LVDT信号调理新方法

使用直接有效值转直流转换的精密线性可变差动变压器信号调理

引言

线性可变差动变压器（LVDT）在理论上是具有无限分辨率的位移测量装置。LVDT通过比较耦合到两个变压器次级绕组中的磁通量，来确定移动的变压器铁芯的位移。一个低失真正弦波作为输入信号。两个次级绕组上的输出信号的幅度和相位决定了LVDT铁芯相对于中心的位置距离和极性。

合适的信号调理电路可以在要求苛刻的应用中实现极为精确的测量，例如在生产制造、液位测量以及结构/应变测试中。一种常见的应用是使用在波登管末端使用线性可变差动变压器来测量系统或大气压力的微小变化。

最常见的线性可变差动变压器信号调理方法是解调（即全波整流）以及对整流后的正弦波进行简单的低通滤波。然而，解调方法的精度取决于相位调节的精度。此外，解调过程中存在与开关及其相关的电荷注入和时序抖动有关的损耗。在这种情况下，很难实现12位精度。

一种更好的线性可变差动变压器信号调理方法如图487.1所示。 LTC1967真有效值RMS到DC转换器可直接将线性可变差动变压器输出的正弦波转换为精确的直流电压，其线性误差为0.15%，增益误差为0.3%。LTC1967的性能与输入相位无关，且在整个温度范围内保持卓越的性能。一个独立的电路用于确定LVDT输出的相位，该相位可用于判断LVDT铁芯位置的极性。通过这一简单电路并结合极少的校准，即可实现真正的精确性能。

线性可变差动变压器操作

线性可变差动变压器由施加在变压器初级绕组上的低失真正弦波驱动。在12位系统中，输入正弦波的失真度需低于-74dB，且幅度稳定性优于0.02%。在零位（中心位置）时，两个次级绕组接收到相同的磁耦合量，但由于线性可变差动变压器的漏磁，其间的差分电压并不为零（参见图487.2）。当LVDT铁芯向任一方向移动时，差分电压的幅度增加。差分输出的相位取决于LVDT铁芯处于中心位置的哪一侧。

电路描述

图487.1所示的线性可变差动变压器，即具有±2.5mm线性范围的SchaevitzzE‐100，由低失真、幅度稳定的3VRMS （制造商推荐幅度）正弦波激励信号驱动变压器的初级绕组。频率为10千赫，是E‐100推荐使用的最高频率，尽管存在可良好工作至数百千赫的线性可变差动变压器。若采用更高激励频率，并结合高频LTC1968 RMS到DC转换器，则可实现更短的稳定时间，并减少可能引起干扰的音频信号。

为了便于单电源工作，采用一半的LT1807放大器将输出正弦波的直流电平偏置到测量电路的共模范围内（在5V电源下约为2伏）。另一半LT1807用于缓冲LVDT输出，以保证良好的信号保真度。选择LT1807是因为其在10千赫时具有高开环增益、极低失真和高共模抑制能力，从而维持LVDT幅度信号的精度。LT1807的缓冲输出信号由LTC1967真有效值RMS到DC转换器转换为一个与变压器铁芯位移成线性比例的直流信号。

该电路的相位检测部分由一个相位调整网络（根据具体的线性可变差动变压器和激励频率提供相位超前或滞后）、一个异或（XOR）逻辑门以及一个RC低通滤波网络组成。当LVDT铁芯位于中心一侧时，电路输出为高电平；当铁芯移动到另一侧时，电路输出为低电平。两个LT1720比较器用于检测相位调整后的输入和输出正弦波的过零点。当异或门的输入一致时，其输出为低电平；当输入不一致时，输出为高电平。

当输入不一致时，RC网络将相位网络的带宽限制在1.3千赫，以限制由于轻微相位失配引起的比较器输出尖峰的影响。建议相位检测器的带限网络频率低于LVDT激励频率，以最小化相位输出纹波。

电路校准

校准信号调理电路时，首先将线性可变差动变压器移至零位（中心位置）。中心位置是幅度输出处于最小值的位置。记录相位检测器的输出电压；调节相位超前/滞后网络，使输出达到约2伏。注意极限位置处的幅度输出，其值可能因不同的线性可变差动变压器而异。

结论

图487.2显示了图487.11中电路的幅度和相位输出。一种用于线性可变差动变压器信号调理的新方法实现了稳定、精确的性能和低集成电路数量。与同步解调方案不同，该电路的准确性不依赖于手动相位调节，而仅依赖于LTC1967（或LTC1968）真有效值转直流转换器内置的高精度。该电路足够坚固，适用于多种工业和仪器应用——在整个温度范围内保持良好精度，并且对输入信号相位不敏感。一个独立且易于校准的相位检测器用于确定LVDT铁芯位于中心的哪一侧。