[發明專利]差動變壓器式位移傳感器數字變送解調方法

無效

• 申請號: 201010298837.0
• 申請日: 2010-09-29
• 公開（公告）號: CN102012209A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 謝雪松;柯志泉
• 申請（專利權）人: 北京京海泉傳感科技有限公司
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

技術領域

差動變壓器式位移傳感器數字變送解調方法涉及一種處理利用LVDT精確測量物體微小位移的信號的方法。

背景技術

差動變壓器式位移傳感器采用電磁感應原理能測量微小位移，其英文名稱是linear?variable?differential?transformer，簡稱LVDT，其結構見圖1。采用環氧樹脂，不銹鋼等材料作為線圈骨架，用不同線徑的漆包線在骨架上繞制線圈。與傳統的電力變壓器不同，LVDT是一種開磁路弱磁耦合的測量元件：在骨架上繞制一個初級線圈1，兩個次級線圈2，其工作方式依賴于在線圈骨架內鐵芯3的移動，當初級線圈1供給一定頻率的交變電壓(激勵信號)時，鐵芯3在線圈內移動就改變了空間磁場分布從而改變了初，次級線圈之間的互感量，次級線圈2就產生感應電動勢，隨著鐵芯位置的不同，互感量也不同，激勵產生的感應電動勢也不同，這樣就將鐵芯3的位移量(實際的鐵芯是通過測桿與被測物保持相接觸，也就是被測物體的位移量)變成電壓信號輸出，由于兩個次級線圈2電壓極性相反，所以傳感器的輸出是兩個次級線圈2電壓之差，其電壓差值與位移量成線性關系當鐵芯3處在兩次級線圈2正中間位置時兩次級線圈2感應電壓相等但相位相反，其電壓差值為零，當鐵芯3往右移動時，右邊的次級線圈感應的電壓大于左邊。兩級線圈2輸出的電壓差值大小隨鐵芯3位移而成線性變化(第一象限的實線段部分)，這是LVDT有效的測量范圍(一半)。當鐵芯3繼續往右移動時線圈2輸出電壓的差值不與鐵芯3位移成線性關系，此為緩沖，非測量區(虛線段)。反之，當鐵芯3自兩次級線圈中間位置向左邊移動亦然。零點兩邊的實線段一般是對稱的測量范圍，只不過兩者都是交流信號而相位差180″，如圖2所示。

一般情況下，對差動變壓器式位移傳感器(LVDT)常用的信號檢測方法是運用載波放大器來完成的，載波放大器又是由解調電路模塊、交流放大模塊、低通濾波功能模塊和常用的振蕩器組成的。簡單的方法就是從每個次級線圈得到調幅連續電壓，通過整流、相減，通過輸出的直流電壓來表明鐵芯的位置。這種方法中的原始信號經過了整流、加減等中間環節才得到直流電壓信號，這樣會使誤差很大，不能得到精確的鐵芯位置。

發明內容

為了準確地反映鐵芯的位置，本發明提供一種數字解調方法，不僅對所得次級線圈信號采用加減法，還采用除的方法，并且運用一種映射關系得出鐵芯的真實位移值，大大減小誤差。

為了實現上述目的，本發明利用由現場可編程門陣列(FPGA)制作的變送器來驅動LVDT的初級線圈，并采集LVDT的兩個次級線圈的輸出信號Va和Vb，該變送器包括由FLASH或SRAM構成的存儲器、驅動LVDT初級線圈的數模轉換器(D/A)、采樣LVDT兩個次級線圈的兩個模數轉換器(A/D)，以及數字輸出模塊、包括信號解調算法和與上位機通信程序的變送器軟件；將采集到的LVDT兩個次級線圈的輸出信號Va和Vb作S＝(Va-Vb)/(Va+Vb)的數字解調處理，利用LVDT鐵芯的實際位移量與S之間的映射關系來實現對LVDT的信號檢測，該處理方法包括以下步驟：

A、初始化變送器中各存儲器，

B、FPGA產生頻率可變的正弦波激勵信號，通過D/A輸入到LVDT初級線圈輸入端，

C、采用兩個A/D同時采集LVDT兩個次級線圈的模擬輸出信號，轉化為數字信號，

D、建立LVDT鐵芯的實際位移量與測量量之間的映射關系，

E、利用S＝(Va-Vb)/(Va+Vb)的方法進行數字解調，將所得結果進行數字誤差修正和數字濾波，誤差修正的數據存儲在FLASH中，

F、修正后的結果送至數字輸出模塊，以浮點格式的數據輸出給上位機，并同時通過數模轉換以模擬形式輸出，用于外部的儀表來指示測量結果。

所述的步驟B中，正弦激勵信號由直接數字式頻率合成器(DDS)產生，并后跟一級具有穩幅功能的功率放大器，DDS與FPGA的主時鐘同步，為兆赫茲級，FPGA通過頻率控制字和幅度控制字來實現對DDS的控制，其控制方法包括如下步驟：

B1、向FLASH中寫入激勵頻率字和幅度控制字，

B2、從FLASH中讀取頻率控制字通過PI0端口寫入DDS頻率控制寄存器，同時從FLASH中讀取幅度控制字，通過PIO端口向功率放大器送出幅度控制信號，

B3、經過DDS產生正弦波數據、經過D/A轉化為模擬正弦波、再經過功率放大器的處理就得到相應頻率、相應幅度的激勵信號。

并且，通過DDS同步信號控制A/D的采集時刻，采集時刻為激勵信號的正弦值的峰值點。