本發(fā)明涉及一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，屬于智能位移傳感器技術(shù)。

背景技術(shù)：

線位移傳感器(lvdt)是一種絕對位移傳感器，一般由線位移傳感器本體和線位移傳感器激磁電路、解調(diào)電路(以下統(tǒng)稱為激磁解調(diào)電路)構(gòu)成。線位移傳感器本體能夠?qū)⒕€形位移或位置從機(jī)械參考點(零點)轉(zhuǎn)化為包含相位(方向)和幅度(距離)信息的比例信號，激磁解調(diào)電路負(fù)責(zé)給線位移傳感器本體產(chǎn)生激磁電源，并接收線位移傳感器本體的輸出信號，對其進(jìn)行解調(diào)，得到線形位移或位置信息。線位移傳感器在飛行控制系統(tǒng)中的操縱系統(tǒng)(包括操縱桿、腳蹬等)以及舵面位置控制系統(tǒng)(如作動筒位置、舵面位置、伺服閥位置等)有廣泛應(yīng)用。由于航空飛行器的部件工作環(huán)境溫度變化范圍大(一般為-40度～80度)，在這種溫度變化范圍內(nèi)，激磁解調(diào)電路中的電子元器件參數(shù)會發(fā)生較大變化，嚴(yán)重影響線位移傳感器的檢測精度。因此在全溫范圍內(nèi)保證線位移傳感器的高精度檢測是目前應(yīng)用中的一個難題。

目前同類線位移傳感器的激磁解調(diào)電路產(chǎn)品普遍采用的是單fpga搭載片外da、ad和調(diào)理電路的硬件架構(gòu)，這種架構(gòu)存在以下幾個問題：

1、受限于fpga的運算處理能力，這種架構(gòu)只能在常溫下對線位移傳感器進(jìn)行解調(diào)的精度矯正。在高低溫狀態(tài)時，由于溫度對電子元器件的參數(shù)有影響，檢測精度會明顯降低(嚴(yán)重時可達(dá)一個數(shù)量級)，影響檢測效果。

2、激磁解調(diào)電路的信號檢測易受干擾，影響檢測精度。由于這種架構(gòu)的激磁解調(diào)電路體積較大，與線位移傳感器本體是分離式結(jié)構(gòu)，因此線位移傳感器本體輸出的高低端模擬信號到激磁解調(diào)電路之間距離較長，容易引入干擾影響檢測精度。

3、電子器件數(shù)目較多，激磁解調(diào)電路的體積大，成本高。這種架構(gòu)的激磁解調(diào)電路需要獨立的da和ad，電路板面積相對較大，同時器件價格總量較高。

4、線位移傳感器本體和線位移傳感器解調(diào)電路的精度矯正需獨立進(jìn)行，矯正過程較為繁瑣。同類產(chǎn)品需要對線位移傳感器本體和線位移傳感器解調(diào)電路通過修改硬件參數(shù)的辦法分別進(jìn)行精度矯正，矯正過程需要耗費大量時間和人力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的為了提高線位移傳感器在全溫范圍內(nèi)的檢測精度，優(yōu)化激磁解調(diào)電路的硬件架構(gòu)，實現(xiàn)線位移傳感器本體與激磁解調(diào)電路的一體化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化線位移傳感器精度矯正方法。本發(fā)明設(shè)計了一種線位移傳感器的激磁解調(diào)電路和精度矯正方法，通過曲線擬合的方法實現(xiàn)了全溫范圍內(nèi)線位移傳感器解調(diào)信號的精度矯正，極大提高了線位移傳感器的檢測精度。通過單處理器+調(diào)理電路的硬件架構(gòu)縮小了激磁解調(diào)電路的體積，實現(xiàn)了線位移傳感器本體和激磁解調(diào)電路的一體化結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了通過軟件算法完成線位移傳感器的精度矯正過程。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，所述方法基于如下電路實現(xiàn)，該電路包括處理器(1)，電壓參考芯片(2)，運算放大器芯片一(3)，運算放大器芯片二(4)，運算放大器芯片三(5)，三極管(6)，電源模塊(7)；所述電路包括線位移傳感器解調(diào)電路和線位移傳感器激磁電路兩部分；

