差動變壓器位移測量裝置在機械天平中的應用

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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芯片設計了具有調零功能的位移信號調理電路，并將其應用在機械天平中，將機械位移信號轉化為電信號。改裝后的機械天平具有讀數直觀，使用便捷的特點。
關鍵詞：差動變壓器；AD598芯片；機械天平
0 引言
天平是我們日常生活中常用的計量器具之一，也是計量部門進行質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量量值傳遞的可靠性，其中機械天平是一種傳統的仍被廣泛應用的精密儀器。
傳統機械天平使用時，依靠觀察機械式指針左右擺幅是否一致來判斷天平平衡，準確測量出指針擺動的幅度是關鍵。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、穩定性好、精度高、溫度影響小等良好特性。
本文在傳統LVDT式位移傳感器的基礎上，使用AD598芯片來設計位移傳感器電路，并將位移傳感器應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標盤。
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換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當一次線圈接入激勵電源之后，二次線圈就將產生感應電動勢，當兩者間的互感量變化時，感應電動勢也相應變化。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節系統。AD598與LVDT配合，能夠直接將LVDT的機械位移量轉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、產生正弦波振蕩器、濾波電路等功能，在外圍電路的構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：一部分為正弦波發生器，它的頻率及幅值均可由少數外接元件確定；另一部分為LVDT次級的信號處理部分，通過這一部分產生一個與鐵芯位移成正比的直流電壓信號。

AD598既可驅動高達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，產生一個標定的單極性或雙極性直流電壓信號，其傳遞函數為：


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為輸出電壓調節電阻。
3 傳感器信號調理電路
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 參數選擇
雙端供電情況下，參數選擇過程如下：
(1)確定測量系統的機械頻帶：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 調零電路
實際應用中發現，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。為此設計了如圖5所示的調零電路，即在原來激勵線圈的基礎上，在副邊增加了E3-1和E3-2調整線圈，實現了調零功能。


4 實驗
微位移信號檢測電路調試后，安裝在機械天平上，分別用10mg、20mg、30mg、40mg、50mg標準砝碼進行多組測試，記錄輸出電流。
首先，在左盤放置標準砝碼，右盤空置，測得數據記入在表1。

在右盤放置標準砝碼，左盤空置，重新用相同質量的砝碼進行檢測，測得數據記入在表2，針對表1、2數據，對質量和相應的平均電流進行曲線擬合，以天平左右托盤中砝碼的質量差作為曲線橫坐標，輸出電流作為縱坐標，從圖6可以看出，質量與電流基本符合比例關系。通過調零電路進行調節，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數據，運用Matlab對數據進行擬合得到方程：
y(μA)=0．2514x(mg)+0．086 (5)
y(μA)=-0．2508x(mg)+0．112 (6)
5 結論
在機械天平基礎上，使用AD598芯片和差動位移傳感器設計微位移檢測電路，通過位移檢測電路將天平指針的擺幅位移信號放大并轉化為電信號，并在傳感器中加入補償繞組，使用調零電路。運用標準砝碼進行實際稱重測試發現改裝后天平重復性較好，使用更加直觀，便捷，具有提高最小分度值的潛力。