【摘要】 本文以螺纹塞规检测仪和滚刀测量仪为例，介绍了微位移测量仪器和该类测量仪器中信号调理的目的、原理，重点阐述了基于AD598芯片的信号调理电路的设计和实现。该设计电路已应用于实际产品中。

【关键词】 信号调理；微位移 ；AD598；传感器

1．引言

随着科学技术的发展，测试工作量的不断加大，测试任务也越来越复杂，对测量的准确度要求越来越高。多年来，我国精密测量技术和仪器经历了许多变革，从最早得到广泛应用的机械仪表，到后来发展的光学、电学仪表，以及采用微处理器做成的智能仪表；从静态测试到动态测试以及由计算机数字控制（CNC）的多参数自动测试。由此可见，新的测试技术总是随着电子技术的飞速发展以及计算机科学技术的应用不断地更新换代。

1．1  微位移测量仪器结构

 在精密测量仪器的发展历程中，无论测量仪器最终如何发展，任何一台仪器测量系统都可以概括为以下三个功能模块：信号采集(包括传感器、信号调理电路)、信号分析与处理、结果表达与输出。一个具体的仪器各部分或许有增有减，但总体结构不会例外。以笔者参与研制的《螺纹塞规检测仪》系统组成框图为例可见一般仪器结构。

2． 信号调理的目的

由图1可知，传感器与信号调理电路组成了信息采集模块，而现代信息技术的三大基础之一就是信息采集技术，可见，由传感器和信号调理电路组成的信息采集模块属于信息技术的前沿产品。

不同测量仪器针对的测量对象不同，传感器的形式也不同，但传感器的作用却相同，即把自然界的模拟量转换成电信号(电压或电流)，《螺纹塞规检测仪》中电感传感器即将被测螺纹塞规的通端、止端中径值分别与标准螺纹塞规通端、止端中径值的相比较，将其差异的位移信号（即螺纹塞规误差值）变换成电压信号。通常，传感器信号不能直接转换为数字信号，这是因为传感器输出的是相当小的电压变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。

信号调理电路就是对来自传感器的电信号进行放大、衰减、变换(包括变频、检波等)、滤波，即把来自传感器的模拟信号变换为适用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理（见图1）。所以，信号调理电路是传感器与A/D之间的桥梁，也是测量系统中的重要组成部分。

3． 信号调理的原理

在微位移测量仪器中，信号调理的主要功能是：将微小的位移量变为电压信号，并将其微弱的电压信号进行放大，滤波等。为了实现信号调理的功能，所设计的高可靠性、高稳定性的信号调理电路需包括电桥、放大、滤波等电路结构。

图3中正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压，正弦波振荡器输出的信号加到测量头中由线圈和电位器组成的电感桥路上。工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化（见图2）。当衔铁处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少；若上线圈的电感量减少，下线圈的电感量则增加。交流阻抗相应地变化，电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比，频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性，得到一个与衔铁位移量和移动方向相对应的直流电压信号。

4． 信号调理电路的实现

早期的微位移测量仪（包括电感测微仪、滚刀测量仪和齿轮齿距测量仪的测量系统）中信号采集模块的硬件电路设计，长期以来，都是用小规模集成电路和分离元件实现[3]。图3框图所示的实际电路的设计，除了由交流信号放大器、相敏检波器、低通滤波器、直流信号放大器组成前级输入电路，还需特别设计一个独立的、频率稳定的正弦波振荡器。

正弦波振荡器输出两路等幅、同频的正弦波信号，一路作为传感器线圈的激磁信号；一路作为相敏检波器的参考信号。但是由于两路信号所走的路径不同，在路径中会产生不同的相移，不能实现相敏检波。所以，为了实现相敏检波，必须在正弦波振荡器和相敏检波之间器增加一个移相器。

综上所述，这样设计的电路不仅结构复杂、仪器外型体积大，而且由于零点残余电压和温漂过大，导致测量精度较差，从而限制了测量仪器的精度提高。但随着电子技术的发展，美国模拟器件公司（Analog Devices,Inc.,简称ADI）推出了一种信号调理集成电路AD598。

4.1  AD598信号调理器的基本特点

AD598是一种完整的单片式线位移可变差动变压器( Linear Variable Differential Transformer，简称LVDT)信号调节系统。AD598与LVDT配合，能够直接将LVDT的机械位移量转换成极性或双极性输出的高精度直流电压。AD598能将所有的实现交流信号放大、相敏检波器、直流信号放大、产生正弦波振荡器、滤波等电路功能都集中在一块芯片上，在外围电路的构造中只要增加几个外接无源元件，就能确定激磁频率和输出电压的幅值。 

