LVDT位移传感器电压电流转换电路的设计*

柏受军，王 鸣，郎 朗，赵 发

(安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室，安徽芜湖241000)

0 引言

位移是表征生产过程的一种重要工况参数，能够测量位移量的传感器种类很多，常用的有应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器等［1］，其中，线性可变差动变压器(linear variable differential transformer，LVDT)式位移传感器是电感式位移传感器常见的一种结构形式。这种传感器结构简单、测量线性范围大、测量电路可靠、具有较高的分辨力和灵敏度以及较低的价格等优点，在许多行业的位移测量系统中得以广泛应用［2］。为了使LVDT传感器输出信号能够进行远距离传输，需要将其配套的信号调理电路中滤波放大后的电压信号转换成电流信号，因为采用电流传输信号具有抗干扰能力强和不受传输电缆电阻影响的优点。根据国际电工委员会标准IEC 60381—1的规定，用于传输的模拟电流信号标准是4～20 mA。因此，设计出高性能的V/I转换电路，对于提高传感器的性能，完成信号的精确远距离传输有着重要的意义。

1 LVDT位移传感器原理

差动变压器的结构形式有变隙式与螺管式2种形式，其中变隙式差动变压器由于行程小，结构复杂，应用较少。本文使用的是螺管式交流位移传感器，其结构示意图如图1(a)所示。初级线圈平绕在圆形骨架上，次级线圈采用台阶式绕法，以改善传感器线性度，铁芯在骨架里无接触地移动。如果忽略线圈的寄生电容与铁芯损耗，那么，差动变压器的等效电路为如图1(b)所示。图中e1为初级线圈激励电压，L1，R1为初级线圈电感和电阻;M1，M2分别为初级和二次级线圈间的互感;L21，L22，R21，R22分别为二次线圈电感和电阻。根据变压器原理，在一定的行程范围内，初级线圈加上适当的激励，次级线圈就会产生输出，通过信号调理电路，传感器的输出不但正比于铁芯位移，而且还能反映铁芯的移动方向［3］。

图1 差动变压器式位移传感器Fig 1 Displacement sensor based on LVDT

图1(c)是某LVDT位移传感器的调理电路功能框图，其中V/I电路就是将放大滤波电路输出的电压信号转换成4～20 mA的电流信号。简单V/I转换电路可以利用双极型或场效应晶体管构成，这类电路受器件参数分散性影响严重。也有基于运算放大器构成的V/I转换电路，这类电路凭借运算放大器的高开环增益指标实现深负反馈，从而获得优良的直流精度和输出阻抗，但无法输出无偏置电流［4］。鉴于上述V/I转换电路缺陷，设计出一种以Howland电流泵电路为基础的0～5 V到4～20 mA的V/I转换电路，电路仿真和实验结果表明该电路性能可以满足传感器设计要求，并已用于实际产品中。

2 电路设计

2.1 Howland 电路

Howland电流泵电路是一种适用于接地负载的V/I转换器，其原理图如图2所示。

图2 Howland电流泵Fig 2 Howland current pump

该电路是由一个具有串联电阻R1的输入源V1和一个合成的接地电阻所组成，其中电阻R1和负载之间的合成接地电阻Req的值计算如下

式中 IA为流进A点的电流，VA为A点的电位。令等效电阻 Req=VA/IA，根据式(1)得

根据式(2)可知此等效电阻为负阻转换器，其目的是平衡R1，以便使从负载看过去总输出电阻R0为无穷大。根据图2的等效电路得

当这个条件满足时，电路输出就与负载上的电压无关，其输入输出关系为

从图2的电路结构可以看出:Howland电路既包含有一个负的反馈通道，又包含一个正的反馈通道，其中正反馈系数 βP和负反馈系数 βN分别为［5］

式中 RL为负载。将平衡电桥等式(4)代式(6)和式(7)，正负反馈系数的形式可写成

很显然，只要电路接在某个有限负载RL＜∞上，就有βN＞βP，这表明负反馈一定占优势，因此，可以得到一个稳定的电路。

但在实际电路中由于电阻值的允许误差，电阻电桥很可能是不平衡的，这就必然会降低R0的品质，而Io的输出就有一定的非线性。

2.2 0～5 V 到4～20 mA 转换电路

某LVDT位移传感器调理电路中滤波放大环节输出为0～5 V的电压信号，为了将其转换成4～20 mA的电流信号，设计了在Howland电路的基础上改进的V/I转换电路，其原理图如图3所示。

图中，U3，U4构成的电压跟随器，主要是使反馈回路与输出阻抗隔离，以改善输出电阻的品质。设U2的异名端和同名端的输入分别为V1，V2，U2的输出为Vo1，则

实验组内共有2例患者出现不良问题,占该组总人数的8.00%;对照组内共有9例患者出现不良问题,占该组总人数的36.00%。两组患者的不良问题发生比较差异显著,其中X2=5.71,P=0.02<0.05,有统计学意义,详见表1.

式中 VP为U2的同名端电位。由运算放大器U2“虚断”，得

图3 0～5 V到4～20 mA转换电路Fig 3 0～5 V to 4～20 mA change-over circuit

即

将VP的值代入式(10)，得

由于反馈回路中的电压跟随器作用，有

将式(12)代入上式，得

为使Ro=∞，则电阻电桥平衡条件是

将电阻电桥平衡条件即式(14)代入式(13)，得

由于图3所示电路中V2=0 V，则

为实现将0～5 V转换成4～20 mA，根据式(14)的电阻电桥平衡条件，令

同理，当Vi=5 V 时，I0=20 mA，得，所以

取R8=2 kΩ，联立式(17)和式(18)求出 R6=60 kΩ，R7=6.25 kΩ。

3 电路仿真和实验结果

根据上面设计的元件参数值，运算放大器选用普通的四运放LM324，用OrCAD/Pspice软件搭建仿真用电路，对Vi进行0～6 V直流扫描，则Io的输出仿真曲线为一直线。经测量当Vi=0 V，Io输出有个较小偏差，通过对R6进行参数扫描仿真，得到R6=60.1 kΩ时，Io=4 mA。表1就是对仿真曲线测量后得到的输入和输出对应值。

表1 电路测试结果Tab 1 Circuit test results

根据仿真测试结果，设计电路的线性度可以达到±0.017%，能够满足大多数传感器线性度的要求。

为了验证该电路对整个传感器调理电路温度漂移影响程度，对电路进行了温度漂移的测试。将该电路置于烘箱中，测试的负载电阻为250Ω，表2是电路温度测试结果，从表中可以得到，使用设计的V/I转换电路该位移传感器的热灵敏度漂移为1.9×10－5/℃。

表2 温度漂移测试结果Tab 2 Measurement results of temperature shift

4 结论

基于Howland电路的0～5V到4～20mA V/I转换电路，具有良好的性线度和热稳定性，从电路的仿真和实验结果来看，能够满足传感器电流输出的要求，并已经成功应用在某LVDT位移传感器调理电路中。

［1］孙圣和.现代传感器发展方向［J］.电子测量与仪器学报，2009，23(1):1－2.

［2］尹成竹，柏受军，黄 平，等.一种基于AD598的精密位移传感器的研制［J］.传感器与微系统，2007，26(2):68－70.

［3］严钟豪，谭祖根.非电量电测技术［M］2版.北京:机械工业出版社，1999:74－83.

［4］邢维巍，樊尚春，蔡晨光.低噪声无偏置电压—电流变换器［J］.传感技术学报，2007，20(10):2337－2341.

［5］赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计［M］.3版.刘树棠，朱茂林，荣 玫，译.西安:西安交通大学出版社，2004:56－60.