平臺 (SS-Y伸縮儀實驗組實驗臺溫度：20℃;傳感器編號：20052007T步進電機[7]：45BC340C型;標定器編號：2004004-1;測距儀器：Math電子長度測量儀;測電壓儀器：4位半萬用表)模擬伸縮儀工作過程,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4所示。

圖4 測試平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of test platform

5.1 靈敏度測試

靈敏度測試過程類似于系統(tǒng)的標定過程,采用大步距法給系統(tǒng)一固定位移量(即為標定器位移常數(shù)),在系統(tǒng)輸出滿足重復性小于 1%的情況下,認為取值有效。

標定器位移常數(shù) c=38.78μm,測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

由表 1可知,重復性為 0.44%,滿足測試要求,系統(tǒng)靈敏度為 16.85 mV/μm。

經(jīng)過 3次測量,重復性分別為 0.44%、0.41%和 0.38%,系統(tǒng)靈敏度分別為 16.85 mV/μm、16.87 mV/μm與 16.86 mV/μm,取平均值得到系統(tǒng)靈敏度為 16.86 mV/μm。

5.2 線性度測試

在傳感器工作范圍內(nèi),取線性度的測試范圍為110μm。為了反應測試過程的連續(xù)性,同時檢測傳感器在零位附近是否存在盲區(qū)將采用小步距方式測試,電壓零值附近將采用 0.1μm為步距,其余的地方采用 1μm為步距進行測試。測試數(shù)據(jù)如表 2所示。

分別作 1μm和 0.1μm步距電壓-距離圖如圖 5和圖6。

表 1 AD598電路系統(tǒng)靈敏度測試數(shù)據(jù)Tab.1 Tested data of sensitivity of AD598 circuit

表 2 AD598電路系統(tǒng)線性度測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of linearity of AD598 circuit

圖5 1μm步距電壓-距離圖Fig.5 Voltage-distance diagram with 1μm pace

圖6 0.1μm步距電壓-距離圖Fig.6 Voltage-distance diagram with 0.1μm pace

通過數(shù)據(jù)處理軟件,AD598電路系統(tǒng)的線性度計算結(jié)果如圖7所示。

從計算的結(jié)果可以看出,AD598電路系統(tǒng)的線性度為 0.44%,靈敏度為 16.866,與靈敏度測試結(jié)果相吻合。

圖7 AD598電路系統(tǒng)線性度計算結(jié)果Fig.7 Linearity calculation results of circuit ofAD598

5.3 噪聲測試

用同一平臺,在傳感器輸出基本穩(wěn)定以后開始記錄,記錄時間從 0時到早上 7時共 7個小時,記錄結(jié)果如圖8所示。

取 0時到 1時共 1個小時數(shù)據(jù)做擬合曲線如圖9所示。

圖 8 噪聲測試(7小時數(shù)據(jù))Fig.8 The noise test(7 hour data)

圖 9 噪聲測試(1小時數(shù)據(jù))Fig.9 The noise test(1 hour data)

由于溫度等外界環(huán)境的影響,測試過程一直在漂移,做擬合曲線取最大差值約為 4.5。數(shù)采格值為 6.332 5×10-10/mV,則系統(tǒng)最大噪聲約為 0.711 mV,滿足系統(tǒng)測試要求。

5.4 測試結(jié)論

由于AD598電路系統(tǒng)電阻 R2選擇的局限性,整個系統(tǒng)靈敏度為 16.86 mV/μm,系統(tǒng)線性度為 0. 44%,低于系統(tǒng)要求的 1%,系統(tǒng)噪聲為 0.711 mv,在測量要求的范圍以內(nèi)。整套系統(tǒng)完全滿足伸縮儀在工程測量中的要求。

6 結(jié)論

主要介紹了AD598芯片在 SS-Y伸縮儀中的應用。包括電路的設計,電路中各個器件參數(shù)的選擇,以及利用實驗平臺進行整套系統(tǒng)的靈敏度、線性度和噪聲方面的測試。

測試結(jié)果表明,基于AD598搭建的伸縮儀系統(tǒng)在各方面指標上均能夠滿足其在工程方面的應用,為伸縮儀未來的發(fā)展方向做了必要的補充。

1 Analog Devices Inc.LVDT signal conditional AD598[S]. 2002.

2 AnalogDevices Inc.Design in reference manual[S].1994.

3 Analog Devices Inc.Data sheet,LVDT signal conditioner AD598[S].1994.

4 張務謙.線性可調(diào)差分變換器接口芯片 AD598[J].電子技術(shù)應用,1998,24(6)：54-55.

5 賈靜科.基于AD598的差動變壓器式位移傳感器[J].傳感器世界,2000,6(9)：21-23.

DESIGN OF AMPL IFIER CIRCUIT OF EXTENSOMETER BASED ON AD598

Yang Jiang and Lu Chongwu
(Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071)

Extensometer has been used in crustal defor mation observation formany years,but it still has a good prospect of application in engineering.Although the present amplifier circuit has high precision,it has the limitations in engineering applications because of its high cost and circuit complex.A new design of amplifier circuit usingLinearVariable Differential Transformer-AD598 is introduced,which hasmany advantages,such as simplicity, reliablity and low cost in engineering application.

extensometer;defor mation observation;Linear Variable Differential Transformer(LVDT);AD598; amplifier circuit

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0179-05

2009-11-12

中國地震局地震研究所所長基金(6083)

楊江,男,碩士,工程師,從事形變觀測技術(shù)的研究.E-mail：meblor@gmail.com

TH76.3

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