李磊 王震 尹相一

摘 要：差動(dòng)變壓器式位移傳感器在測(cè)量小位移量時(shí)有著許多的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)差動(dòng)變壓器式位移傳感器和所使用的信號(hào)調(diào)理器的工作原理作了簡(jiǎn)單的分析介紹，，配合使用AD698芯片搭建位移測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)化差動(dòng)變壓器傳感器位移測(cè)量對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的干擾，減少對(duì)轉(zhuǎn)子控制的影響，進(jìn)一步達(dá)到磁懸浮軸承測(cè)量的精準(zhǔn)化。[1]

引 言

差動(dòng)變壓器式傳感器是在傳統(tǒng)傳感器上改進(jìn)，利用物體在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量推動(dòng)電壓產(chǎn)生的變化而求出所求量的物理實(shí)驗(yàn)器材，即將各個(gè)物理量變換為電量的變化。它廣泛的應(yīng)用于各種物理量的測(cè)量，如伸長(zhǎng)、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)、物體的厚度等。在小位移量的測(cè)量中有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電路簡(jiǎn)易可靠、測(cè)量線性范圍大、重復(fù)性好且線性度高、有較高的靈敏度和分辨力、價(jià)格便宜等，此外傳感器內(nèi)部沒(méi)有活動(dòng)觸點(diǎn)，可靠性很高，使用壽命長(zhǎng)。

本文采用軟件系統(tǒng)完成測(cè)量系統(tǒng)的智能化非線性校正模塊。實(shí)現(xiàn)智能化非線性校正的編程方法有很多種，如查表法、曲線擬合法、支持向量機(jī)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，本文考慮到測(cè)量系統(tǒng)的處理器性能的約束以及實(shí)現(xiàn)成本，采用曲線擬合法實(shí)現(xiàn)智能非線性校正。[2]

1、智能化非線性校正模塊

1.1原理介紹

通過(guò)軟件編程來(lái)進(jìn)行非線性校正，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。

傳感器及其調(diào)理電路的輸入輸出特性（x-u）稱為正模型：（1）

逆模型就是正模型的反非線性特性：（2）

式中x為系統(tǒng)的被測(cè)輸入量；u為傳感器及其調(diào)理電路的輸出量，也是存放在處理器中非線性校正器模塊的輸入；y=x是非線性校正器模塊的輸出，也是加入智能模塊后的系統(tǒng)總輸出。系統(tǒng)框圖如圖1所示。[3]

1.2曲線擬合法實(shí)現(xiàn)方法介紹

曲線擬合法采用n次多項(xiàng)式來(lái)逼近反非線性特性方程，多項(xiàng)式方程的系數(shù)由最小二乘法來(lái)確定，步驟如下：

（1）進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，得到校準(zhǔn)曲線。

（2）設(shè)反曲線特性擬合方程

（3）利用最小二乘法來(lái)確定a0、a1、a2、a3的數(shù)值的基本思想是：步驟（2）確定的各個(gè)xi（vi）值，與各個(gè)標(biāo)定值xi的均方差要最小。

2、搭建測(cè)量系統(tǒng)

2.1AD698芯片原理介紹

AD698是一款十分完整的LVDT信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)。能夠以較高的可重復(fù)性和精度將原始LVDT的副邊輸出轉(zhuǎn)換成比例直流電壓。AD698芯片內(nèi)部由激勵(lì)源、同步比率解調(diào)以及濾波放大輸出三個(gè)模塊組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

激勵(lì)源由電壓參考、振蕩器、放大器構(gòu)成，為外接的LVDT傳感器初級(jí)繞阻線圈提供驅(qū)動(dòng)功率。同步解調(diào)模塊由2個(gè)相互獨(dú)立、性能相同的調(diào)幅波同步解調(diào)通道A、B以及占空比除法器組成。濾波器除了濾除激勵(lì)源和高頻噪聲的干擾以外，還將信號(hào)平滑為直流輸出。放大器是一個(gè)電流放大器，占空比除法器輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)先被轉(zhuǎn)換為參考電流調(diào)制信號(hào)i，i與脈沖波的占空比成正比，即：

i=Iref·A/B（3）

式中Iref=500μA，是標(biāo)定值為500μA的參考電流。

VOUT=i·R·A/B·R2（4）

AD698輸出電壓VOUT與比值A(chǔ)/B成正比，也就是與被測(cè)信號(hào)（位移量）成正比，比例系數(shù)可通過(guò)外接電阻R2來(lái)設(shè)置。[4]

2.2LVDT傳感器側(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

LVDT與AD698配套使用，能夠十分精確地將LVDT的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。LVDT可用多種方式配接AD698：變壓器次級(jí)繞組線圈反向串聯(lián)、半橋式接法以及全橋式接法。本文采用的是第一種反向串聯(lián)的接法。[5]

3、智能化非線性校正結(jié)果演示

（1）在之前的測(cè)量數(shù)據(jù)中，選取適當(dāng)?shù)臉?biāo)定點(diǎn)

（2）建立逆模型表達(dá)公式：X=a0+a1·V+a2·V2+a3·V3（5）

（3）求系數(shù)：a0=5.182663，a1=0.354056，a2=-5.821352×10-4，a3=3.12917×10-4。計(jì)算上述常系數(shù)值的式（5）的編程算式在本實(shí)驗(yàn)中存入智能化非線性校正模塊中實(shí)現(xiàn)。

（4）逆模型檢驗(yàn)。向逆模型中輸入電壓V，比較實(shí)驗(yàn)值的位移量X與逆模型計(jì)算值X'，其偏差Δ=|X-X'|。[6]

（5）線性度改善情況分析。

與改善前的相比，系統(tǒng)的線性度得到了明顯的提升。

4、結(jié)論

LVDT配合AD698搭建的測(cè)量系統(tǒng)，加入智能化非線性校正模塊，更進(jìn)一步提高了測(cè)量系統(tǒng)的線性度，降低了非線性誤差。采用的曲線擬合算法在程序?qū)崿F(xiàn)上靈活簡(jiǎn)便且可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 金超武.差動(dòng)變壓器式傳感器在磁懸浮軸承中的應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué)，2006.

[2] 楊朝英.電感傳感器在磁懸浮軸承系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué)，2005.

[3] 白志峰.磁軸承用位移傳感器的研究[D].山東科技大學(xué)，2005.

[4] 吳堅(jiān).主動(dòng)磁懸浮軸承控制器的研究[D].蘇州大學(xué)，2004.

[5] 鄒海丹，朱熀秋.磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子位移檢測(cè)技術(shù)[J].軸承，2009，04：53-56.

[6] 金婕，朱熀秋.磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子位移自檢測(cè)方法[J].微電機(jī)，2014，09：79-84.