差動變壓器位移測量裝置在機械天平中的應(yīng)用

摘要：對線性差動變壓器(LVDT)及其信號處理芯片AD598的工作原理進行了分析，利用差動式位移傳感器和AD598芯片設(shè)計了具有調(diào)零功能的位移信號調(diào)理電路，并將其應(yīng)用在機械天平中，將機械位移信號轉(zhuǎn)化為電信號。改裝后的機械天平具有讀數(shù)直觀，使用便捷的特點。
關(guān)鍵詞：差動變壓器；AD598芯片；機械天平

0 引言
    天平是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫挠嬃科骶咧?，也是計量部門進行質(zhì)量量值傳遞不可缺少的重要計量器具，其性能好壞直接影響質(zhì)量量值傳遞的可靠性，其中機械天平是一種傳統(tǒng)的仍被廣泛應(yīng)用的精密儀器。
    傳統(tǒng)機械天平使用時，依靠觀察機械式指針左右擺幅是否一致來判斷天平平衡，準(zhǔn)確測量出指針擺動的幅度是關(guān)鍵。機械天平兩個秤盤中重量的差引起指針擺幅變化，這種指針擺幅的變化可視作微位移量，尋找一種方法將這種微位移擴大，利于提高天平精度。差動變壓器式位移傳感器(LVDT)是一種靈敏度較高的互感式傳感器。具有分辨力高、穩(wěn)定性好、精度高、溫度影響小等良好特性。
    本文在傳統(tǒng)LVDT式位移傳感器的基礎(chǔ)上，使用AD598芯片來設(shè)計位移傳感器電路，并將位移傳感器應(yīng)用在機械天平上對其進行改進，使用位移傳感器和電流表代替原來的機械式指針和金屬讀數(shù)標(biāo)盤。

1 位移傳感器工作過程
    差動變壓器式傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器。等效電路圖如圖1所示。

    將LVDT式位移傳感器中的銅片固定在機械天平的指針上，如圖2所示。

    機械天平兩個秤盤中重量的差引起指針擺幅變化，銅片也隨指針左右擺動，通過位移傳感器將機械位移量轉(zhuǎn)化為電量。位移傳感器次邊輸出電壓通過AD598電路檢測后，最終由電流表顯示。

2 AD598芯片工作原理
    AD598是一種完整的單片式線位移差動變壓器信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)。AD598與LVDT配合，能夠直接將LVDT的機械位移量轉(zhuǎn)化成為單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。AD598芯片同時具有交流信號的放大、相敏檢波器、直流信號放大、產(chǎn)生正弦波振蕩器、濾波電路等功能，在外圍電路的構(gòu)造中只要增加幾個外接無源元件，就能確定激磁頻率和輸出電壓的幅值。
    AD598芯片原理圖如圖3所示，該芯片主要包含兩部分：一部分為正弦波發(fā)生器，它的頻率及幅值均可由少數(shù)外接元件確定；另一部分為LVDT次級的信號處理部分，通過這一部分產(chǎn)生一個與鐵芯位移成正比的直流電壓信號。

    AD598既可驅(qū)動高達24 V、頻率范圍為20 Hz～20 kHz的LVDT原邊線圈，又可接收最低為100 mV的次級輸入，所以適用于許多不同類型的LVDT。ADS98芯片工作時，輸出的正弦波直接作用于差動變壓器的初級線圈；而傳感器次級線圈輸出的兩個正弦波則可直接作為AD598的輸入，AD598對它們進行處理，產(chǎn)生一個標(biāo)定的單極性或雙極性直流電壓信號，其傳遞函數(shù)為：
   
    其中VA，VB為傳感器次級線圈輸出的兩個正弦波電壓；IREF為參考電流，一般取為500 μA；R2為輸出電壓調(diào)節(jié)電阻。

3 傳感器信號調(diào)理電路
    將LVDT與AD598連接在一起，再配上一些電阻器和電容器，就組成一個精密位移傳感器。如圖4所示。

3．1 參數(shù)選擇
    雙端供電情況下，參數(shù)選擇過程如下：
    (1)確定測量系統(tǒng)的機械頻帶：fSUBSYSTEM；
    (2)選擇LVDT的激勵頻率：fEXCITATION=10×fSUBSYSTEM；
    (3)確定LVDT次級電壓和VA+VB：用典型的激勵電壓VPRI激勵LVDT，將鐵芯移動到中間零點位置時，測出VA和VB值并求和；
    (4)確定最佳激磁電壓VEXC：在LVDT初級加上典型激勵電壓VPRI，然后將鐵芯放在滿量程位置，測出次級最大輸出電壓VSEC，確定出LVDT的電壓轉(zhuǎn)換比VTR；
    VTR=VPRI／VSEC     (2)
    VEXC=VSEC×VTR     (3)
    (5)對于雙端供電，查閱AD598芯片手冊，根據(jù)VEXC確定電阻R1；
    (6)確定激磁電壓頻率C1：C1=35 μF×Hz／fEXCITATION；
    (7)選擇確定激磁電壓頻率的電容C2、C3和C4，C2=C3=C4=10-4F×Hz／fSUBSYSTEM；
    (8)選擇決定AD598增益和滿量程輸出電壓范圍的電阻R2。
    R2=VOUT×(VA+VB)／(S×VPRI×500 μA×d)      (4)
3．2 調(diào)零電路
    實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，鐵芯位于LVDT中心處時，輸出電壓并不為零。其原因是初級線圈與次級線圈之間存在有與鐵芯位置無關(guān)的雜散電容，以及繞組和磁路中缺少對稱性。此外，傳感器安裝在機械天平的過程中也不能保證完全的對稱性。為此設(shè)計了如圖5所示的調(diào)零電路，即在原來激勵線圈的基礎(chǔ)上，在副邊增加了E3-1和E3-2調(diào)整線圈，實現(xiàn)了調(diào)零功能。

4 實驗
    微位移信號檢測電路調(diào)試后，安裝在機械天平上，分別用10mg、20mg、30mg、40mg、50mg標(biāo)準(zhǔn)砝碼進行多組測試，記錄輸出電流。
    首先，在左盤放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼，右盤空置，測得數(shù)據(jù)記入在表1。

    在右盤放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼，左盤空置，重新用相同質(zhì)量的砝碼進行檢測，測得數(shù)據(jù)記入在表2，針對表1、2數(shù)據(jù)，對質(zhì)量和相應(yīng)的平均電流進行曲線擬合，以天平左右托盤中砝碼的質(zhì)量差作為曲線橫坐標(biāo)，輸出電流作為縱坐標(biāo)，從圖6可以看出，質(zhì)量與電流基本符合比例關(guān)系。通過調(diào)零電路進行調(diào)節(jié)，零點輸出電流近似為零，兩條直線斜率絕對值基本一致，曲線近似于V字型。

    針對表1、2數(shù)據(jù)，運用Matlab對數(shù)據(jù)進行擬合得到方程：
    y(μA)=0．2514x(mg)+0．086          (5)
    y(μA)=-0．2508x(mg)+0．112         (6)

5 結(jié)論
    在機械天平基礎(chǔ)上，使用AD598芯片和差動位移傳感器設(shè)計微位移檢測電路，通過位移檢測電路將天平指針的擺幅位移信號放大并轉(zhuǎn)化為電信號，并在傳感器中加入補償繞組，使用調(diào)零電路。運用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進行實際稱重測試發(fā)現(xiàn)改裝后天平重復(fù)性較好，使用更加直觀，便捷，具有提高最小分度值的潛力。