基于LVDT的高精度、数字式水平仪

　　0　引言

　　目前广泛应用的微小角度测量仪器多采用电容传感器,但是存在精度不稳定、测量结果的离散性比较大、测量效率低、测量范围相对较小等缺点。而电感式传感器相对于电容式来说虽然需要较高的输入能量、结构相对复杂,但是其在精密测量领域具有测量范围较大、测量精度和测量效率较高的优点。介绍一种基于 LVDT的高精度、数字式微小角度测量系统。

　　1　角度测量系统的组成

　　角度系统硬件结构主要由差动变压器式传感器LVDT、信号调理电路、MSP430微处理器、键盘控制模块、液晶显示模块和计算机控制模块组成。

　　1·1　传感器工作原理

　　该仪器采用了差动变压器式传感器LVDT,LVDT是机械-电子传感器,它的输入信号是铁芯的机械位移量,输出是一对与铁芯位置成正比的交流信号。LVDT件包含一个初级绕组两个次级绕组,初级由外部参考正弦波信号源激励。两个次级绕组串接,活动铁芯的移动可以改变初次级的耦合磁通,从而产生两个幅值不同的交流信号。

　　1·2　测试系统机械设计

　　仪器的机械结构设计采用了双片簧精密微位移机械结构,系统机械设计及其实物外观如图2所示。它包括3部分:一部分为支架和底座的连接,另一部分为固定工件-固定在支架上的固定工件,第三部分为摆动工件。押动工件和固定工件由一对双片簧连接。在测量过程中,如果仪器放置的表面有倾角,则仪器的整个结构也会倾斜。但是摆动工件将由于重力的作用退回到倾斜的相反方向。这样,LVDT(线性位移差动变压器)的线圈和轴心将会有一个相对位移,而这个相对位移将会转化为一个模拟电压输出。一对双片簧引导着摆动件工件的移动。

　　由于该设计结构简单,所以在工作的过程中不会有磨损和损坏,并且在功能或精度上不会产生交叉影响。在设计过程中,最重要的因素就是控制和降低片簧的滞后现象。为了满足这个需要,必须遵从2个原则:第一,制作片簧的材料应具有小的滞后作用,为此选择了一种利用镍钛铝合金制作的双片簧;第二,在工作过程中,最大偏移量Y应比片簧的最大弹性位移小4~5倍。片簧的最大弹性位移δmax可以表示为

式中σ为片簧的弹性极限。

　　1·3　测量电路设计

　　1·3·1　信号调理电路设计

　　AD598是新型的LVDT专用信号处理芯片。它包含正弦波振荡器、功率放大器、解码器、滤波器及输出放大器。正弦波振荡器由一个多谐振荡器构成,它输出的3次谐波驱动一个正弦波发生器,从而产生由外接电容定频的低畸变正弦波。输出频宽为20 Hz~20 kHz,幅值有效值为2~24 V,总谐波失真典型值为50 dB.正弦波振荡器和功率放大器用来驱动LVDT的初级线圈。