李家群1 ，侯孝宗2，毛俊隽2
      
（1.水利部南京水利水文自动化研究所, 江苏 南京 210012；2.汉江集团水力发电厂, 湖北 丹江口 442700）

【摘  要】  通过一些辅助手段，差动变压器式传感器可应用于大坝安全监测项目中。介绍了差动变压器式传感器的工作原理、一般性测量原理，详细分析了常见的几种测量方法，并对这些方法进行了对比分析，提出了一些建议，供有关应用人员参考。
【关键词】  大坝监测仪器；差动变压器；传感器；LVDT；AD598

0 前言
     差动变压器式传感器通常被用来测量线性位移 (LVDT) 或角位移(RVDT)。通过其它一些辅助手段（如连通管、静力水准装置、固定夹具等），此类型仪器可应用于大坝的铅直位移、表面裂缝、渗流量、内部沉降等安全监测项目中。最初，该类型仪器大多采用进口，近年来国内已有多家厂商推出替代产品，在工程中的应用也越来越广泛。水利部南京水利水文自动化研究所(以下简称南自所)研制的ESL-50型静力水准仪便是采用安徽生产的WY-50L型差动变压器式传感器作芯体来进行测量的，本文中涉及的电路参数均以该型芯体的测量为依据。

1 工作原理
     差动变压器式位移变送器是由同心分布在线圈骨架上的1个初级线圈b，2个次级线圈S1和S2组成，线圈组件内有1个可自由移动的杆状磁芯（铁芯），传感器原理如图1所示。实际使用时，铁芯的一端与被测物体连接，当被测物体移动时，铁芯也被带动在线圈内移动，从而改变了该空间的磁场分布，进而改变了初次级线圈之间的互感量M。当初级线圈供给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生了感应电动势，随着铁芯的位置不同，次级产生的感应电动势也不同。于是铁芯的位移量便变成了电压量输出。

    为提高传感器的灵敏度并改善其线性度，工作时通常将2个次级线圈反串接。这样，2个次级线圈输出电压的极性正好相反，传感器的输出之和其实为2个次级线圈电压之差，该差值的均方根值与位移量成线性关系。

2 一般性测量原理
    差动变压器式传感器的测量电路一般由正弦波发生、波形叠加、整流积分和运算放大等电路组成，原理图如图2所示。
 

     根据传感器芯体厂家提供的资料，通常正弦波发生电路产生一个频率位于1000  ~ 3 000 Hz 间，波幅为3 ~ 5V间的正弦波激励信号源，该信号对差动变压器原边的初级绕组提供驱动。传感器副边2个相同的次级绕组反向串接获得的输出信号经波形叠加电路后将其中的共模部分过滤，最后经过整流积分和运算放大电路获得和传感器铁芯位移量线性相关的电压量输出。各电路信号波形如图3所示。

3 几种测量方法
    传统的测量方法通常由多个运算放大器结合若干电阻电容器件组成RC振荡、加法、全波整流、积分和乘法等电路来进行测量。现在市场上已有将这些电路集成在一个芯片中制成的差动变压器式传感器专用芯片，大大简化了应用时的测量电路。两相对比，传统测量方法总体价格便宜，但需要的元器件多，出现故障的环节也更多；专用芯片使用方便，外接器件少，连线简单，但价格较贵。

3.1 多器件测量方法
    由图2、3看出，采用多个元器件进行测量时，影响传感器最终测值的环节很多。诸如正弦波信号源的波频波幅是否稳定，整流电路信号是否同步，积分电路电压零点是否精确，运放电路放大系数是否稳定，都会对最终电压量的输出造成影响。由于正弦波发生电路为整个电路提供信号源，其频率和波幅是否满足要求将直接影响最后的测量精度，重要性不言而喻。经常使用的几种正弦波发生电路有：RC振荡电路（文氏电桥）、MAX038波形发生电路、石英晶体振荡电路。

3.1.1 RC振荡电路（文氏电桥）
    RC振荡电路（文氏电桥）为一典型的RC串并联网络正弦波振荡电路，主要包括放大电路、RC串并联网络构成的选频和正反馈电路(R1,C1,R2,C2)及放大器反相输入端的负反馈稳幅电路（R3,R4,R5）。根据自激振荡电路的起振条件和传感器特性，电路中各元件参数如图4所示。由此，可知自激振荡后该电路输出的正弦波频率为F= 1/（2 πRC） = 1/ (2×3.14×36×103×22×102×10-12) = 2 009.5Hz，波幅为5V。应当指出的是，图中的22 kΩ可调电阻为一具有负温度系数的热敏电阻，主要起到两个作用：(1)满足起振条件；（2）实现自动稳幅。
 

