基于LVDT的微弱金屬顆粒檢測(cè)技術(shù)

龔逸樂

摘要

微弱金屬檢測(cè)是微弱信號(hào)檢測(cè)的內(nèi)容，微弱金屬檢測(cè)方法檢測(cè)的對(duì)象是傳統(tǒng)方法以及常規(guī)方法無法檢測(cè)到的微弱的金屬顆粒。這些顆粒不能被檢測(cè)到的原因是信號(hào)的幅度小，同時(shí)也很容易被噪聲淹沒，因此，只有放大信號(hào)以及抑制噪聲，才能將有用的信號(hào)提取出來該方案使用LVDT傳感器，外圍的電路使用的是ADI的AD698同步解調(diào)器，以此來產(chǎn)生副邊信號(hào)以及邊緣浮動(dòng)信號(hào)，從而提升信噪化，這樣一來就能夠檢測(cè)微弱的金屬，同時(shí)也可以檢測(cè)污水以及廢水中的金屬含量，同時(shí)檢測(cè)出油液中的金屬顆粒等。實(shí)驗(yàn)表明，可以使用這種方法來檢測(cè)最小直徑為0.5mm的導(dǎo)磁鋼珠。

【關(guān)鍵詞】LVDT AD698 同步解調(diào) 微弱信號(hào)檢測(cè) 微弱金屬顆粒檢測(cè)

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

下面將介紹LVDT傳感器，AD698，信號(hào)放大電路。

1.1 LVDT傳感器

以往的LVDT屬于絕對(duì)位移傳感器，能夠?qū)⑽恢没蛘呔€性的位移從機(jī)械參考點(diǎn)處轉(zhuǎn)換到包含幅度以及相位的比例電信號(hào)。變壓器與移動(dòng)部件之間不需要電氣接觸就能夠完成LVDT操作。LVDT借助電磁耦合，由恒定振幅交流電源處將原邊繞組P進(jìn)行激勵(lì)，次級(jí)線圈S1與S2能夠各自產(chǎn)生出交流信號(hào)E1，E2，然后接短兩個(gè)副邊線圈的負(fù)極，同時(shí)在兩個(gè)正極線圈處將差分信號(hào)輸出。如果磁芯在兩個(gè)副邊線圈的正中心處，就會(huì)向每個(gè)線圈輸送耦合性相等的磁通量，此時(shí)線圈S1與S2中輸出的E1和E2也相等，差分電壓輸出（El-E2）為零。如果使磁芯處于移動(dòng)狀態(tài)，讓S2的距離比S1的距離大，這時(shí)候磁通量E1將會(huì)增加，然而磁通量E2就會(huì)相應(yīng)減少，產(chǎn)生了差分電壓（E1-E2），反之，結(jié)果相反。

LVDT建立隨著磁通量變化差分電壓的數(shù)學(xué)模型，對(duì)兩個(gè)副邊繞線的疏密程度加以改變，能夠有效確保LVDT傳感器的輸出電壓EOUT（E1-E2）保持一條直線。

1.2 AD698：通用LVDT信號(hào)調(diào)理器

AD698是完整的LVDT信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。它能夠以高精度和可重復(fù)性將LVDT傳感器的差分輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性的比例直流電壓。AD698內(nèi)置低失真正弦波振蕩器，用于驅(qū)動(dòng)LVDT原邊，頻率范圍20HZ-20KHZ（常用2.5KHZ），幅度范圍2V-24V RMS（常用3VRMS）。

LVDT副邊輸出由兩個(gè)正弦波組成，可以直接驅(qū)動(dòng)AD698a AD698通過同步解調(diào)調(diào)制輸入（副邊，A通道）和固定輸入?yún)⒖茧妷海ㄔ?，B通道）解碼LVDT。

