LVDT数字解调方法研究

摘要：给出一种基于LVDT的数字解调系统。为了准确地测量铁芯的位置，提出了以基于FPGA的嵌入式系统平台的数字解调系统。与以往方法不同的是不仅对所得次级线圈信号采用加减法，还采用比率检测方法，通过多点的测量得到其线性系数。运用线性插值算法计算误差修正表，并且运用一种映射关系得出铁芯的真实位移值，克服了模拟电路的种种缺点，大大减小误差，还提高了线性度。通过实验证明，此数字解调系统精度最高可达万分之三。
关键词：LVDT；数字解调；FPGA；铁芯

    差动变压器式位移传感器(Inear Variable Differential Transformer，LVDT)采用电磁感应原理测量微小位移。一般情况下，对电感位移传感器(LVDT)常用的信号检测方法是运用载波放大器来完成的，载波放大器又是由解调电路模块、交流放大模块、低通滤波功能模块和常用的振荡器组成的。简单的方法就是从每个次级线圈得到调幅连续电压，通过整流、相减，通过输出的直流电压来表明铁芯的位置。这种方法中的原始信号经过了整流、加减等中间环节才得到直流电压信号，这样会使误差很大，不能得到精确的铁芯位置。

1 LVDT铁芯位移测量原理
    LVDT的结构如图1所示。

    采用环氧树脂，不锈钢等材料作为线圈骨架，用不同线径的漆包线在骨架上绕制线圈。与传统的电力变压器不同，LVDT是一种开磁路弱磁耦合的测量元件：在骨架上绕制1个初级线圈，2个次级线圈。其工作方式是当铁芯由中间向两边移动时，次级两个线圈输出的电压之差与铁芯移动成线性关系，如图2所示。

    线性可变差动变压器(LVDT)主要由一个铁芯和两个线圈组成，由于无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，且功耗低，寿命长。LVDT的初级线圈需施加正弦交流激磁电压，对激磁电压的要求主要是激磁频率、电压幅值和功率3方面。该系统的硬件实体简称为变送器。利用由现场可编程门阵列(FPGA)制作的变送器来驱动LVDT的初级线圈，并采集LVDT的2个次级线圈的输出信号Va和Vb，该变送器包括由闪存或SRAM构成的存储器、驱动LVDT初级线圈的数／模转换器(D／A)、采样LVDT2个次级线圈的2个模／数转换器(A／D)，以及数字输出模块、包括信号解调算法和与上位机通信程序的变送器软件；将采集到的LVDT两个次级线圈的输出信号Va和Vb作S=(Va-Vb)／(Va+Vb)的数字解调处理，利用LVDT铁芯的实际位移量与S之间的映射关系来实现对LVDT的信号检测。

2 硬件结构
    变送器的硬件主要包括处理器、激励信号发生器、闪存工作状态控制器、闪存和SRAM存储器、主动配置芯片、通信接口、显示屏和键盘以及电源、时钟／复位。如图3所示。

    具体实施方法参见图3，测量过程如下：
    首先，通过激励信号发生器产生正弦波数据，其频率和幅度由配置存储器中的控制字控制，激励信号送至LVDT，LVDT的次边信号送至数字解调系统，解调的结果送数字修正器进行误差修正和必要的滤波，误差修正数据存储在FPGA片外的误差表ROM存储器。修正后的结果送数字输出模块，以同步方式对外输出。数字输出同时送至模拟输出模块转换成模拟信号输出。
    校准工作过程：首先将变送器设置为校准状态，每得到一个数据点，测出其铁芯的真实位移值，通过多点的测量来得到其线性系数，校准工作在整个量程内逐点进行，上位机根据所得数据，通过线性插值算法计算误差修正表，通过处理器写入误差修正表ROM存储器。在整个量程内的校准点越密集，所得误差修正表越精确。

3 软件设计
    变送器软件是指运行于“LVDT数字变送器”中FPGA内的处理器平台之上的软件。变送器软件有3大功能：控制变送器各个部分的协同工作；与PC通信，对变送器配置、校准，采集位移数据；通过变送器的人机界面接收用户的各项指令。变送器软件采用“前后台系统”实现各任务的调度和资源分配，以提高任务级响应的实时性，同时“前后台系统”不增加额外的软件代码和处理器执行时间，留出更多的内存空间用于存放采集的实时位移数据。当上位机和FPGA启动时，首先要进行初始化，并对硬件进行配置，使其能正常的工作，由处理器来控制闪存的工作状态，此时LVDT接入系统，对未修正数据进行修正处理，最后得出准确的位移值，呈现于显示模块，如图4所示。

4 数据处理
    在此所采用的精度计算方法为采集的数据中最大值与最小值之差与满量程分辨率的比值，即：
    精度=(最大值-最小值)／65 536
    目前数字变送器输出的全部是位移相对值，其与LVDT量程对应的变送器输出值为-65 535～+65 536，没有单位，根据所用LVDT的量程，此值经过换算即可得到具有长度单位的位移量。
    从图5～图7可以看出，在一定范围内，频响带宽越小，高频成分越少，其精度越高。

    保持LVDT温度和铁心位置不变，数字变送器频响设置为150 Hz，使数字变送器温度从20℃升至50℃，然后自然降温至30℃，此过程中记录数字变送器输出的位移相对值。结果为：变送器输出最大变化量是满量程的16．8×10-4。如图8所示。

5 结语
    采用对两个次级线圈的输出信号Va和Vb做S=(Va-Vb)／(Va+Vb)的处理方法，克服了以往噪声干扰过大的缺点，并由DDS产生正弦激励信号，以及进行数字误差修正和数字滤波，使位移的测量精度相对传统方法提高一个数量级。