基于LVDT的微弱金属颗粒检测技术

龚逸乐

摘要

微弱金属检测是微弱信号检测的内容，微弱金属检测方法检测的对象是传统方法以及常规方法无法检测到的微弱的金属颗粒。这些颗粒不能被检测到的原因是信号的幅度小，同时也很容易被噪声淹没，因此，只有放大信号以及抑制噪声，才能将有用的信号提取出来该方案使用LVDT传感器，外围的电路使用的是ADI的AD698同步解调器，以此来产生副边信号以及边缘浮动信号，从而提升信噪化，这样一来就能够检测微弱的金属，同时也可以检测污水以及废水中的金属含量，同时检测出油液中的金属颗粒等。实验表明，可以使用这种方法来检测最小直径为0.5mm的导磁钢珠。

【关键词】LVDT AD698 同步解调 微弱信号检测 微弱金属颗粒检测

1 实验原理及方法

下面将介绍LVDT传感器，AD698，信号放大电路。

1.1 LVDT传感器

以往的LVDT属于绝对位移传感器，能够将位置或者线性的位移从机械参考点处转换到包含幅度以及相位的比例电信号。变压器与移动部件之间不需要电气接触就能够完成LVDT操作。LVDT借助电磁耦合，由恒定振幅交流电源处将原边绕组P进行激励，次级线圈S1与S2能够各自产生出交流信号E1，E2，然后接短两个副边线圈的负极，同时在两个正极线圈处将差分信号输出。如果磁芯在兩个副边线圈的正中心处，就会向每个线圈输送耦合性相等的磁通量，此时线圈S1与S2中输出的E1和E2也相等，差分电压输出（El-E2）为零。如果使磁芯处于移动状态，让S2的距离比S1的距离大，这时候磁通量E1将会增加，然而磁通量E2就会相应减少，产生了差分电压（E1-E2），反之，结果相反。

LVDT建立随着磁通量变化差分电压的数学模型，对两个副边绕线的疏密程度加以改变，能够有效确保LVDT传感器的输出电压EOUT（E1-E2）保持一条直线。

1.2 AD698：通用LVDT信号调理器

AD698是完整的LVDT信号调理系统。它能够以高精度和可重复性将LVDT传感器的差分输出信号转换为单极性的比例直流电压。AD698内置低失真正弦波振荡器，用于驱动LVDT原边，频率范围20HZ-20KHZ（常用2.5KHZ），幅度范围2V-24V RMS（常用3VRMS）。

LVDT副边输出由两个正弦波组成，可以直接驱动AD698a AD698通过同步解调调制输入（副边，A通道）和固定输入参考电压（原边，B通道）解码LVDT。

AD698内部模块见图1。AD698的输入由两个独立的同步解调通道组成。B通道监控LVDT的驱动激励，比较电平与输入电平完全相同，解调后波形实现翻转。C2对全波整流输出进行过滤，并抬高有效电平，然后将其发给运算电路。除外部提供比较器引脚外，通道B和通道A性能完全相同。由于LVDT副边输出的差分信号太微弱，不足以触发A通道的解调器，因此通常用原边信号来触发A通道的解调器，所以需要相位补偿网络，以便向A通道增加相位超前或滞后，补偿LVDT原边到副边的相移。

两个通道都完成解调及过滤后，使用一个配备了占空比除法器的分压电路计算A/B的比值。若A/B等于1，则占空比为100%.占空比驱动电路，调制并过滤与占空比成正比的基准电流。输出放大器调节500μA基准电流，将其转换为单端电压输出。输出传递函数为

1.3 信号放大电路

由于微弱金属颗粒输出的信号为uV级弱信号，除了上述同步解调并调节占空比之外，还需对信号进行放大。常用放大方式为两种，1.前级放大：]UDT副边原始信号放大后再进AD698进行同步解调，2.后级放大;AD698同步解调后的信号进行放大。该项目同时采用两种放大，前级放大10倍，将副边原始信号uV级信号放大到mV级，后级放大1000倍，将解调后的信号从mV级信号放大到V级。

基于以上3点构成了整个微弱金属颗粒检测系统，该系统的输出信号可直接进入数采卡进行采集，采集的数据可做算法上的分析。

2 实验及实验结果

2.1 实验过程

微弱金属颗粒检测系统搭建完成后，由于放大倍数较大，即使加了滤波后，底噪依然在100mV左右;当0.5mm导磁钢珠从中间通道经过，会产生一个±2V左右的正弦波脉冲，±2V的信号已经足够与噪声区分开来，更大的钢珠可以产生更大的信号，直至满偏。该脉冲时间为钢珠通过LVDT中间通道的时间，比如在废水金属颗粒检测中，这个时间与废水流速和LVDT有效检测距离有关。

2.2 实验结果

由该系统输出的信号，经过数采卡采集信号，软件算法上对信号进行解包络分析，阈值触发，脉冲时间计算等方式判断是否有金属颗粒经过，以及金属颗粒大小;从而得出废水中，油液中是否含有金属颗粒的结论并预警。该方案已经可以检测到最小0.5mm直径的导磁钢珠。

3 结束语

在本文中，我们提出了一基于LVDT的微弱金属颗粒检测技术。实验结果显示已经取得不错的效果（如2.2节描述）。由于对信号的放大倍数很大，同时也放大了噪声，导致底噪比较大而无法识别更微小的颗粒。后续会增加更多措施降低噪声，滤波，提高信噪比，目标是侦测20um直径的金属颗粒。

参考文献

[1]高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004：154-196

[2]TE官网（泰科电子有限公司）：LVDT基础知识.

[3]ADI官网：电路笔记CN-0301.