引 言

　　在信息采集系統(tǒng)中，傳感器通常處于系統(tǒng)前端，即檢測(cè)和控制系統(tǒng)之首，它提供給系統(tǒng)處理和決策所必需的原始信息，因此，傳感器的精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。在位移、速度及加速度的測(cè)量中，經(jīng)常使用差動(dòng)變壓器式傳感器，原因是其靈敏度高、線性好且有配套集成電路，但傳統(tǒng)的lvdt傳感器對(duì)工作電源的穩(wěn)定性和精度要求太高，且電路板大都由分離元件搭接而成，極易產(chǎn)生松脫和受潮變質(zhì)現(xiàn)象，從而影響傳感器的使用壽命和整體性能。本文介紹一種基于ad598信號(hào)處理芯片的lvdt直線位移傳感器，并通過(guò)實(shí)例對(duì)其誤差和精度進(jìn)行探討。

　　1 基本原理

　　差動(dòng)變壓器式傳感器是利用線圈的自感或者互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置，它的核心是可變自感或可變互感。本文采用的變氣隙式差動(dòng)變壓器式電感傳感器是利用互感的變化來(lái)工作的。

　　1.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

　　上下2只鐵芯上均有1個(gè)勵(lì)磁線圈和1個(gè)輸出線圈。上下2個(gè)勵(lì)磁線圈串聯(lián)后接交流勵(lì)磁電源電壓uin，2個(gè)輸出線圈則按電勢(shì)反向串聯(lián)。忽略高階無(wú)窮小量，當(dāng)ωr(ω為交流勵(lì)磁電源電壓uin的頻率，r為勵(lì)磁線圈的等效電阻)時(shí)，可推導(dǎo)出

　　式中：uin為勵(lì)磁電源電壓(單位v);uout為輸出電壓(單位v);n1，n2分別為勵(lì)磁線圈和輸出線圈的匝數(shù);△δ為軸偏移平衡位置的距離(單位mm);δ占為軸處于平衡位置時(shí)的氣隙大小(單位mm)。

　　當(dāng)軸處于中間位置時(shí)，δ1=δ2=δ，勵(lì)磁線圈中產(chǎn)生交變磁通φ1和φ2，在輸出線圈中便產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)。由于兩邊氣隙相等，磁阻相等，所以，φ1=φ2，輸出線圈中感應(yīng)出的電勢(shì)e21=e22，由于次級(jí)是按電勢(shì)反向連接的，輸出電壓uout=0。當(dāng)軸偏離中間位置時(shí)，兩邊氣隙不等(即δ1≠δ2)，輸出線圈中感應(yīng)的電勢(shì)不再相等(即e21≠e22)，便有電壓uout輸出。uout的大小及相位取決于軸的位移大小和方向。

　　　1.2 輸出特性方程

　　設(shè)差動(dòng)變壓器原邊激勵(lì)電壓為ep、角頻率為ω、電流為ip、電感為lp、等效電阻為rp。副邊電壓分別為e21、e22，互感為m1、m2。若忽略磁滯渦流及耦合電容的影響，可以得出：

　　2 傳感器測(cè)量電路

　　ad598是由analog device推出的新型lvdt專(zhuān)用信號(hào)處理芯片，原理圖如圖2所示。由圖可知，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(jí)的信號(hào)處理部分。通過(guò)這一部分產(chǎn)生一個(gè)與鐵芯位移成正比的直流電壓信號(hào)。ad598可驅(qū)動(dòng)高達(dá)24 v，頻率范圍為20hz～20 khz的lvdt原邊線圈，又可接受最低為100 mv的次級(jí)輸入，所以適用于許多不同類(lèi)型的lvdt。

　　　　3 測(cè)量系統(tǒng)誤差分析

　　測(cè)量系統(tǒng)的誤差按來(lái)源也可分為固定誤差和隨機(jī)誤差兩大類(lèi)。

　　3.1 固定誤差

　　固定誤差指差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)(加工精度)和材料(磁滯渦流)所造成的誤差。這是系統(tǒng)論證時(shí)要結(jié)合測(cè)量的精度要求及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合考慮的。系統(tǒng)一旦確定下來(lái)這些因素一般是不能改變的。

　　3.2 隨機(jī)誤差

　　隨機(jī)誤差按誤差來(lái)源可以分為由激勵(lì)源的波動(dòng)引起的誤差和由相敏檢波引起的誤差。由于ad598把振蕩器，lvdt和相敏解調(diào)器封裝在一起，不但提高了產(chǎn)品的集成度，而且大大減少了外圍元件的個(gè)數(shù)，使傳感器的性能得到大幅提高，因此，在本文中就不對(duì)相敏檢波引起的誤差進(jìn)行推導(dǎo)了。

　3.2.1 激勵(lì)源幅度波動(dòng)引起的誤差

　　由式(3)可以看出當(dāng)ep、ω、lp、rp為常數(shù)時(shí)，e2正比于△m。差動(dòng)變壓器是非閉合磁路，而且鐵芯長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于線圈長(zhǎng)度，所以△m正比于鐵芯位移，即e2正比于鐵芯位移。當(dāng)鐵芯在某一位置固定，輸出電壓e2也應(yīng)是定值。但ep或ω有變化，雖然鐵芯位置沒(méi)變，輸出電壓e2卻發(fā)生了變化，這就是激勵(lì)電壓和頻率不穩(wěn)定引起的誤差。e2是ep的一次函數(shù)。將式(3)對(duì)ep微分得到：

　　將式(4)除以式(3)得：

　　de2/e2=dep/ep即在其它條件不變的情況下，激勵(lì)源的誤差即是差動(dòng)輸出的誤差。

　　3.2.2 激勵(lì)源頻率波動(dòng)引起的誤差

　　式中：qp=ωlp/rp為差動(dòng)電壓器原邊品質(zhì)因數(shù)，其值越大因ω波動(dòng)引起的誤差越小。

　　4 誤差與精度的測(cè)定