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基于AD698的半桥式电感位移传感器高灵敏度测量电路设计

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摘要： 针对主动磁轴承系统中电感位移传感器的高灵敏度设计要求，在对AD698芯片的输入输出特性进行了实验测量的基础上，对AD698的典型应用电路加以改进，提出了一种基于AD698的半桥式电感位移传感器高灵敏度测量电路设计方案。实验证明，相对于AD698的典型应用电路，这种方案能够显著地提高电路的灵敏度，并且输出电压的噪声没有明显增大。

关键词： AD698; 电感位移传感器; 灵敏度

电感位移传感器具有灵敏度及分辨力高、线性度好、工作可靠、寿命长等优点，作为一种精密的位移检测部件在很多领域有着广泛的应用。在位置自动测控系统中，通常采用微机或DSP来处理位移信号并进行控制，这就要设计与传感器配套的信号变送电路，将电感式位移传感器输出的交变信号转变为与位移成正比的直流信号，经AD转换后输入微机或DSP中。

AD698是一种完整的单片式线位移差动传感器信号调节系统。AD698提供了用单片电路来调理线性可变差动变压器(LVDT)信号的完整解决方案，只需附加极少量的无源元件就可实现位置的机械变量到直流电压的转换。其主要功能模块如图1所示。

目前国内已有文章详细介绍了AD698在LVDT传感器信号处理电路中的典型应用方法以及相关参数的确定方法^[2]，在油田开发领域的井径测量^[3-4]、汽车轴圆度自动检测和轴承的内外圆检测^[5]、圆柱体直径测量^[6]、三余度舵机作动器的位置检测^[7]等测量系统中基于AD698的信号处理电路均得到应用并得到良好结果。以上所有基于AD698的信号处理电路均沿用了AD698芯片手册中介绍的典型应用电路。

本文介绍了磁轴承系统中基于AD698的半桥式电感位移传感器信号处理电路的设计。针对实际应用中所遇到的问题——工作在变面积方式下的轴向电感位移传感器的灵敏度偏低，在研究了AD698输入输出特性的基础上，提出了提高传感器信号处理电路灵敏度的方法并给出具体的电路设计方案。

1 基于AD698的半桥式电感位移传感器信号处理电路

半桥式电感位移传感器按工作方式可以分为变间隙式、变面积式和螺管式，不管采用何种工作方式，其基本原理均可表述为两个线圈安装成差动方式的结构，使得线圈的电感量L与机械位移量Δx之间满足式(1)：

式(1)中,忽略了高阶小量，S为线圈电感L相对位移Δx的灵敏度。工作于不同工作方式下的电感位移传感器有不同的L₀和灵敏度S。

将这两个线圈串联后加以一定幅度的正弦激励，则两线圈上的交流电压幅值满足：

对于半桥式电感位移传感器，AD698芯片手册中列出的典型电路如图2所示。

图3是磁轴承系统中电感式径向位移传感器和电感式轴向位移传感器实物图，径向位移传感器工作方式为变间隙式，轴向位移传感器工作方式为变面积式，两种传感器采用一体化设计，线圈、铁芯参数均相同，并共用一块后级处理电路。传感器后级处理电路使用AD698芯片，采用AD698芯片手册中列出的典型电路方案（如图2所示）。

理论推导可得两传感器的电感灵敏度之比为：

式中，δ为气隙宽度，b为线圈铁芯截面长度。

实际δ为0.5mm左右，b为7.7mm，可见径向位移传感器灵敏度为轴向位移传感器的15.4倍左右。实测径向位移传感器灵敏度为26.15V/mm，轴向位移传感器灵敏度为2.28V/mm，输出电压噪声在20mV内。可见，轴向传感器灵敏度偏低，有待提高。

