基于AD598信号处理芯片的传感器测量系统误差的研究

引言

在信息采集系统中，传感器通常处于系统前端，即检测和控制系统之首，它提供给系统处理和决策所必需的原始信息，因此，传感器的精度对整个系统是至关重要的。在位移、速度及加速度的测量中，经常使用差动变压器式传感器，原因是其灵敏度高、线性好且有配套集成电路，但传统的 LVDT 传感器对工作电源的稳定性和精度要求太高，且电路板大都由分离元件搭接而成，极易产生松脱和受潮变质现象，从而影响传感器的使用寿命和整体性能。本文介绍一种基于 AD598 信号处理芯片的 LVDT 直线位移传感器，并通过实例对其误差和精度进行探讨。

1 基本原理

差动变压器式传感器是利用线圈的自感或者互感的变化来实现测量的一种装置，它的核心是可变自感或可变互感。本文采用的变气隙式差动变压器式电感传感器是利用互感的变化来工作的。
 
1.1 基本结构及工作原理

上下 2 只铁芯上均有 1 个励磁线圈和 1 个输出线圈。上下 2 个励磁线圈串联后接交流励磁电源电压 Uin，2 个输出线圈则按电势反向串联。忽略高阶无穷小量，当ωR（ω为交流励磁电源电压 Uin 的频率，R 为励磁线圈的等效电阻）时，可推导出
 

 
式中：Uin 为励磁电源电压（单位 V）;Uout 为输出电压（单位 V）;N1，N2 分别为励磁线圈和输出线圈的匝数;△δ为轴偏移平衡位置的距离（单位 mm）;δ占为轴处于平衡位置时的气隙大小（单位 mm）。
 
当轴处于中间位置时，δ1=δ2=δ，励磁线圈中产生交变磁通φ1 和φ2，在输出线圈中便产生交流感应电势。由于两边气隙相等，磁阻相等，所以，φ1=φ2，输出线圈中感应出的电势 E21=E22，由于次级是按电势反向连接的，输出电压 Uout=0。当轴偏离中间位置时，两边气隙不等（即δ1≠δ2），输出线圈中感应的电势不再相等（即 E21≠E22），便有电压 Uout 输出。Uout 的大小及相位取决于轴的位移大小和方向。
 
1.2 输出特性方程

设差动变压器原边激励电压为 Ep、角频率为ω、电流为 Ip、电感为 Lp、等效电阻为 Rp。副边电压分别为 E21、E22，互感为 M1、M2。若忽略磁滞涡流及耦合电容的影响，可以得出：
 

 
2 传感器测量电路

AD598 是由 Analog Device 推出的新型 LVDT 专用信号处理芯片，原理图如图 2 所示。由图可知，该芯片主要包含两部分：一部分为正弦波发生器，它的频率及幅值均可由少数外接元件确定;另一部分为 LVDT 次级的信号处理部分。通过这一部分产生一个与铁芯位移成正比的直流电压信号。AD598 可驱动高达 24 V，频率范围为 20Hz～20 kHz 的 LVDT 原边线圈，又可接受最低为 100 mV 的次级输入，所以适用于许多不同类型的 LVDT。
 
3 测量系统误差分析

测量系统的误差按来源也可分为固定误差和随机误差两大类。
 
3.1 固定误差

固定误差指差动变压器结构（加工精度）和材料（磁滞涡流）所造成的误差。这是系统论证时要结合测量的精度要求及经济指标综合考虑的。系统一旦确定下来这些因素一般是不能改变的。
 
3.2 随机误差

随机误差按误差来源可以分为由激励源的波动引起的误差和由相敏检波引起的误差。由于 AD598 把振荡器，LVDT 和相敏解调器封装在一起，不但提高了产品的集成度，而且大大减少了外围元件的个数，使传感器的性能得到大幅提高，因此，在本文中就不对相敏检波引起的误差进行推导了。
 
3.2.1 激励源幅度波动引起的误差

由式（3）可以看出当 Ep、ω、Lp、Rp 为常数时，E2 正比于△M。差动变压器是非闭合磁路，而且铁芯长度远小于线圈长度，所以△M 正比于铁芯位移，即 E2 正比于铁芯位移。当铁芯在某一位置固定，输出电压 E2 也应是定值。但 Ep 或ω有变化，虽然铁芯位置没变，输出电压 E2 却发生了变化，这就是激励电压和频率不稳定引起的误差。E2 是 Ep 的一次函数。将式（3）对 Ep 微分得到：
 

 
将式（4）除以式（3）得：
 

 
dE2/E2=dEp/Ep 即在其它条件不变的情况下，激励源的误差即是差动输出的误差。
 
3.2.2 激励源频率波动引起的误差

式中：Qp=ωLp/Rp 为差动电压器原边品质因数，其值越大因ω波动引起的误差越小。
 
4 误差与精度的测定

以 CWZ-23F 差动变压器为例，标定后用光学测长仪给定输入电压，用 4 位半数字电压表测量输出电压。

精度=β×标准差=3×1.106≈3.32（μm）
可以认为系统精度为 3.32μm。此时置信概率为 99.73%，完全可以说明系统的情况。
 
5 结束语

AD598 将一个高精度的正弦波发生电路和差动变压器信号调节电路的绝大多数功能集成在一块芯片上，减小了电路的体积，简化了电路的设计和调试。