一种LVDT位移传感器数据采集方法

技术领域

本申请涉及位移传感器的技术领域，尤其是涉及一种LVDT位移传感器数据采集方法。

背景技术

LVDT(Linear Variable Differential Transformer)是线性可变差动变压器缩写，属于直线位移传感器。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈，一个或两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。在初级线圈上施加一个交变信号，次级线圈会产生对应的感应信号，当移动铁芯时，感应信号的信号幅度发生变化，铁芯移动的位移与感应信号的幅度成比例关系。LVDT位移传感器传感器工作过程中，铁芯的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT位移传感器均有一个线性范围。

如图1所示，对有两个次级线圈的LVDT位移传感器来说，两个次级线圈的绕线方向相反，当铁芯处于中间位置时，此时两个次级线圈产生的感应信号幅度相等方向相反，输出等效电压为零；当铁芯偏离中心位置时，两个次级线圈产生的感应信号幅度变化，输出等效电压不为零，此时可以通过计算两个次级线圈的感应信号幅度从而得出位移变化。

在常规测试方法中，LVDT初级线圈一侧输入的激励信号，则需要RC振荡电路产生，在LVDT次级线圈一侧输出信号则需要RC低通滤波电路处理，将动态信号转换为静态电平信号进行测量。

但是，RC振荡器和RC低通滤波电路会受到环境温度影响，导致最终得到的测量结果不准确。

发明内容

为了使检测结果更加准确，本申请提供了一种LVDT位移传感器数据采集方法。

本申请提供的一种LVDT位移传感器数据采集方法采用如下的技术方案：

一种LVDT位移传感器数据采集方法，包括：

控制数模转换器DAC配合驱动电路产生正弦波激励信号；

线圈基于正弦波激励信号输出感应信号，所述感应信号经由信号处理电路处理后输出至模数转换器ADC；

控制模数转换器ADC，使用采集频率为激励信号的2n倍、采集次数为激励信号的整周期N倍的采集方法控制模数转换器ADC连续采集线圈的动态感应信号；

基于所述采集到的原始值采用离散傅立叶变换的原理计算所述感应信号的幅值，并基于所述幅值计算位移。

通过采用上述技术方案，利用模数转换器ADC连续采集线圈输出的感应信号并计算位移，相较于利用RC低通滤波电路采集静态电平，计算得到的位移更加准确。

可选的，所述控制数模转换器DAC配合驱动电路产生正弦波激励信号，包括：

所述数模转换器DAC输出阶梯波，所述驱动电路为运算放大器组成的低通滤波电路，阶梯波经过低通滤波电路后变为正弦波。

可选的，所述线圈基于正弦波激励信号输出感应信号，所述感应信号经由信号处理电路处理后输出至模数转换器ADC，包括：

所述信号处理电路为运算放大器组成的信号放大电路。

可选的，所述控制模数转换器ADC，使用采集频率为激励信号的2n倍、采集次数为激励信号的整周期N倍的采集方法控制模数转换器ADC连续采集线圈的动态感应信号，包括：

所述模数转换器ADC的采集频率为所述激励信号的2n倍，n大于1且n为整数；所述模数转换器ADC的采集次数为所述激励信号的整周期的N倍，N大于0且N为整数。

可选的，所述基于所述原始值采用离散傅立叶变换的原理计算所述感应信号的幅值，包括：

所述计算公式为：

其中，X[k]为感应信号的幅值，N为采集总次数，n为采集的序号，k为频率系数，x[n]为原始值。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.应用离散傅里叶变换的原理推导计算感应信号的幅值，用数学方法规避了感应信号幅值计算中由于硬件使用RC振荡器、RC滤波的原因产生的温漂误差、零点误差和相位误差；

2.利用数模转换器DAC配合驱动电路输出正弦激励信号，数模转换器DAC相较RC振荡器受到温度影响小，所以激励信号更加稳定，并且比RC振荡器更加贴近标准正弦波，提高傅里叶变换计算后的精度；

3.控制模数转换器ADC，使用采集频率为激励信号的2n倍、采集次数为激励信号的整周期N倍的采集方法控制模数转换器ADC采集线圈的动态感应信号，实现了数字滤波，使基于离散傅里叶变换原理推导计算的结果更加精确。

