AD698解调的电感位移传感器性能提升.pdf

2 01 0钲 第 9期 仪表 技术与传感器 I ns t r ume n t Te chn iqu e a nd Se n s o r 2 01 O No 9 A D6 9 8解调的电感位移传感器性能提升 张剀 董金平 戴兴建 清华大学工程物理 系 北 京1 0 0 0 8 4 摘要 A D 6 9 8信号调理芯片应用于电感位移传感器作为信号处理模块 具有优 良的性能 但应用于磁轴承系统位移 检测时 需要进一步提升性能指标 针对 A D 6 9 8 存在的驱动能力不够 接 口电压偏低 带宽偏低等不足 进行 了电路方案 的优化 保留A D 6 9 8的解调模块 但置换 了它的正弦发生与功率驱动模块 通过应用新的电路设计方案 实现了电感传 感 器带宽的扩展 并提升 了传感 器灵敏度 关键词 A D 6 9 8 电感位移传感器 带宽 中图分类号 T H 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 2 1 8 4 1 2 0 1 0 0 9 0 0 1 0 0 3 Pe r f o r ma n ce I mp r o v e m e n t o f I n d uct iv e Dis pla ce m e nt S e n s o r Ba s e d o n AD6 9 8 Z H A N G K a i D O N G J i n p in g D A I X in g j ia n E n g in e e r in g P h y s ics D e p a r t me n t T s in g h u a U n iv e r s it y B e i j n g 1 0 0 0 8 4 C h in a Ab s t r a ct An in d u ct iv e d is p la ce me n t s e n s o r wit h g o o d p e rfo r ma n ce ca n b e a ch ie v e d u s in g a n AD 6 9 8 ch ip a s it s s ig n a l co n d i t io n in g mo du le W h e n s uch a s e n s o r wa s us e d in a n a ct iv e ma g ne t ic be a r ing s y s t e m it s p e r f o rma n ce s h o uld be imp r o v e d b e ca u s e o f s o me d is a d v a n t a g e s s u ch a s t h e cu r r e n t ca r r y in g ca p a b ilit y is lo w t h e in p u t v o lt a g e r a n g e is limit e d t h e b a n d wid t h is n a r r o w S o me t e ch n iq u e s we r e u s e d t o imp r o v e t h e cir cu it p e rf o rm a n ce A n e w p o w e r a mp lif ie r mo d u le a n d a n e w s ig n a l g e n e r a t o r we r e u s e d t o r e p la ce t h e co rre s p o n d in g mo d u le s o f AD6 9 8 T h e y w o r k e d we ll wit h t h e d e mo d u la t io n mo d u le o f AD 6 9 8 W it h t h e n e w cir cu it d e s ig n u s e d t h e b a n d w id t h o f t h e in d u ct iv e s e n s o r is e x t e n d e d a n d t h e s e n s o r s e n s it iv it y is imp r o v e d Ke y wo r d s AD6 98 ind uct iv e dis pla ce me n t s e ns o r b a n d widt h 0引言 电感式传感器结构简单 线性度好 抗干扰能力强 灵敏度 高 工作可靠 在位移检测方面具有广泛应用 包括电磁轴承系 统的位移检测 电磁轴承利用定子上的电磁铁与转子上的铁 磁材料之间的吸力实现支承 需传感器实时测量转子位移 传 感器精度直接影响轴承精度 属关键部件 性能要求很高 而电 感传感器是很好的选择 电感传感器由电磁线圈探头 铁磁性被测体 线圈激励电 路 信号解调电路组成 线圈激励 电路提供载波信号 作用于 线圈 线圈与被测体组成调制单元 将被测体位移变化转换为 线圈阻抗变化 再经电路转换为载波调制信号 解调 电路将调 制信号从载波中取出 可获得位移电压信号 而稳定的信号激 励电路及信号解调电路是其关键环节 载波通常是固定频率 正弦波 其频率会限制传感器带宽 带宽通常是载波频率的 1 5 1 1 0 载波信号应有一定带载能力 驱动电磁线圈 产生足够 强度的电磁信号 以保证传感器抗干扰能力 另外 载波的稳定 性直接影响传感器稳定性 载波确定后 解调电路决定传感器 的灵敏度 分辨率 稳定度 A D 6 9 8集成了对差动变压位移传感器 L V D T 的信号激励 与调理功能 可将被测体机械位移转换为直流电压 其核心 模块是一除法器 将原载波信号与经传感器调制的信号同时输 入除法器 其输出直接对应位移测量值 除法运算能显著降低 载波信号波动对位移输出的影响 这是一款性能优良的L V D T 芯片 研究者在 A D 6 9 8应用所开展工作 通常基于芯片手册介 绍的典型电路 J 该电路方案应用于电磁轴承系统存在不 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 2 0 