一種線位移傳感器激磁及信號解調方法與流程
2023-10-06 17:29:19 4
本發明涉及一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，屬於智能位移傳感器技術。
背景技術：
線位移傳感器(lvdt)是一種絕對位移傳感器，一般由線位移傳感器本體和線位移傳感器激磁電路、解調電路(以下統稱為激磁解調電路)構成。線位移傳感器本體能夠將線形位移或位置從機械參考點(零點)轉化為包含相位(方向)和幅度(距離)信息的比例信號，激磁解調電路負責給線位移傳感器本體產生激磁電源，並接收線位移傳感器本體的輸出信號，對其進行解調，得到線形位移或位置信息。線位移傳感器在飛行控制系統中的操縱系統(包括操縱杆、腳蹬等)以及舵面位置控制系統(如作動筒位置、舵面位置、伺服閥位置等)有廣泛應用。由於航空飛行器的部件工作環境溫度變化範圍大(一般為-40度～80度)，在這種溫度變化範圍內，激磁解調電路中的電子元器件參數會發生較大變化，嚴重影響線位移傳感器的檢測精度。因此在全溫範圍內保證線位移傳感器的高精度檢測是目前應用中的一個難題。
目前同類線位移傳感器的激磁解調電路產品普遍採用的是單fpga搭載片外da、ad和調理電路的硬體架構，這種架構存在以下幾個問題：
1、受限於fpga的運算處理能力，這種架構只能在常溫下對線位移傳感器進行解調的精度矯正。在高低溫狀態時，由於溫度對電子元器件的參數有影響，檢測精度會明顯降低(嚴重時可達一個數量級)，影響檢測效果。
2、激磁解調電路的信號檢測易受幹擾，影響檢測精度。由於這種架構的激磁解調電路體積較大，與線位移傳感器本體是分離式結構，因此線位移傳感器本體輸出的高低端模擬信號到激磁解調電路之間距離較長，容易引入幹擾影響檢測精度。
3、電子器件數目較多，激磁解調電路的體積大，成本高。這種架構的激磁解調電路需要獨立的da和ad，電路板面積相對較大，同時器件價格總量較高。
4、線位移傳感器本體和線位移傳感器解調電路的精度矯正需獨立進行，矯正過程較為繁瑣。同類產品需要對線位移傳感器本體和線位移傳感器解調電路通過修改硬體參數的辦法分別進行精度矯正，矯正過程需要耗費大量時間和人力。
技術實現要素：
本發明的目的為了提高線位移傳感器在全溫範圍內的檢測精度，優化激磁解調電路的硬體架構，實現線位移傳感器本體與激磁解調電路的一體化結構，優化線位移傳感器精度矯正方法。本發明設計了一種線位移傳感器的激磁解調電路和精度矯正方法，通過曲線擬合的方法實現了全溫範圍內線位移傳感器解調信號的精度矯正，極大提高了線位移傳感器的檢測精度。通過單處理器+調理電路的硬體架構縮小了激磁解調電路的體積，實現了線位移傳感器本體和激磁解調電路的一體化結構，並實現了通過軟體算法完成線位移傳感器的精度矯正過程。
本發明的技術方案：
一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，所述方法基於如下電路實現，該電路包括處理器(1)，電壓參考晶片(2)，運算放大器晶片一(3)，運算放大器晶片二(4)，運算放大器晶片三(5)，三極體(6)，電源模塊(7)；所述電路包括線位移傳感器解調電路和線位移傳感器激磁電路兩部分；
線位移傳感器解調電路由電壓參考晶片(2)和運算放大器晶片一(3)構造參考電平vc，由參考電平vc提供直流偏置調整信號；線位移傳感器本體的高端輸出信號vh經運算放大器晶片二(4)進行濾波，直流偏置調整和幅值調整得到信號一vh1、線位移傳感器本體的低端輸出信號vl經運算放大器晶片三(5)進行濾波，直流偏置調整和幅值調整得到信號二vl1。vh1和vl1輸入到處理器(1)的ad管腳進行採樣，處理器(1)讀取ad管腳的採樣並對採樣值進行解算和精度矯正；
線位移傳感器激磁電路：由處理器(1)的da輸出模擬正弦激磁信號vs，通過運算放大器晶片一(3)和三極體(6)構成的功率放大電路進行幅值調節和功率放大後輸出至線位移傳感器本體作為激磁信號；
所述方法採取以下步驟：
1)根據所述線位移傳感器解調電路中運算放大器晶片一(3)，運算放大器晶片二(4)，運算放大器晶片三(5)的電路參數，設計得到理論上線位移傳感器本體輸出信號的解調算法，並在處理器中通過計算機語言實現；
