磁轴承用差动变压器式传感器优化设计

李磊 王震 尹相一

摘 要：差动变压器式位移传感器在测量小位移量时有着许多的优点。对差动变压器式位移传感器和所使用的信号调理器的工作原理作了简单的分析介绍，，配合使用AD698芯片搭建位移测量系统优化差动变压器传感器位移测量对转子转速的干扰，减少对转子控制的影响，进一步达到磁悬浮轴承测量的精准化。[1]

引 言

差动变压器式传感器是在传统传感器上改进，利用物体在移动时产生的能量推动电压产生的变化而求出所求量的物理实验器材，即将各个物理量变换为电量的变化。它广泛的应用于各种物理量的测量，如伸长、压力、应变、振动、物体的厚度等。在小位移量的测量中有着诸多优点，如结构简单、电路简易可靠、测量线性范围大、重复性好且线性度高、有较高的灵敏度和分辨力、价格便宜等，此外传感器内部没有活动触点，可靠性很高，使用寿命长。

本文采用软件系统完成测量系统的智能化非线性校正模块。实现智能化非线性校正的编程方法有很多种，如查表法、曲线拟合法、支持向量机法、神经网络法等，本文考虑到测量系统的处理器性能的约束以及实现成本，采用曲线拟合法实现智能非线性校正。[2]

1、智能化非线性校正模块

1.1原理介绍

通过软件编程来进行非线性校正，改善系统的静态特性。

传感器及其调理电路的输入输出特性（x-u）称为正模型：（1）

逆模型就是正模型的反非线性特性：（2）

式中x为系统的被测输入量；u为传感器及其调理电路的输出量，也是存放在处理器中非线性校正器模块的输入；y=x是非线性校正器模块的输出，也是加入智能模块后的系统总输出。系统框图如图1所示。[3]

1.2曲线拟合法实现方法介绍

曲线拟合法采用n次多项式来逼近反非线性特性方程，多项式方程的系数由最小二乘法来确定，步骤如下：

（1）进行试验标定，得到校准曲线。

（2）设反曲线特性拟合方程

（3）利用最小二乘法来确定a0、a1、a2、a3的数值的基本思想是：步骤（2）确定的各个xi（vi）值，与各个标定值xi的均方差要最小。

2、搭建测量系统

2.1AD698芯片原理介绍

AD698是一款十分完整的LVDT信号调理子系统。能够以较高的可重复性和精度将原始LVDT的副边输出转换成比例直流电压。AD698芯片内部由激励源、同步比率解调以及滤波放大输出三个模块组成，结构框图如图2所示。

激励源由电压参考、振荡器、放大器构成，为外接的LVDT传感器初级绕阻线圈提供驱动功率。同步解调模块由2个相互独立、性能相同的调幅波同步解调通道A、B以及占空比除法器组成。滤波器除了滤除激励源和高频噪声的干扰以外，还将信号平滑为直流输出。放大器是一个电流放大器，占空比除法器输出的脉宽调制信号先被转换为参考电流调制信号i，i与脈冲波的占空比成正比，即：

i=Iref·A/B（3）

式中Iref=500μA，是标定值为500μA的参考电流。

VOUT=i·R·A/B·R2（4）

AD698输出电压VOUT与比值A/B成正比，也就是与被测信号（位移量）成正比，比例系数可通过外接电阻R2来设置。[4]

2.2LVDT传感器侧量系统构建

LVDT与AD698配套使用，能够十分精确地将LVDT的机械位移量转换成单极性或双极性的直流电压。LVDT可用多种方式配接AD698：变压器次级绕组线圈反向串联、半桥式接法以及全桥式接法。本文采用的是第一种反向串联的接法。[5]

3、智能化非线性校正结果演示

（1）在之前的测量数据中，选取适当的标定点

（2）建立逆模型表达公式：X=a0+a1·V+a2·V2+a3·V3（5）

（3）求系数：a0=5.182663，a1=0.354056，a2=-5.821352×10-4，a3=3.12917×10-4。计算上述常系数值的式（5）的编程算式在本实验中存入智能化非线性校正模块中实现。

（4）逆模型检验。向逆模型中输入电压V，比较实验值的位移量X与逆模型计算值X'，其偏差Δ=|X-X'|。[6]

（5）线性度改善情况分析。

与改善前的相比，系统的线性度得到了明显的提升。

4、结论

LVDT配合AD698搭建的测量系统，加入智能化非线性校正模块，更进一步提高了测量系统的线性度，降低了非线性误差。采用的曲线拟合算法在程序实现上灵活简便且可靠。

参考文献

[1] 金超武.差动变压器式传感器在磁悬浮轴承中的应用研究[D].南京航空航天大学，2006.

[2] 杨朝英.电感传感器在磁悬浮轴承系统中的应用研究[D].南京航空航天大学，2005.

[3] 白志峰.磁轴承用位移传感器的研究[D].山东科技大学，2005.

[4] 吴坚.主动磁悬浮轴承控制器的研究[D].苏州大学，2004.

[5] 邹海丹，朱熀秋.磁悬浮轴承转子位移检测技术[J].轴承，2009，04：53-56.

[6] 金婕，朱熀秋.磁悬浮轴承转子位移自检测方法[J].微电机，2014，09：79-84.