    如需改变输出信号的频率，可将RC网络中的电阻换成精密同轴可调电阻。调试时先换接不同容量的电容，对频率进行粗调，然后再利用可调电阻进行微调。

3.1.1 MAX038波形发生电路
    MAX038是美国MAXIM公司生产的低失真单片信号发生集成电路，内含主振荡器、波形变换电路、波形选择多路开关、2.5V精密基准电压源、相位检测器、同步脉冲输出及波形输出驱动电路等。通过外接连线和器件参数的变化，用户可根据需要选择输出频率范围为0.1Hz ~ 20 MHz，波幅为1V的正弦波、方波或者三角波。输出频率由外部连接的一个电阻和电容决定。
     输出信号频率的计算公式为：Fout (MHz) = Vin(V) ÷ [Rin(Ω)x Cf (pF)]。
    在本例应用MAX038来测量差动变压器式传感器的电路中，各主要元件的接线及参数如图5所示。其输出正弦波信号的频率为Fout =2.5÷[(25×1000)×(68×103)]×106 = 1 470.6Hz。相对于RC振荡电路，采用专用的单片波形发生器可以节约外部选频及稳幅的电阻电容器件，接线更为简单，但使用时需注意部分引脚的接地，减少分布电容的影响。

3.1.2 石英晶体振荡电路
    石英晶体振荡电路主要包括石英晶体振荡、整形及分频和RC滤波等电路。首先利用石英晶体的压电谐振特性产生一个信号源，然后经整形及分频后形成一个频率满足要求的方波信号，最后由低通滤波器过滤掉谐波频率，获得所需的正弦波信号。硬件电路如图6所示，由图6中连线可知最终输出的正弦波频率为1 953 Hz，波幅为5V。此电路的优点是波源稳定，受环境温度影响小；缺点是频率只能成倍递增或递减。如需要特殊频率的输出信号，可考虑将晶体振荡波源改为单片机产生的可编程脉冲源或其它可调波源。

3.2 单芯片测量方法
    单芯片测量方法是指利用专门同差动变压器配套使用的单片式集成电路进行信号测量与信号转换。该方法具有功耗低、体积小、安装容易、使用方便等特点。诸如AD公司的AD598AD、NXP公司的NE5521D及国产替代元件SF5520等都属于这一类芯片。这些芯片内部电路结构基本相似，都能提供差变传感器所必需的低失真稳定正弦波激励源，并能对传感器的输出信号进行高精度的相敏整流处理。同时，这些芯片内部都带有相对独立的辅助运算放大器，为实际应用增加了更大的灵活性。下面以AD598AD为例进行说明。
    AD598AD为双列直插式差动变压器专用芯片，其管脚排列如图7所示，引脚功能如表1所示。
 

表1 AD598AD引脚功能

    AD598AD的功能模块图如图8所示。由图8可知，该芯片内部自带一个晶体振荡器和波形放大器，通过外接电容和电阻可按要求产生一个波频和波幅恒定的正弦波激励源信号提供给传感器的初级绕组。随后内部两组独立的滤波器分别对传感器返回的次1和次2信号进行滤波及运算处理，最后经反馈放大电路输出与传感器铁芯位置线性相关的直流电压。由于采用了特殊的内部电路设计，该芯片可以消除传感器空接带来的的干扰输出以及由变压器初级激励源波幅和相位的扰动对次级造成的影响。这样便提高了芯片之间的互换能力。此外，该芯片还具有较好的线性度（0.05 % ofFS）和温漂特性（50 ppm/℃ of FS）。需注意的是，该芯片远程测量传感器的最长距离约为100m，而芯片输出的直流电压最远可驱动约300 m电缆。
 

4 结语
    针对差动变压器式静力水准仪，南自所专门开发了DG-E16ME型智能模块。该模块可与上位机进行双向通讯，通过专用软件进行各种参数的设置和测量数据的自动采集，此外还具有自检自校和断电保护等特殊功能。目前该型模块已在浙江百丈漈、广西岩滩、湖南江垭等工程中使用，运行情况良好。根据工程实际使用经验，提出以下建议：
（1）尽管单芯片电路价格较贵，但由于其集成度高、体积小、测值稳等特点，在电路小型化方面具有较明显的优势，尤其是在传感器与测量电路一体化的应用中。
（2）各测量电路中的电阻电容都要尽可能地使用温漂系数低的器件，电阻尽量用0.1%精度的电阻，电容建议使用聚酯薄膜电容或者陶瓷电容。
（3）测量电路中芯片的工作电源必须稳定可靠，具有较低的纹波系数，建议使用DC/DC电压转换集成模块。

参考文献：
1. 康华光. 模拟电子技术基础[M].武汉：华中理工大学出版社，1993.
2. 《MAX038 DATASHEET》，MAXIM公司，http://www.maxim-ic.com
3. 《MAX291 DATASHEET》，MAXIM公司，http://www.maxim-ic.com
4. 《AD598  DATASHEET》，ANALOG DEVICES公司，http://www.analog.com