如图4所示，在AD598芯片内部有一个用来产生LVDT初级激磁信号的低失真正弦波振荡器及其输出放大器和接收LVDT次级输出的二个正弦信号的输入级、除法器、滤波器及其输出放大器。在AD598的除法器中，将来自LVDT次级的这二个信号的幅度值之差除以这二个信号的幅度值之和。因为，只要保证VA与VB电压信号的幅度值的和在任一时刻都是一个常数，则AD598的输出信号就能将传感器的位移量△X按比例地转换成直流电压信号。

设：铁芯在平衡位置时：VA= VB =U；

当铁芯移动位置变化：△X ；对应改变电感量：△L；

此时，上下线圈增减电压：△U=K△X， 其中，K为一比例常数。

  当铁芯移动位置变化导致：VA=U±△U ，VB= U △U 。

则  VA+ VB= U±△U +U △U=2U；

VA—VB=（U±△U）－（U △U=±2△U。

所以：（VA—VB）/（VA+ VB）=±△U/U

而上述表达式中，VA与VB两电压信号的和可以由传感器的精密设计来保证在任一时刻都是一个常数。

由上述分析和图4可知，AD598和线性可变差动变压器（LVDT）组合应用，即可将机械位移量△X转换为与位移量成正比的一个直流（DC）电压信号。也就是说，一块AD598芯片完全取代了正弦波振荡器、交流信号放大器、相敏检波器、直流信号放大器。

4.2  基于AD598芯片的信号调理电路

由于AD598是针对线位移可变差动变压器(LVDT)和旋转差动变压器(Rotary Variable Differential Transformer，简称RVDT)而专门设计的一种新型器件，因此，AD598特别适合于线位移信号测量。

图5  信号调理电路

图5所示，AD598只要求外接几个无源元件，就构成了信号调理电路，实现信号调节功能。AD598的输出电压达24V，它能够直接驱动LVDT的初级激磁线圈，接受LVDT的次级输出电压可以低于100mV。

为了满足微位移测量的要求，达到设计指标，必须完成如下工作[1,2]：

1．改变AD598外接的电容C1值，调节LVDT的激磁信号频率变化范围：20Hz～20kHz。
   2．根据激磁频率选择合适的LVDT。

3．确定LVDT次级电压VA和VB之和。根据VA+VB=2U这个结果就可以确定AD598的输出电压。改变电阻R1的值，决定放大器输出电压幅值。
   4．确定LVDT激磁电压的最佳值 。在LVDT加上激磁电压后，将铁心移动到机械的满量程位置，并且测出次级的最大输出电压，然后计算LVDT的电压变比。电压变比值与最大输出电压值的乘积即为激磁电压的最佳值。
5．改变电容C2，C3和C4的值，即改变AD598位置测量系统所要求的频带宽度函数。

6．精确计算电阻R2的值，保证满足AD598增益和满量程输出电压正比于铁心的位移△X。
总结

为了检验AD598芯片所设计的信号调理电路，将早期开发的DJY-4型电感测微仪和采用AD598芯片实现的新型测量系统在同一环境测试，明显发现：新型测量系统能够快速地校对零点，各档零位一致；而早期开发的电感测微仪校对零点困难，分档存在误差（如用 100 档校零，显示器显示为零，但换档为 25 后，显示结果为2 ）。将两个型号的测量仪器在 100 档测试，其对比数据如表1。

测试结果表明：AD598芯片所设计的信号调理电路极大地改善了温度漂移问题，解决了早期信号调理电路的零点残余电压问题。

由AD598芯片所设计的信号调理电路已应用于“滚刀测量仪计算机测量系统”等多种实际产品中。由于将机械位移传感器信号转换成了双极性的高精度直流电压，通过A/D转换后将数据送给计算机进行处理及运算，从而提高了系统的精度和稳定性。其功能可达到：测量精度可达满量程的±1%；分档不确定度不大于量程的±1%；连续工作四小时示值变动不大于 。

综上所述，基于AD598芯片所设计的信号调理电路，使位移微测量仪的精度得到了提高和改善，同时仪器结构简单、小巧，也便于技术人员携带，既能在计量室使用，也能在生产现场测试。

参考文献

[ 1 ]Analog Devices Inc., Design in Reference Manual

[ 2 ].Analog Devices Inc., Data Sheet, LVDT Signal Conditioner AD598

[3 ]许科军.传感器与检测技术.电子工业出版社，2004