检测位移传感器LVDT断线的数字电路及其检测方法 【技术领域】
本发明涉及工业控制系统中一种检测位移传感器LVDT断线的数字电路及其检测方法方法，具体应用于一些可靠性要求较高的工业控制系统位置测量如数字式电气液压控制系统(DEH)的液位测量中，属于电力系统自动控制技术领域。
背景技术
LVDT(Linear Variable Differential Transformer)是线性可变差动变压器缩写。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。当铁芯由中间向两边移动时，次级两个线圈输出电压之差与铁芯移动成线性关系。LVDT在很多工业控制系统中主要用于测量直线上的位置信号。如在数字式电气液压控制系统(DEH)中，LVDT是油动机行程的实时反馈系统，伺服放大器通过它的反馈信号和主控单元的指令进行比较从而调整输出信号，实现对油动机的稳定快速控制。
LVDT的可动元件是一个具透磁性的管状铁芯，此铁芯可以在中空成型的线圈内自由移动，并和欲测量位置的物体结合在一起。在使用时，将一定频率的交流电加在LVDT初级线圈上，也就是所谓的初级激磁。LVDT的输出信号就是两组次级线圈之间的交流电压差，此电压差会随着铁芯在线圈内的位置而改变，且电压差的改变与铁芯在线圈内的位置成线性关系。因此，通过测量电压差，然后经过一定的计算就可以获得铁芯的位置。
LVDT常用方式是配合LVDT变送器或专用测量芯片AD598等使用。LVDT变送器具有信号调理模拟电路，通过将LVDT输出的两个线圈输出电压之差信号转换成电信号，将位移信号转换成常用的热工直流4-20mA电流或直流0-5V电压等信号输出再测量使用。专用的AD598等专用芯片内部将位置信号转换成电信号输出再测量使用。
但是，这两种方法由于现有模拟电路转换方式的局限，不具备断线检测功能，在接线故障或LVDT故障时，无法正确及时判别信号故障情况。在一些可靠性要求较高的应用场合比如DEH系统液位测量等，当信号断线时又无法及时准确判别会造成很大的故障隐患。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种检测位移传感器LVDT断线的电路及其检测方法，达到可以及时有效检测LVDT正常信号、断线状态及断线组合方式的目的。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
一种检测位移传感器LVDT断线的数字电路，包括位移传感器LVDT，所述LVDT初级线圈与激励信号源相连，其特征在于：位移传感器LVDT的次级线圈的输出端分别与一测试信号相连，位移传感器LVDT的次级线圈的输出端同时与模拟量-数字量转换芯片相连，模拟量-数字量转换器与单片机相连，单片机与数字量-模拟量转换芯片和\或收发装置相连。
一种检测位移传感器LVDT断线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对LVDT初级线圈提供一定频率的激励，在LVDT两个次级线圈输出部分分别叠加测试信号；
2)使用多路输入AD芯片对两路输出电压进行采集并进行模拟量-数字量转换，单片机通过访问AD芯片获得相应的数字量测量值，然后通过单片机内部的软件算法对数字量测量值进行分析运算，通过测量值和断线状态及其组合方式与叠加的测试信号比较可得出LVDT工作状态是否断线，如果为正常工作状态，则计算两组次级线圈电压差值线性对应位移测量结果；如果为断线状态则分析判断3组信号的不同组合的断线信号的对应方式并输出。
前述的检测位移传感器LVDT断线的方法，其特征在于：在输出端，可以通过以下三种方式中的一种或多种将测量结果输出：
a)单片机可以控制数字量-模拟量转换(DAC)芯片，将当前的数字量测量值转换成模拟信号输出。未发生断线时输出正常的测量值，发生断线时输出事先约定好的该断线组合方式对应的断线值。
b)单片机可以通过PWM方式输出测量值，通过外部滤波等电路转换成直流模拟电压或电流输出。未发生断线时输出正常的测量值，发生断线时输出事先约定好的该断线组合方式对应的断线值。
3)单片机可以通过数字通信方式按照一定的通信协议输出LVDT的状态，这些状态可包括断线信息、位移量及当前测量值等。未发生断线时输出正常的测量信息，发生断线时输出该断线组合方式对应的断线标志。