線位移傳感器解調(diào)電路由電壓參考芯片(2)和運算放大器芯片一(3)構(gòu)造參考電平vc，由參考電平vc提供直流偏置調(diào)整信號；線位移傳感器本體的高端輸出信號vh經(jīng)運算放大器芯片二(4)進(jìn)行濾波，直流偏置調(diào)整和幅值調(diào)整得到信號一vh1、線位移傳感器本體的低端輸出信號vl經(jīng)運算放大器芯片三(5)進(jìn)行濾波，直流偏置調(diào)整和幅值調(diào)整得到信號二vl1。vh1和vl1輸入到處理器(1)的ad管腳進(jìn)行采樣，處理器(1)讀取ad管腳的采樣并對采樣值進(jìn)行解算和精度矯正；

線位移傳感器激磁電路：由處理器(1)的da輸出模擬正弦激磁信號vs，通過運算放大器芯片一(3)和三極管(6)構(gòu)成的功率放大電路進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)和功率放大后輸出至線位移傳感器本體作為激磁信號；

所述方法采取以下步驟：

1)根據(jù)所述線位移傳感器解調(diào)電路中運算放大器芯片一(3)，運算放大器芯片二(4)，運算放大器芯片三(5)的電路參數(shù)，設(shè)計得到理論上線位移傳感器本體輸出信號的解調(diào)算法，并在處理器中通過計算機(jī)語言實現(xiàn)；

2)在線位移傳感器的工作溫度范圍內(nèi)等間距取多個溫度值；在每個溫度值下用信號發(fā)生器模擬線位移傳感器本體的輸出信號，將信號發(fā)生器的輸出信號加載到線位移傳感器解調(diào)電路的入口；改變該輸出信號的幅值，以模擬線位移傳感器全量程的輸出特性，人工記錄對應(yīng)處理器(1)計算的解調(diào)值；得到在每個溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的信號解調(diào)值隨輸入信號有效值的變化樣本數(shù)據(jù)；

3)對每個溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值和對應(yīng)處理器(1)計算的信號解調(diào)值進(jìn)行線性擬合，得到在該溫度下線位移傳感器解調(diào)電路輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)關(guān)系式；通過修正函數(shù)關(guān)系式，能夠?qū)崿F(xiàn)在該溫度下對任意輸入的信號解調(diào)值的精度矯正；

4)將各溫度值下的線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)關(guān)系中對應(yīng)的系數(shù)關(guān)于溫度進(jìn)行高次擬合，得到修正函數(shù)關(guān)于溫度的表達(dá)式；即能夠通過檢測當(dāng)前溫度擬合得到當(dāng)前溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)；

5)將步驟4)中得到的修正函數(shù)關(guān)于溫度的關(guān)系式在處理器(1)中用計算機(jī)語言實現(xiàn)，通過處理器(1)自帶的溫度傳感器實時檢測溫度，結(jié)合修正函數(shù)關(guān)于溫度的關(guān)系式，擬合當(dāng)前溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)，并用這個修正函數(shù)對當(dāng)前的信號解調(diào)值進(jìn)行精度校正。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，其特征在于，所述處理器(1)具有自帶的16位ad、12位da和溫度傳感器。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，其特征在于，所述運算放大器芯片一(3)，運算放大器芯片二(4)，運算放大器芯片三(5)，采用ad8629型號的放大器，其失調(diào)電壓最大值為1μv，輸入失調(diào)漂移最大值為0.002μv/℃，輸入偏置電流最大值為100pa。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，其特征在于，所述電壓參考芯(2)片采用型號為adr391b，其輸出溫度系數(shù)為9ppm/℃，初始精度為±4mv。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，其特征在于，所述放大器芯片外圍電路使用的電阻精度都為0.1％精度，溫度系數(shù)為25×10^-6/℃。