附图说明

图1是本申请背景技术中关于线圈结构的示意图。

图2是本申请实施例整体的流程图。

图3是本申请实施例关于电路部分的连接框图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

LVDT位移传感器包括线圈，其中线圈，线圈包括一个初级线圈和两个次级线圈，初级线圈与次级线圈之间设置铁芯，次级线圈能够感应初级线圈上经过的交变信号，进而在次级线圈上产生感应信号。在移动铁芯位置时，两个次级线圈上产生的感应信号发生改变，通过检测感应信号幅度的改变，从而计算铁芯移动的距离，进而实现位移的计算。

本申请实施例公开一种LVDT位移传感器数据采集方法。参照图1和图2，一种LVDT位移数据采集方法包括控制数模转换器DAC配合驱动电路产生正弦波激励信号；线圈基于激励信号输出感应信号，感应信号经由信号处理电路处理后输出传输至模数转换器ADC；使用采集频率为激励信号的2n倍、采集次数为激励信号的整周期N倍的采集方法控制模数转换器ADC连续采集线圈的动态感应信号；基于采集到的原始值采用离散傅立叶变换的原理计算感应信号的幅值，并基于幅值计算位移。

选用一款自带内部数模转换器DAC的单片机，依据附图3设计电路结构；

单片机控制内部数模转换器DAC以激励信号4m倍频率输出阶梯波，阶梯波经驱动电路后输出正弦激励信号到初级线圈，其中m为大于1的整数。

利用数模转换器DAC配合驱动电路输出正弦波激励信号，能够保证正弦波的频率、幅值稳定，受环境温度影响相较RC振荡器很小，提高测量结果精度，同时能够很方便的根据数模转换器DAC输入数值的设置改变激励正弦波的幅度。

线圈基于激励信号输出感应信号，感应信号经由信号处理电路处理后输出至模数转换器ADC。

信号处理电路，使用仪表放大器并设计放大倍数G＝1的电路将感应信号输出，增强感应信号的输出能力，提高信号稳定性。

单片机使用采集频率为激励信号的2n倍、采集次数为激励信号的整周期N倍的采集方式控制两个外部模数转换器ADC连续同步采集两个次级线圈的感应信号，其中n为大于1的整数，N为大于0的整数。

单片机使用采集频率为激励信号的2n倍、采集次数为激励信号的整周期N倍的采集方式控制模数转换器ADC连续同步采集两个次级线圈的感应信号，相较于相关技术中采用RC振荡器和RC低通滤波电路，能够减小环境温度和电路本身对测量结果的影响；模数转换器ADC采集频率与数模转换器DAC输出频率使用相同的单片机时钟源，保证采集与激励时序严格对齐，提高傅里叶变换计算结果的精度；控制采集激励信号N倍整周期实现了数字滤波，提高了测值的稳定性；在采集两路感应信号时，使用两路同步采集的方式避免高频噪声对采集精度的影响。

应用傅里叶变换的原理推导计算感应信号的幅值，包括：

计算公式为：

公式一；

其中，X[k]为感应信号的幅值，N为采集总次数，n为采集的序号，k为频率系数，x[n]为原始值；

对两个次级线圈计算即可得到幅值A

在动态信号分析中，经常利用傅立叶变换对信号进行分析，已知离散傅立叶变换公式：

欧拉公式：e

根据离散傅立叶变换和欧拉公式，可用下式表示：

公式二；

其中，X[k]为感应信号的幅值，N为采集总次数，n为采集的序号，k为频率系数，x[n]为原始值。

在公式二中，计算式为复数形式表示，在计算信号的幅度时，使用实部进行计算，故将公式二转换为公式一。

在实际计算时，x[n]、X[k]使用单精度浮点数进行运算，为避免计算过程中超过单精度浮点数上限，x[n]使用模数转换器ADC采样原始值与模数转换器ADC满量程的比值。

举例说明：激励信号设计为1kHz，使用32kHz的频率驱动数模转换器DAC配合驱动电路输出1kHz正弦波，采集频率设计为8kHz，根据傅里叶变换原理，在k＝1时公式一计算结果表示频域内1kHz的幅度，连续采集1920点，即240ms共240个激励信号的周期，采集完成后进行公式一的计算，从而得到两个线圈感应信号的幅度A

测试结果的计算公式为：

测试结果的范围值为-1至+1；

得出测量结果后进行线性拟合补偿得到位移。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。