基于LVDT微位移测量系统及外围电路设计与实现

李慧妍 姜彪 李荣正 戴国银

摘要：针对现有微位移测试系统的诸多不足，设计了一种基于LVDT的微位移测量系统。采用线性差动变压器LVDT作为系统位移敏感元件，通过搭建实验测试平台，对系统进行了一系列的静态测试，并着重对微位移测量系统样机进行了测试分析。实验测试结果表明，系统在量程400内，能够手动进行任意标定，分辨率约为0.1，精度约为2～3，相对误差小于4%，线性度可达0.06%以内，时间稳定性约为0.2/h。

关键词：线性可变差动变压器（LVDT） 微位移测量 线性度

随着科技的发展，微位移测量广泛地应用于农业、医疗、军事和工业等领域。传统的微位移测量系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对测量环境要求较高等问题。为了解决目前在研的微位移测量系统普遍受限于测量精度高、稳定性差和系统操作复杂等问题，本系统从传感器的位移分辨率，可靠性及灵敏度等角度出发，采用线性差动变压器LVDT作为位移敏感元件，设计出了一种基于LVDT的多通道微位移测量系统，并在搭建的实验测试平台上进行了一系列的静态测试。

1 LVDT微位移测量原理

动变压器LVDT（ Linear Variable Differential Transformer）是指线性可变差动变压器，属于直线位移传感器，其模型如图1所示，当正弦波信号（电压、电流I-p、频率f）激励LVDT传感器初级线圈时，在LVDT次级线圈即可得到相应的输出信号，该信号随LVDT感应棒在线圈中的位置变化而变化。

2 系统设计

LVDT的多通道微位移测量系统设计总体结构框图如图2所示。

在上图中，微处理器产生的方波信号经过有源滤波电路滤波后，将2.5kHz的正弦基波信号送人平衡驱动单元，进而激励LVDT传感器初级线圈，在LVDT次级线圈上即可获得相应的输出电压信号，但由于该输出信号非常微弱且含有大量噪声，故通过仪表放大器和有源带通滤波器对信号中的噪声进行滤除。利用交直流变换单元将交流信号转变为直流信号，微处理器通过AD采样单元采集到有效信号，并转化成感应棒在线圈中的位移值，通过显示单元将数据显示出来。

2.1 硬件设计

该微位移测量系统硬件设计主要包括：微处理器电路、电源转换电路、多重反馈有源带通滤波电路、正弦波激励电路、平衡驱动电路、仪表放大器电路、RMS转换电路、信号处理电路、传感器运动方向判别单元电路等几部分，其中图3和图4分别为对系统测量精度贡献较大的两个电路：RMS转换电路单元和微位移数据采集系统方向判别单元。

RMS转换主要实现将双极性正弦波信号转换成直流信号。本系统采用低成本、低功耗的RMS—_TODC转换器AD8436进行交直流转换，它可以在很宽的输入电平和温度范围内实现高精度转换，从而解决系统测量精度低的问题。

传感器运动方向判别单元主要实现对LVDT传感器方向的判别。该电路能够保证微位移数据采集系统中的线性可变差动变压器式传感器的输入信号和该方向判别单元所检测信号的相位保持一致，同时能够有效防止线性可变差动变压器式传感器输入阻抗和输出阻抗在检测过程中的波动，从而进一步提高系统测量精度。

2.2 软件设计

软件部分主要包括方波的产生、数字滤波、AD采样、按键功能子程序等。系统上电后，利用定时器中断产生2.5kHz方波信号，该信号经过变换电路转变为正弦波信号后，再经过驱动电路，驱动LVDT传感器，传感器的输出信号经过信号调理电路后，单片机利用A/D转换读取转换结果，并通过数字滤波算法和一定的运算，得到位移值，根据系统的显示模式，将数据结果显示在数码管上，系统显示模式可以由按键选择，其软件流程框图如5所示。

3 系统测量与分析

线性度是衡量系统设计性能的一个重要指标。在本实验中，利用LVDT位移传感器，使微动测量台以步长10 做步进运动，记录相应的LVDT微位移测量系统的输出直流电压值。通过MATLAB编程，用基于最小二乘线性拟合算法对采集的数据进行线性拟合，并绘出拟合曲线及误差曲线，分别如图6和图7所示。

从图中可以看出，调零后该LVDT微位移测量系统在0- 400量程内，实测曲线和线性拟合曲线基本完全重合，灵敏度约为2.9V/mm，相对误差小于4%，最大绝对误差为4mV，经计算可得系统线性度（非线性误差）小于0.0.6%，说明了所设计的系统具有较高的测量精度。

另外，由图7中的b和c可知，经调零电路校正以后误差曲线更加均匀，此时输出的非线性误差主要来自测量过程中的人为误差、测试仪器本身的误差、外界干扰引起的误差、系统电路的稳定性引起的误差等，這些误差因为具有随机性，因此无法通过调零电路进行消除。

4 结语

本文设计实现了一种基于LVDT的微位移测量系统，通过搭建实验平台，对系统线性度、稳定性和测量误差进行了测试并分析， 实验表明了该系统操作简单、测量精度高和稳定性好，具有较高的实用性和市场价值。

参考文献

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