AD698內(nèi)部模塊見圖1。AD698的輸入由兩個(gè)獨(dú)立的同步解調(diào)通道組成。B通道監(jiān)控LVDT的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)，比較電平與輸入電平完全相同，解調(diào)后波形實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。C2對(duì)全波整流輸出進(jìn)行過濾，并抬高有效電平，然后將其發(fā)給運(yùn)算電路。除外部提供比較器引腳外，通道B和通道A性能完全相同。由于LVDT副邊輸出的差分信號(hào)太微弱，不足以觸發(fā)A通道的解調(diào)器，因此通常用原邊信號(hào)來觸發(fā)A通道的解調(diào)器，所以需要相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以便向A通道增加相位超前或滯后，補(bǔ)償LVDT原邊到副邊的相移。

兩個(gè)通道都完成解調(diào)及過濾后，使用一個(gè)配備了占空比除法器的分壓電路計(jì)算A/B的比值。若A/B等于1，則占空比為100%.占空比驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)制并過濾與占空比成正比的基準(zhǔn)電流。輸出放大器調(diào)節(jié)500μA基準(zhǔn)電流，將其轉(zhuǎn)換為單端電壓輸出。輸出傳遞函數(shù)為

1.3 信號(hào)放大電路

由于微弱金屬顆粒輸出的信號(hào)為uV級(jí)弱信號(hào)，除了上述同步解調(diào)并調(diào)節(jié)占空比之外，還需對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。常用放大方式為兩種，1.前級(jí)放大：]UDT副邊原始信號(hào)放大后再進(jìn)AD698進(jìn)行同步解調(diào)，2.后級(jí)放大;AD698同步解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行放大。該項(xiàng)目同時(shí)采用兩種放大，前級(jí)放大10倍，將副邊原始信號(hào)uV級(jí)信號(hào)放大到mV級(jí)，后級(jí)放大1000倍，將解調(diào)后的信號(hào)從mV級(jí)信號(hào)放大到V級(jí)。

基于以上3點(diǎn)構(gòu)成了整個(gè)微弱金屬顆粒檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸出信號(hào)可直接進(jìn)入數(shù)采卡進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)可做算法上的分析。

2 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

微弱金屬顆粒檢測(cè)系統(tǒng)搭建完成后，由于放大倍數(shù)較大，即使加了濾波后，底噪依然在100mV左右;當(dāng)0.5mm導(dǎo)磁鋼珠從中間通道經(jīng)過，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)±2V左右的正弦波脈沖，±2V的信號(hào)已經(jīng)足夠與噪聲區(qū)分開來，更大的鋼珠可以產(chǎn)生更大的信號(hào)，直至滿偏。該脈沖時(shí)間為鋼珠通過LVDT中間通道的時(shí)間，比如在廢水金屬顆粒檢測(cè)中，這個(gè)時(shí)間與廢水流速和LVDT有效檢測(cè)距離有關(guān)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由該系統(tǒng)輸出的信號(hào)，經(jīng)過數(shù)采卡采集信號(hào)，軟件算法上對(duì)信號(hào)進(jìn)行解包絡(luò)分析，閾值觸發(fā)，脈沖時(shí)間計(jì)算等方式判斷是否有金屬顆粒經(jīng)過，以及金屬顆粒大小;從而得出廢水中，油液中是否含有金屬顆粒的結(jié)論并預(yù)警。該方案已經(jīng)可以檢測(cè)到最小0.5mm直徑的導(dǎo)磁鋼珠。

3 結(jié)束語

在本文中，我們提出了一基于LVDT的微弱金屬顆粒檢測(cè)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示已經(jīng)取得不錯(cuò)的效果（如2.2節(jié)描述）。由于對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)很大，同時(shí)也放大了噪聲，導(dǎo)致底噪比較大而無法識(shí)別更微小的顆粒。后續(xù)會(huì)增加更多措施降低噪聲，濾波，提高信噪比，目標(biāo)是偵測(cè)20um直徑的金屬顆粒。

參考文獻(xiàn)

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[2]TE官網(wǎng)（泰科電子有限公司）：LVDT基礎(chǔ)知識(shí).

[3]ADI官網(wǎng)：電路筆記CN-0301.