2)在線位移傳感器的工作溫度範圍內等間距取多個溫度值；在每個溫度值下用信號發生器模擬線位移傳感器本體的輸出信號，將信號發生器的輸出信號加載到線位移傳感器解調電路的入口；改變該輸出信號的幅值，以模擬線位移傳感器全量程的輸出特性，人工記錄對應處理器(1)計算的解調值；得到在每個溫度下線位移傳感器解調電路的信號解調值隨輸入信號有效值的變化樣本數據；
3)對每個溫度下線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值和對應處理器(1)計算的信號解調值進行線性擬合，得到在該溫度下線位移傳感器解調電路輸入信號有效值與信號解調值的修正函數關係式；通過修正函數關係式，能夠實現在該溫度下對任意輸入的信號解調值的精度矯正；
4)將各溫度值下的線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值與信號解調值的修正函數關係中對應的係數關於溫度進行高次擬合，得到修正函數關於溫度的表達式；即能夠通過檢測當前溫度擬合得到當前溫度下線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值與信號解調值的修正函數；
5)將步驟4)中得到的修正函數關於溫度的關係式在處理器(1)中用計算機語言實現，通過處理器(1)自帶的溫度傳感器實時檢測溫度，結合修正函數關於溫度的關係式，擬合當前溫度下線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值與信號解調值的修正函數，並用這個修正函數對當前的信號解調值進行精度校正。
根據權利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，其特徵在於，所述處理器(1)具有自帶的16位ad、12位da和溫度傳感器。
根據權利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，其特徵在於，所述運算放大器晶片一(3)，運算放大器晶片二(4)，運算放大器晶片三(5)，採用ad8629型號的放大器，其失調電壓最大值為1μv，輸入失調漂移最大值為0.002μv/℃，輸入偏置電流最大值為100pa。
根據權利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，其特徵在於，所述電壓參考芯(2)片採用型號為adr391b，其輸出溫度係數為9ppm/℃，初始精度為±4mv。
根據權利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，其特徵在於，所述放大器晶片外圍電路使用的電阻精度都為0.1％精度，溫度係數為25×10-6/℃。
本發明具有的優點和有益效果：
1)在全溫範圍內對線位移傳感器的信號解調值進行精度矯正，達到全溫範圍0.5％的檢測精度，與同類產品相比精度提高4倍以上。
2)線位移傳感器的激磁解調電路採用單處理器+調理電路的硬體架構，相比於同類產品fpga搭載片外ad、da和調理電路的硬體架構，有效減少了電子元器件數目，節約了硬體成本，有利於減小電路板面積。
3)激磁解調電路尺寸小(9mm*3.5mm*60mm)，可放置於線位移傳感器本體內部，形成一體化結構，有效減小了線位移傳感器本體輸出模擬信號的傳輸距離，減小信號的幹擾。
4)通過利用線位移傳感器激磁解調電路上數字處理器的計算能力，實現了線位移傳感器本體和激磁解調電路解調精度的軟體矯正功能和一體化矯正功能，極大簡化了線位移傳感器的精度矯正過程。
5)可兼容usb、422等多種數字通信接口，便於線位移傳感器信號的解調值對外的遠距離傳輸。
附圖說明
圖1線位移傳感器激磁解調電路硬體結構圖
圖2精度矯正流程圖
其中，1是處理器，2是參考電源晶片，3是運算放大器晶片一，4是運算放大器晶片二，5是運算放大器晶片三，6是三極體，7是電源模塊。
具體實施方式
一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，所述方法基於如下電路實現，該電路包括處理器(1)，電壓參考晶片(2)，運算放大器晶片一(3)，運算放大器晶片二(4)，運算放大器晶片三(5)，三極體(6)，電源模塊(7)；所述電路包括線位移傳感器解調電路和線位移傳感器激磁電路兩部分；