本发明所达到的有益效果：本发明提出一种检测位移传感器LVDT断线输出的数字解决方案，通过加入单片机软件的控制，使信号测量采集，断线状态的判断全部通过软件算法完成，可以实现更加智能化地控制，并且在输出端使用了数字通信的输出方式，可以直接输出断线标志，更加方便应用，并可以通过总线方式连接多个LVDT测量设备，按照一定的通信协议对所有设备进行信号采集和管理。与此同时该方式还可以直接输出模拟量信号，实现了模拟电路解决方案的功能，具有很高的灵活性。
【附图说明】
图1是图1是LVDT的测量原理图；
图2是常用的LVDT变送器的测量原理图；
图3是本发明的检测位移传感器LVDT断线的数字电路原理图；
图4是本发明检测位移传感器LVDT断线的方法软件工作流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1说明了LVDT测量原理。将一定频率的交流电加在LVDT初级线圈P上，当LVDT铁芯发生移动时，次级两个线圈的输出电压差与铁芯的位移成线性关系。当铁芯处在次级绕组S1、S2的中间时，E1＝E2，输出电压为0。铁芯向S1方向移动时，E1＞E2；当铁芯向S2移动时，E2＞E1。因此，可以根据输出电压和铁芯位移的线性关系对输出电压进行采集和换算从而得到铁芯的位移量。
图2说明了常用的LVDT变送器的测量原理，该LVDT测量电路也可直接使用LVDT信号调节系AD598替代。OSC为一定频率的激励信号，通过伺服放大器AMP的处理将该交流电施加在LVDT的初级线圈上。铁芯位于初级线圈和次级两个线圈之间，次级两个线圈的一端都接地。当铁芯发生位移时，次级两个线圈通过电磁感应产生输出电压Va，Vb，从而获得一个输出电压差(Va-Vb)/(Va+Vb)。输出电压差通过FILTER进行一定的滤波整流转换成直流信号再通过伺服放大器AMP产生4-20mA电流或0-5V电压的输出信号Vout。通过测量Vout然后进行相应的线性转换即可得到铁芯的位移量。采用此方式测量无法区分断线与正常信号。
图3说明了本发明所设计的数字电路解决方案测量原理。同样在Va，Vb上叠加Vf，然后通过外部模数转换(ADC)芯片或单片机内部集成ADC对Va，Vb进行AD转换，得到对应的数字量测量值Da，Db。Vf对应的数字量值Df预先可以知道并在单片机软件中设定好。单片机通过比较Da，Db与Df的大小关系可以得到当前LVDT的工作状态。如果工作状态正常，单片机对Da，Db进行换算得到当前的LVDT输出电压差的数字量值Dc，按照LVDT的位移与输出电压差的线性关系公式可以计算得到LVDT的当前位移量Sc，同时不置断线标志Fcutoff。LVDT发生断线时，单片机通过比较Da，Db与Df的大小关系得到断线状态，将输出电压设置为Df，同时置断线标志Fcutoff。在输出端，单片机可以通过外部数模转换(DAC)芯片或内部集成的DAC将Dc或Df转换成模拟信号Vout输出，也可以根据Dc或Df的值输出PWM信号，通过外部PWM转换电路将其转换成模拟信号Vout输出。同时单片机还可以利用通信功能通过收发装置实现数字通信功能，如RS232，RS485通信等。这样，Dc，Df，Fcutoff等更多的信息可以通过通信的方式传送给外部设备。并且可以通过总线方式连接多个这样的LVDT测量设备。如果需要，LVDT的工作参数如Df等甚至可以通过通信方式设定，极大提高了LVDT测量应用的灵活性。可以看出，该方案包括了模拟电路解决方案的功能，具有更好的实用性。
图4说明了本发明所设计的数字电路解决方案的软件工作流程。单片机首先完成自身以及外围所有设备的初始化工作，然后进入循环查询进程处理AD转换任务和通信任务。首先单片机检查AD转换是否完成，如果未完成，则检查是否接收到通信命令；如果AD转换完成，则读取AD转换的结果，得到LVDT输出电压对应的数字量测量值Da，Db，将Da，Db与事先设定好的参考电压Df进行比较，判断当前是否发生断线。如果发生断线，则根据逻辑运算结果将输出电压Dc设置为Df，并置断线标志Fcutoff；如果LVDT工作正常，则根据Da，Db计算出Dc，再通过LVDT输出电压差与位移的线性关系计算得到Sc，并清除断线标志Fcutoff。然后根据Dc的值配置DAC或PWM，从而产生模拟量输出Vout。之后单片机判断是否接收到通信命令，通信命令的接收在单片机相应的中断处理程序中完成。如果未接收到，则返回到循环开始重新检查AD转换是否完成；如果接收到通信命令，则对通信命令进行解析，根据命令要求返回Dc，Sc，Fcutoff等工作状态信息，然后再返回到循环开始。单片机高效的命令处理能力和运行的稳定性保证了所有这些任务执行的实时性和可靠性。
以上仅以最佳实施例对本发明做进一步的说明，然其并非对本发明的限定，本发明的保护范围以表示在权利要求的内容为准。