用AD698实现LVDT(线性可变差动变压器)测量产品真圆度的设计

Mr.Xiang

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背景

在工业生产过程中，对于各类零件通常都有形位公差的要求，比较常见的是对带有圆形表面零件的真圆度要求。我在实际项目就遇到过客户希望我们提供一套测量轴类零件真圆度的测量系统。图1展示的是一个有形状误差的轴类零件，通过在x和y轴两个自由度上布置直线位移传感器即可换算得到该圆形截面的真圆度，真圆度＝（Dmax−Dmin）/2，即直径最大值和最小值的差再除以2。为了实现直线位移的精确测量，我们采用LVDT(Linear Variable Displacement Transducer)的方案，并选择了Analog Devices公司的AD698作为信号调节器。

图1 真圆度测量示意图

 

AD698 芯片简介

AD698是一款通用LVDT信号调理器芯片，它与LVDT一起使用。LVDT的工作原理简单地说是铁芯可动变压器。副边输出的交流电压大小取决于铁芯位移量的大小。图2是AD698的功能框图，AD698芯片通过内部振荡器OSCILLATOR输出激励信号经过功率放大器AMP给LVDT的原边线圈通电；芯片采集原边和副边的电压，解码后得到输出信号电压与输入驱动电压(A/B)的比值，经过滤波器FILTER和输出放大器AMP后输出直流电压，输出的直流电压与变压器铁芯位置成正比。

图2 AD698 功能框图

 

评估板系统方案

首先我们可以看下Analog Device公司提供的示例方案：CN0301。CN0301方案的部分原理图如图3和图4所示。从图3中可见，AD698芯片需要±15V的供电，图3中红色框出的外围电阻电容等器件决定了激励信号的幅值、频率，以及系统的带宽。LVDT磁芯的位移信息通过LVDT_OUT信号以模拟量传递。图4展示了模拟信号LVDT_OUT的后续处理，R19和C34组成一个RC低通滤波器去除信号的高频噪声，而运算放大器U3是用作电压跟随器，保证运放U3输出端的电压始终跟随LVDT_OUT，不会因为两边阻抗大小不同损失电压。图4中的AD7992是对模拟信号做转换，将其转换为数字信号并采用IIC总线传出。

图3 CN0301部分电路原理图1

图4 CN0301部分电路原理图2

图5是评估版CN0301的实物图，我在图上标注了主要电路模块的功能。右边是LVDT传感器，CN0301评估板支持两路的LVDT信号输入，评估板靠下的部分是电源电路，分别产生±15V和5V的电压。

图5 AD698的示例方案—CN0301

 

带上位机的系统方案

在实际应用中，我们需要采用PC来监测LVDT采样的直线位移信息，因此我们设计了图6所示的LVDT测量系统方案。LVDT采集板将原始模拟信号或是IIC数字信号传递给采集信号转换板，信号转换板的作用主要是和PC通信，当然也可以将LVDT采集板和采集信号转换板设计在一个板子上。最后，采集信号转换板采用UART协议将包含LVDT直线位移信息的报文发送给PC，PC端专用的上位机界面显示直线位移信息或是零件的真圆度。

图6 带上位机的LVDT测量系统

合肥LVDT位移传感器厂家

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