收修改稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 3 足 需采取措施提升传感器性能 不 足包 括 1 激励源最大驱动能力 5 0 m A 限制传感器信噪比提升 2 解调单元 A B口输入 电压不得超过 3 5 V 限制了接 人信号的幅度 3 调制波最高工作频率2 0 k H z 限制了传感器带宽 而且 对同一电感探头而言 载波频率低 相同激励电压下 驱动单元 损耗较大 针对不足 采取措施 优化 了传感器电路方案 实验结果 表明 增加功率输出模块 可提升 A D 6 9 8带载能力 通过匹配电 路 可扩展其输人接口电压范围 并提升传感器灵敏度 通过增 设高稳定度正弦波发生器 替换 A D 6 9 8正弦驱动单元 并保留 其解调模块 可使传感器工作于更高载波频率 降低探头线 圈 电感阻抗要求 并实现传感器带宽扩展 1 基 于 AD 6 9 8的半桥式 电感位移传 感器 半桥式电感传感器结构简单 出线少 不失一般性 选其 作研究对象 传感器定子 由两对线圈构成 线圈差动安装 并 串接在一起 引出3根导线 两端抽头接激励信号 连接两线圈 的中间抽头作检测点 当铁芯在差动线圈中发生位移变化 中 间抽头的信号会相应改变 反映位移变化 电磁轴承应用中 半桥式电感位移传感器有变问隙式 变 面积式 2种工作方式 其基本原理相通 一对差动线圈的电感 量 与机械位移量 A x之间满足如下关系 1r 12 r 0 A x 1 0 r 2 J2 o 一 一 x A x 2 第 9期 张剀等 A D 6 9 8 解调的电感位移传感器性能提升 式中 为平衡位置处线圈电感 当这 2 个线圈串联 并通过固定幅度与频率的正弦波进行 激励 两线 圈上 的交流电压幅值满足式 3 U U 1 L L 0 5 S A x 2 3 式中S为电感 相对位移 A x的灵敏度 以半桥工作方式连接的磁轴承电感径向位移传感器定子 实物如图1 针对半桥式电感传感器 A D 6 9 8 芷 片手册中列出 了典型电路作为参考设计 在此不再赘述 图 1 磁轴承电感传 感器定 子 传感器尺寸等物理参数固定后 其线圈电感值便 间接固 定 使用 A D 6 9 8进行驱动与信号解调 会遇到前边所提驱动能 力不足 接 口电压不匹配 带宽不足等问题 2 电感位移传感器 电路 改进 2 1 驱动能力提升 磁轴承位移传感器工作于强电磁环境 中 要求传感器载波 信号具一定带载能力 这关系到传感器抗干扰能力 A D 6 9 8载 波最大驱动能力仅 5 0 m A 限制了它的应用 这一问题通过外 接功率放大模块解决 即在 A D 6 9 8芯片与传感器线圈之间增加 一 功率放大模块 使 电路驱动能力与外接电感负载得以匹配 此措施明显减小 A D 6 9 8驱动负担 可降低其工作温升 获得额 外好处 利于提升其解调部分的长时间稳定性 功率模块采用 集成功放 L M1 8 7 5 其电源电压可达 3 0 V 最大驱动功率达 3 0 w 带宽大于 7 0 k H z 可完成提升系统功率驱动能力的任务 2 2 解调输入接 口电压匹配 A D 6 9 8 解调单元 A B口输入电压要求小于 3 5 V 限制了 输入载波信号与调制信号的幅度 为提升传感器信噪比 需增 加传感器线圈驱动电压 驱动电压提高后 传感器线圈输出信 号往往会超过 A B通道输 入 电压 范 围 为解 决输入 电压 限制 问题 需设计电压匹配电路 添加到 A B输入接 口前 调理电 路可设计成 比例 电路 按设定 比例 降低 输入 电压 使其不 超 出 A D 6 9 8 芯 片限定 的范 围 2 3 带宽的提升 要提升电感位移传感器的测量带宽 需提高载波信号的频 率 为此 可通过添加具有更高频率的高精度正弦波发生电 路 替换 A D 6 9 8内部的正弦发生单元 并保留其解调部分 从而 拓宽整个传感器电路带宽 2 4 总体方案 综合前述措施 外接功率放大模块解决 A D 6 9 8驱动能力不 足问题 通过在 A B输入接 口前添加调理电路解决 A D 6 9 8输 入电压限制 问题 通过 增加高精 度正 弦波发生 电路 替换 A D 6 9 8的正弦发生器解决载波频率偏低问题 获得的传感器 电路总体优化方案 如图2所示 3实验结果 传 感器 线圈 图 2总体方案原理框图 3 1 驱动 能力提升实验 为提升传感器正弦激励信号的驱动能力 引入了集成功放 芯片 L M1 8 7 5 并通过实验验证该模块的实际效果 具体方案 A D 6 9 8正弦波发生模块输出的正弦波不直接驱动线圈 而是输 送到外部功率模块 L M1 8 7 5 由其驱动电感线圈 实验主要关注正弦波经过 L M1 8 7 5后的稳定性 这直接与 传感器输 出稳定 性相关 为 此通过 高精度数 字万用 表对 A D 6 9 8输出的正弦波信号 及功率放大模块输出信号的有效值 进行了较长时间的监测 图3为监测结果 在 3 0 0 m i n内 功率 放大器很好地对 A D 6 9 8的激励信号进行了跟随 6 5 3 6 5 2 6 5 1 6 5 髻6 4 9 6 4 8 6 4 7 64 6 O 5 0 1 0 o 1 5 o 2 0 0 2 5 0 3 0 0 时间 t rain 图3 A D6 9 8正弦波输出与集成功放输 出监测 驱动 实验证 明 通过 L M1 8 7 5大幅提 升 A D 6 9 8的线圈驱动 能力是完全可行 的 3 2 解调 输入 接口电压 匹配实验 为匹配 A D 6 9 8芯片 A B口输入电压 在传感器线圈与 A B输入接口之前添加 比例调整电路 按设定 比例降低输入电 压 以满足 A D 6 9 8的电压限制 另外 若令 B通道调理电路增 益较 A通道低 根据除法原理 A B的值增加 可增加传感器灵 敏度 当然 这种增益的调整需要遵循一定规则 比例电路 通过运放搭建 构成增益为 0 4 3的比例环节 可把有效值 7 V 以内的输入信号转换到 3 V以内 为验证方案有效性 测量 了电路的位移输出特性 通过 A D 6 9 8驱动传感器线圈 输出正弦波有效值取 6 5 2 V 频率 2 0 k H z 位移范围约 4 0 1 5 mm 若线圈信号直接与 A D 6 9 8相连 A B口输入电压均超出许可范围 增加调理电路后 传感器静 态测量曲