本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果：

1)在全溫范圍內(nèi)對線位移傳感器的信號解調(diào)值進(jìn)行精度矯正，達(dá)到全溫范圍0.5％的檢測精度，與同類產(chǎn)品相比精度提高4倍以上。

2)線位移傳感器的激磁解調(diào)電路采用單處理器+調(diào)理電路的硬件架構(gòu)，相比于同類產(chǎn)品fpga搭載片外ad、da和調(diào)理電路的硬件架構(gòu)，有效減少了電子元器件數(shù)目，節(jié)約了硬件成本，有利于減小電路板面積。

3)激磁解調(diào)電路尺寸小(9mm*3.5mm*60mm)，可放置于線位移傳感器本體內(nèi)部，形成一體化結(jié)構(gòu)，有效減小了線位移傳感器本體輸出模擬信號的傳輸距離，減小信號的干擾。

4)通過利用線位移傳感器激磁解調(diào)電路上數(shù)字處理器的計算能力，實現(xiàn)了線位移傳感器本體和激磁解調(diào)電路解調(diào)精度的軟件矯正功能和一體化矯正功能，極大簡化了線位移傳感器的精度矯正過程。

5)可兼容usb、422等多種數(shù)字通信接口，便于線位移傳感器信號的解調(diào)值對外的遠(yuǎn)距離傳輸。

附圖說明

圖1線位移傳感器激磁解調(diào)電路硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2精度矯正流程圖

其中，1是處理器，2是參考電源芯片，3是運算放大器芯片一，4是運算放大器芯片二，5是運算放大器芯片三，6是三極管，7是電源模塊。

具體實施方式

一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，所述方法基于如下電路實現(xiàn)，該電路包括處理器(1)，電壓參考芯片(2)，運算放大器芯片一(3)，運算放大器芯片二(4)，運算放大器芯片三(5)，三極管(6)，電源模塊(7)；所述電路包括線位移傳感器解調(diào)電路和線位移傳感器激磁電路兩部分；

線位移傳感器解調(diào)電路由電壓參考芯片(2)和運算放大器芯片一(3)構(gòu)造參考電平vc，由參考電平vc提供直流偏置調(diào)整信號；線位移傳感器本體的高端輸出信號vh經(jīng)運算放大器芯片二(4)進(jìn)行濾波，直流偏置調(diào)整和幅值調(diào)整得到信號一vh1、線位移傳感器本體的低端輸出信號vl經(jīng)運算放大器芯片三(5)進(jìn)行濾波，直流偏置調(diào)整和幅值調(diào)整得到信號二vl1。vh1和vl1輸入到處理器(1)的ad管腳進(jìn)行采樣，處理器(1)讀取ad管腳的采樣并對采樣值進(jìn)行解算和精度矯正；

線位移傳感器激磁電路：由處理器(1)的da輸出模擬正弦激磁信號vs，通過運算放大器芯片一(3)和三極管(6)構(gòu)成的功率放大電路進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)和功率放大后輸出至線位移傳感器本體作為激磁信號；

所述方法采取以下步驟：

1)根據(jù)所述線位移傳感器解調(diào)電路中運算放大器芯片一(3)，運算放大器芯片二(4)，運算放大器芯片三(5)的電路參數(shù)，設(shè)計得到理論上線位移傳感器本體輸出信號的解調(diào)算法，并在處理器中通過計算機(jī)語言實現(xiàn)；

2)在線位移傳感器的工作溫度范圍內(nèi)等間距取多個溫度值；在每個溫度值下用信號發(fā)生器模擬線位移傳感器本體的輸出信號，將信號發(fā)生器的輸出信號加載到線位移傳感器解調(diào)電路的入口；改變該輸出信號的幅值，以模擬線位移傳感器全量程的輸出特性，人工記錄對應(yīng)處理器(1)計算的解調(diào)值；得到在每個溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的信號解調(diào)值隨輸入信號有效值的變化樣本數(shù)據(jù)；