線位移傳感器解調電路由電壓參考晶片(2)和運算放大器晶片一(3)構造參考電平vc，由參考電平vc提供直流偏置調整信號；線位移傳感器本體的高端輸出信號vh經運算放大器晶片二(4)進行濾波，直流偏置調整和幅值調整得到信號一vh1、線位移傳感器本體的低端輸出信號vl經運算放大器晶片三(5)進行濾波，直流偏置調整和幅值調整得到信號二vl1。vh1和vl1輸入到處理器(1)的ad管腳進行採樣，處理器(1)讀取ad管腳的採樣並對採樣值進行解算和精度矯正；
線位移傳感器激磁電路：由處理器(1)的da輸出模擬正弦激磁信號vs，通過運算放大器晶片一(3)和三極體(6)構成的功率放大電路進行幅值調節和功率放大後輸出至線位移傳感器本體作為激磁信號；
所述方法採取以下步驟：
1)根據所述線位移傳感器解調電路中運算放大器晶片一(3)，運算放大器晶片二(4)，運算放大器晶片三(5)的電路參數，設計得到理論上線位移傳感器本體輸出信號的解調算法，並在處理器中通過計算機語言實現；
2)在線位移傳感器的工作溫度範圍內等間距取多個溫度值；在每個溫度值下用信號發生器模擬線位移傳感器本體的輸出信號，將信號發生器的輸出信號加載到線位移傳感器解調電路的入口；改變該輸出信號的幅值，以模擬線位移傳感器全量程的輸出特性，人工記錄對應處理器(1)計算的解調值；得到在每個溫度下線位移傳感器解調電路的信號解調值隨輸入信號有效值的變化樣本數據；
3)對每個溫度下線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值和對應處理器(1)計算的信號解調值進行線性擬合，得到在該溫度下線位移傳感器解調電路輸入信號有效值與信號解調值的修正函數關係式；通過修正函數關係式，能夠實現在該溫度下對任意輸入的信號解調值的精度矯正；
4)將各溫度值下的線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值與信號解調值的修正函數關係中對應的係數關於溫度進行高次擬合，得到修正函數關於溫度的表達式；即能夠通過檢測當前溫度擬合得到當前溫度下線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值與信號解調值的修正函數；
5)將步驟4)中得到的修正函數關於溫度的關係式在處理器(1)中用計算機語言實現，通過處理器(1)自帶的溫度傳感器實時檢測溫度，結合修正函數關於溫度的關係式，擬合當前溫度下線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值與信號解調值的修正函數，並用這個修正函數對當前的信號解調值進行精度校正。
根據權利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，其特徵在於，所述處理器(1)具有自帶的16位ad、12位da和溫度傳感器。
根據權利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，其特徵在於，所述運算放大器晶片一(3)，運算放大器晶片二(4)，運算放大器晶片三(5)，採用ad8629型號的放大器，其失調電壓最大值為1μv，輸入失調漂移最大值為0.002μv/℃，輸入偏置電流最大值為100pa。
根據權利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，其特徵在於，所述電壓參考芯(2)片採用型號為adr391b，其輸出溫度係數為9ppm/℃，初始精度為±4mv。
根據權利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，其特徵在於，所述放大器晶片外圍電路使用的電阻精度都為0.1％精度，溫度係數為25×10-6/℃。
下面的結合附圖對本發明進行詳細的說明。
本發明的原理：
一種線位移傳感器激磁及信號解調方法，所述方法基於如下電路實現，該電路包括處理器(1)，電壓參考晶片(2)，運算放大器晶片一(3)，運算放大器晶片二(4)，運算放大器晶片三(5)，三極體(6)，電源模塊(7)；所述電路包括線位移傳感器解調電路和線位移傳感器激磁電路兩部分；
線位移傳感器解調電路由參考電源晶片(2)產生2.5v電壓參考信號，電壓參考信號通過運算放大器一(3)的一個通道進行幅值調節，得到0.86v的參考電壓vc，用於給線位移傳感器本體的高低端輸出信號提供直流偏置電壓。