实际传感器的物理结构不易改变，此时可以通过改进传感器信号处理电路来提高传感器的灵敏度。

2 AD698的输入输出特性测量

要提高基于AD698的测量电路的灵敏度，就必须摸清AD698的输入输出特性。AD698芯片手册中对此并未作详细说明，为此对AD698输出电压与A、B通道输入信号电压的关系进行实验测量。实验中AD698采用±15V供电，激励电压V_exc=2.92Vrms，激励电压频率f=19.87kHz，决定输入输出灵敏度的反馈电阻R2取值为51.1kΩ, 实测结果如图4所示。

由图4可看出，在±15V供电、R2=51.1kΩ情况下，AD698有如下几点输入输出特性：

(1) 输入量A/B：A/B的有效范围为[-1，1]，超出此范围时输出电压无测量意义。

(2) 输出量Vout：Vout的有效范围为[-13.5V，13.5V]，超出此范围时无测量意义。

(3) 偏置电压Vos：Vos起到平移Vout-A/B测量曲线的作用，但是当Vos超过其有效范围时，测量曲线线性段会缩小，失去平移的意义。Vos的有效范围大小与反馈电阻R2的取值有关，在本例中，Vos的有效范围为[-12V，12V]。

当偏置电压Vos处于有效范围[-12V，12V]内时，Vout与A/B在一定范围内满足线性关系：

以上结论得自实际测量结果。而在AD698芯片手册中，AD698输入量A/B的限制范围是[0.1，0.9]，输出量Vout的限制范围是[-11V，11V]。对比可知芯片手册中的数据有所保留。这对于AD698在其他场合下的应用亦有参考意义。

3 高灵敏度测量电路设计方案及其应用结果

对于采用AD698的后级处理电路而言，要提高其灵敏度有三种方法：对AD698的输出信号或AD698的A通道输入信号进行放大以及对AD698的B通道输入信号进行缩小。

(1) 对AD698的输出信号进行放大。实验表明，AD698静态输入情况下输出信号的噪声电压在10～20mV左右，对输出信号进行放大的同时噪声信号也被放大，即使采用仪表放大器对输出端和地线间的电压信号加以放大仍然有相当大噪声存在。可见AD698输出信号与地线之间不仅有共模噪声，还有差模噪声存在。

(2) 对AD698的A通道输入信号进行放大。芯片手册中AD698的A通道输入信号幅度限制为0V～3.5Vrms，在A通道输入信号幅度较大的情况下，对放大倍数有一定的限制。

(3) 对AD698的B通道输入信号进行缩小。芯片手册中AD698的B通道输入信号幅度限制为0.1V～3.5Vrms，一般B通道输入在3Vrms左右，缩小倍数最大可达20～30。

比较以上三种方法，方法2和方法3均可行，但是方法2只在激励电压较小情况下适用，在激励电压较大情况下，只有方法3能得到较好结果。

但在应用方法3之前，还有一个问题需解决：按照AD698芯片手册中列出的半桥式LVDT典型接法（图2），传感器在零输入情况（Δx=0，L₁=L₂）下，有A/B=0.5，假定对B缩小10倍再输入AD698，此时AD698的输入量A/B=5，远大于AD698输入量的允许范围[-1，1]。

解决方法是对A通道输入采取如图5所示的电桥式接法，使得传感器在零输入情况下，有L₁=L₂，输入端Ain+、Ain-电位相等，即A=0、A/B=0，在AD698输入量的允许范围内。

综上所述，最终提高灵敏度的电路方案如图5所示（灵敏度的放大倍数由电阻Rx决定）。

图3所示磁轴承系统的径向轴向一体化电感式位移传感器中，采用图5所示的高灵敏度测量电路设计方案后，轴向位移传感器和径向位移传感器可共用一套测量电路（灵敏度大小可通过改变Rx阻值来调节），轴向变面积式位移传感器灵敏度可大大提高。在提高灵敏度的同时，输出电压与位移的线性度仍然良好，并且输出端电压噪声始终控制在30mV内。图6为轴向位移传感器提高至不同灵敏度下输出电压与位移之间的关系曲线。