3)對每個溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值和對應(yīng)處理器(1)計算的信號解調(diào)值進(jìn)行線性擬合，得到在該溫度下線位移傳感器解調(diào)電路輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)關(guān)系式；通過修正函數(shù)關(guān)系式，能夠?qū)崿F(xiàn)在該溫度下對任意輸入的信號解調(diào)值的精度矯正；

4)將各溫度值下的線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)關(guān)系中對應(yīng)的系數(shù)關(guān)于溫度進(jìn)行高次擬合，得到修正函數(shù)關(guān)于溫度的表達(dá)式；即能夠通過檢測當(dāng)前溫度擬合得到當(dāng)前溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)；

5)將步驟4)中得到的修正函數(shù)關(guān)于溫度的關(guān)系式在處理器(1)中用計算機(jī)語言實現(xiàn)，通過處理器(1)自帶的溫度傳感器實時檢測溫度，結(jié)合修正函數(shù)關(guān)于溫度的關(guān)系式，擬合當(dāng)前溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)，并用這個修正函數(shù)對當(dāng)前的信號解調(diào)值進(jìn)行精度校正。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，其特征在于，所述處理器(1)具有自帶的16位ad、12位da和溫度傳感器。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，其特征在于，所述運算放大器芯片一(3)，運算放大器芯片二(4)，運算放大器芯片三(5)，采用ad8629型號的放大器，其失調(diào)電壓最大值為1μv，輸入失調(diào)漂移最大值為0.002μv/℃，輸入偏置電流最大值為100pa。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，其特征在于，所述電壓參考芯(2)片采用型號為adr391b，其輸出溫度系數(shù)為9ppm/℃，初始精度為±4mv。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，其特征在于，所述放大器芯片外圍電路使用的電阻精度都為0.1％精度，溫度系數(shù)為25×10^-6/℃。

下面的結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。

本發(fā)明的原理：

一種線位移傳感器激磁及信號解調(diào)方法，所述方法基于如下電路實現(xiàn)，該電路包括處理器(1)，電壓參考芯片(2)，運算放大器芯片一(3)，運算放大器芯片二(4)，運算放大器芯片三(5)，三極管(6)，電源模塊(7)；所述電路包括線位移傳感器解調(diào)電路和線位移傳感器激磁電路兩部分；

線位移傳感器解調(diào)電路由參考電源芯片(2)產(chǎn)生2.5v電壓參考信號，電壓參考信號通過運算放大器一(3)的一個通道進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，得到0.86v的參考電壓vc，用于給線位移傳感器本體的高低端輸出信號提供直流偏置電壓。

線位移傳感器本體的高端輸出信號vh經(jīng)運算放大器芯片二(4)的一個通道進(jìn)行幅值調(diào)整，濾波和直流偏置調(diào)整得到vh1，放大系數(shù)為-0.826，濾波器截止頻率為4.7khz(本項目使用的線位移傳感器本體激磁信號頻率為1.8khz)，直流偏置電壓為0.86v。通過運算放大器芯片二(4)的第二通道完成一級跟隨電路，將vh1輸入處理器(1)的ad管教進(jìn)行采樣；線位移傳感器本體的低端輸出信號vl經(jīng)運算放大器芯片三(5)的一個通道進(jìn)行幅值調(diào)整，濾波和直流偏置調(diào)整得到vl1，放大器參數(shù)與線位移傳感器的高端輸出信號vh通道完全相同。將vl1輸入處理器(1)的ad管腳進(jìn)行采樣；

線位移傳感器激磁電路：由處理器(1)的da輸出模擬正弦激磁信號vs，通過運算放大器芯片一(3)的第二通道和三極管(6)構(gòu)成的功率放大電路進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，放大系數(shù)為1.306倍，由三極管(6)完成功率放大功能，將輸出電流負(fù)載能力擴(kuò)大為500ma，作為線位移傳感器本體的激磁信號；