線位移傳感器本體的高端輸出信號vh經運算放大器晶片二(4)的一個通道進行幅值調整，濾波和直流偏置調整得到vh1，放大係數為-0.826，濾波器截止頻率為4.7khz(本項目使用的線位移傳感器本體激磁信號頻率為1.8khz)，直流偏置電壓為0.86v。通過運算放大器晶片二(4)的第二通道完成一級跟隨電路，將vh1輸入處理器(1)的ad管教進行採樣；線位移傳感器本體的低端輸出信號vl經運算放大器晶片三(5)的一個通道進行幅值調整，濾波和直流偏置調整得到vl1，放大器參數與線位移傳感器的高端輸出信號vh通道完全相同。將vl1輸入處理器(1)的ad管腳進行採樣；
線位移傳感器激磁電路：由處理器(1)的da輸出模擬正弦激磁信號vs，通過運算放大器晶片一(3)的第二通道和三極體(6)構成的功率放大電路進行幅值調節，放大係數為1.306倍，由三極體(6)完成功率放大功能，將輸出電流負載能力擴大為500ma，作為線位移傳感器本體的激磁信號；
處理器(1)選用型號為mk22fn512vmp12，內部集成16位ad和12位da，同時集成溫度傳感器，可實時採集當前環境溫度；所有運算放大器晶片採用型號為ad8629，其失調電壓最大值為1μv，輸入失調漂移最大值為0.002μv/℃，輸入偏置電流最大值為100pa；電壓參考晶片(2)採用型號為adr391b，其輸出溫度係數為9ppm/℃，初始精度為±4mv；三極體(6)選用bc817-40，耐壓值為50v，最大導通電流為500ma；電源晶片(7)採用型號為tc1262-3.3vdb，將外部5v輸入電壓轉為3.3v；所有電阻均採用b精度電阻，精度值為0.1％，溫度係數為25×10-6/℃；
所述線位移傳感器的信號解調方法採取以下步驟：
1)根據所述線位移傳感器解調電路中運算放大器一(3)，運算放大器二(4)，運算放大器三(5)的參數，計算得到線位移傳感器輸出高端信號和低端信號經調理電路產生的幅值放大係數k和直流偏置電壓vd，即vh1＝kvh+vd、vl1＝kvl+vd。在處理器(1)中將vh1和vl1進行還原得到vh和vl，將還原後的vh和vl進行數字整流並濾波，得到vh和vl的平均值，再將vh和vl的平均值做差得到輸入信號的解調值vp。在處理器(1)中將由ad採集值vh1和vl1獲得解調值vp的算法用軟體語言實現。
2)在線位移傳感器的工作溫度範圍內等間距取多個溫度值；在每個溫度值下用信號發生器模擬線位移傳感器本體的輸出信號，將信號發生器的輸出信號加載到線位移傳感器解調電路的入口；改變該輸出信號的幅值，模擬線位移傳感器本體全量程的輸出特性，人工記錄對應處理器(1)計算的解調值；得到線位移傳感器解調電路在每個溫度下的信號解調值隨輸入信號有效值的變化樣本數據；
3)對每個溫度下線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值和對應處理器(1)計算的信號解調值進行線性擬合，得到線位移傳感器解調電路在該溫度下輸入信號有效值與信號解調值的修正函數關係式；通過修正函數關係式，能夠實現在該溫度下對任意輸入的信號解調值的精度矯正；
4)將各溫度值下的線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值與信號解調值的修正函數關係中對應的係數關於溫度進行高次擬合，得到修正函數關於溫度的表達式；即能夠通過檢測當前溫度擬合得到當前溫度下線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值與信號解調值的修正函數；
5)將步驟4)中得到的修正函數關於溫度的關係式在處理器(1)中用計算機語言實現，通過處理器(1)自帶的溫度傳感器實時檢測溫度，結合修正函數關於溫度的關係式，擬合當前溫度下線位移傳感器解調電路的輸入信號有效值與信號解調值的修正函數，並用這個修正函數對當前的信號解調值進行精度校正。
實施例一
處理器(1)選用mk22fn512vmp12；電壓參考晶片(2)選用adr4525；運算放大器晶片一(3)，運算放大器晶片二(4)，運算放大器晶片三(5)選用六片ad8628代替；三極體(6)選用bc817-40；電源晶片(7)採用型號為tc1262-3.3vdb。
實施例二
處理器(1)選用mk22fn512vmp12；電壓參考晶片(2)選用adr431b；運算放大器晶片一(3)，運算放大器晶片二(4)，運算放大器晶片三(5)選用ad8629，三極體(6)選用bc818-40；電源晶片(7)採用型號為tc1262-3.3vdb。