處理器(1)選用型號為mk22fn512vmp12，內(nèi)部集成16位ad和12位da，同時集成溫度傳感器，可實時采集當(dāng)前環(huán)境溫度；所有運算放大器芯片采用型號為ad8629，其失調(diào)電壓最大值為1μv，輸入失調(diào)漂移最大值為0.002μv/℃，輸入偏置電流最大值為100pa；電壓參考芯片(2)采用型號為adr391b，其輸出溫度系數(shù)為9ppm/℃，初始精度為±4mv；三極管(6)選用bc817-40，耐壓值為50v，最大導(dǎo)通電流為500ma；電源芯片(7)采用型號為tc1262-3.3vdb，將外部5v輸入電壓轉(zhuǎn)為3.3v；所有電阻均采用b精度電阻，精度值為0.1％，溫度系數(shù)為25×10^-6/℃；

所述線位移傳感器的信號解調(diào)方法采取以下步驟：

1)根據(jù)所述線位移傳感器解調(diào)電路中運算放大器一(3)，運算放大器二(4)，運算放大器三(5)的參數(shù)，計算得到線位移傳感器輸出高端信號和低端信號經(jīng)調(diào)理電路產(chǎn)生的幅值放大系數(shù)k和直流偏置電壓vd，即vh1＝kvh+vd、vl1＝kvl+vd。在處理器(1)中將vh1和vl1進(jìn)行還原得到vh和vl，將還原后的vh和vl進(jìn)行數(shù)字整流并濾波，得到vh和vl的平均值，再將vh和vl的平均值做差得到輸入信號的解調(diào)值vp。在處理器(1)中將由ad采集值vh1和vl1獲得解調(diào)值vp的算法用軟件語言實現(xiàn)。

2)在線位移傳感器的工作溫度范圍內(nèi)等間距取多個溫度值；在每個溫度值下用信號發(fā)生器模擬線位移傳感器本體的輸出信號，將信號發(fā)生器的輸出信號加載到線位移傳感器解調(diào)電路的入口；改變該輸出信號的幅值，模擬線位移傳感器本體全量程的輸出特性，人工記錄對應(yīng)處理器(1)計算的解調(diào)值；得到線位移傳感器解調(diào)電路在每個溫度下的信號解調(diào)值隨輸入信號有效值的變化樣本數(shù)據(jù)；

3)對每個溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值和對應(yīng)處理器(1)計算的信號解調(diào)值進(jìn)行線性擬合，得到線位移傳感器解調(diào)電路在該溫度下輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)關(guān)系式；通過修正函數(shù)關(guān)系式，能夠?qū)崿F(xiàn)在該溫度下對任意輸入的信號解調(diào)值的精度矯正；

4)將各溫度值下的線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)關(guān)系中對應(yīng)的系數(shù)關(guān)于溫度進(jìn)行高次擬合，得到修正函數(shù)關(guān)于溫度的表達(dá)式；即能夠通過檢測當(dāng)前溫度擬合得到當(dāng)前溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)；

5)將步驟4)中得到的修正函數(shù)關(guān)于溫度的關(guān)系式在處理器(1)中用計算機(jī)語言實現(xiàn)，通過處理器(1)自帶的溫度傳感器實時檢測溫度，結(jié)合修正函數(shù)關(guān)于溫度的關(guān)系式，擬合當(dāng)前溫度下線位移傳感器解調(diào)電路的輸入信號有效值與信號解調(diào)值的修正函數(shù)，并用這個修正函數(shù)對當(dāng)前的信號解調(diào)值進(jìn)行精度校正。

實施例一

處理器(1)選用mk22fn512vmp12；電壓參考芯片(2)選用adr4525；運算放大器芯片一(3)，運算放大器芯片二(4)，運算放大器芯片三(5)選用六片ad8628代替；三極管(6)選用bc817-40；電源芯片(7)采用型號為tc1262-3.3vdb。

實施例二

處理器(1)選用mk22fn512vmp12；電壓參考芯片(2)選用adr431b；運算放大器芯片一(3)，運算放大器芯片二(4)，運算放大器芯片三(5)選用ad8629，三極管(6)選用bc818-40；電源芯片(7)采用型號為tc1262-3.3vdb。