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基于位移传感器LVDT的信号断线故障检测

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资料介绍

针对线性可变差动变压器(LVDT)信号断线检测的必要性,以及目前断线检测方法的局限性,提出一种采用软硬件结合的方式实现对LVDT信号断线检测的方法.针对不同信号断线情况采用不同的检测方法:对于反馈线圈断线采用硬件超限检测方法,对于激励线圈断线采用软件判别检测方法.通过对实际电路测试,对目前断线检测方法的局限性进行了验证,并对软硬件结合方式实现LVDT的信号断线检测进行了验证.检测方法已应用到工程应用,可有效实现对LVDT信号断线的检测.

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V01．31

No．12

第31卷第12期

电力自动化设备

Electric Power Automation

Equipment

DPP．201l

基于位移传感器LVDT的信号断线故障检测

王丹麟，马伟东，杨昕霖

(国电南京自动化股份有限公司，江苏南京210003)

摘要：针对线性可变差动变压器(LVDT)信号断线检测的必要性，以及目前断线检测方法的局限性，提出一

种采用软硬件结合的方式实现对LVDT信号断线检测的方法。针对不同信号断线情况采用不同的检测方法：

对于反馈线圈断线采用硬件超限检测方法．对于激励线圈断线采用软件判别检测方法。通过对实际电路测

试．对目前断线检测方法的局限性进行了验证，并对软硬件结合方式实现LVDT的信号断线检测进行了验

证。检测方法已应用到工程应用。可有效实现对LVDT信号断线的检测。

关键词：线性可变差动变压器；工业控制；断线；故障检测

中图分类号：TM

文献标识码：A

文章编号：1006—6047(2011)12—0124—04

LVDT驱动原理

0引言

图1示意说明了LVDT的工作原理。

线性可变差动变压器LVDT(Linear Variable

P为LVDT初级激励线圈；Sl、S2分别为LVDT

Differential

Transformer)属于直线位移传感器。LVDT

的2个次级反馈线圈。

具有无摩擦测量、无限的机械寿命、无限的分辨率和

向LVDT初级线圈P提供一定频率及幅值的激

励信号．激励信号通过可移动的磁芯耦合到2个次

环境适应性强等众多优势和特点，应用范围广泛。

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，伺服放大器通

过其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。

级线圈，产生2个同频率的正弦波(E．、E：)。当铁芯

发生位移时．2个次级线圈耦合到的正弦波的幅值

(以、玑)发生变化，且以一巩正比于磁芯位移即外部

机械位移。通过检测以一仇的值，可反映出铁芯的当

前机械位置。

LVDT的位移量测量输出多是闭环控制中的反

馈信号．直接影响系统的控制性能。为保证系统

可靠地完成闭环控制．必须能够可靠发现并及时隔离

LVDT的故障。因此．在可靠性要求较高的场合，需

要LVDT具有断线检测功能．即LVDT的输出不仅

要反映动作单元的实际位移值。而且还要对电气断

当铁芯处在次级绕组(线圈)S，、S：的中间时，

以=Ub；当铁芯向S。方向移动时，以>仉；当铁芯向

S：移动时，以<巩。根据电压差和铁芯位移的线性

关系．对2个次级线圈反馈电压进行采集和换算从而

得到铁芯的位移量．

线等情况进行检测[1-5]。

2常规LVDT断线检测的局限性

目前．绝大多数设计均仅限于对LVDT的正常

目前，关于LVDT断线检测实现的方案比较少。

对LVDT的驱动测量上．目前比较常见的设计

方案之一是采用AD公司制造的专用的LVDT信号

驱动测量上．对断线等故障情况并未做处理[6_12】。在

论述常规LVDT驱动测量实现方式就断线检测实现

局限性的基础上．提出一种新的有效方法以实现对

LVDT信号断线的检测。

处理芯片AD598来完成。

(a)铁芯偏左侧(L)

(b)铁芯位于中间

(c)铁芯偏右侧(R)

圈1 LVDT工作原理

of LVDT

Working

Fig．1

principle

收稿日期：2011—04—02：修回日期：2011—11—09

万方数据

手丹麟，等：基于付移传感器I。VDT的信号断线故障榆测

第12期

AD598①cB“]内部集成有低失真的正弦振荡器．

(以一玩=0)与正常测量时的玑一仉值重叠的问题，

断线检测似乎仍无法进行．但此时已可借助CPU进

行智能判断来进行进一步的断线分析。在理论上，

当反馈信号(E。、E2)全部断线时，以=Ub=0，以一Ub=

0；而当铁芯位于机械位置中值时，虽然以=Ub，以一

Ub=0，但此时以、仉并不为0。故可利用CPU来完

成对该2种不同情况的判别．从而彻底实现对LVDT

的断线检测。

可作为正弦激励信号提供给LVDT．并有信号采集电

路．可接收来自LVDT耦合形成的2路反馈信号

(晶、E2)。AD598对晶、易进行同步测量，在内部进

行(以一仇)／(以+仉)的运算，最终输出一个与铁芯

位移成正比的电压值。

AD598工作原理如图2所示．

EXCITATION(CARRIER)

若利用上述方法实现对LVDT的断线检测．必

3H2

须满足一个前提：当反馈信号(EhE：)全部断线时，以=

仉=O；即当反馈信号(E。、E：)发生断线时，经过信号

整流电路转化而成的直流电压信号为0。

经过实际搭建信号整流电路测试发现．该前提

的保证非常困难。

AMP卜一19一Uovr

薹

当铁芯处于机械位置中值时，以=仉，故以一Ub=O；

LVDT

由图4所示．反馈的正弦信号进入信号整流电路

(SIN／DC)转化为直流信号U。在该种情况下。使反

馈信号负端断线(如图中叉)，测试直流信号U。此时。

虽然正弦信号相对于信号整流电路为浮地．但实

际测试直流信号U并不为0．即此时来自反馈信号

的波动仍被信号整流电路接收并处理．此时的信号

已为干扰信号。实际测试中．￡，值随着反馈正弦信

号频率及幅值的变化而变化。当反馈正弦信号的频

率及幅值相对较高时．U值已增大到跨人正常信号

采集区。变为不可接收的错误信号。

图2 AD598工作原理

of AD598

Fig．2 Working principle

当铁芯由机械位置中值向机械位置最小值拉动

时，以>仉，且以一巩值逐渐增大，在机械位置最小值

时增至最大：+U。

当铁芯由机械位置中值向机械位置最大值拉动

时，以<Ub，且以一玩值逐渐减小，在机械位置最大值

时减至最小：一U。

当铁芯由机械位置最小值向机械位置最大值拉

动的过程中，以一魄值历经如下变化过程：由最大值

+U逐渐减小至0后继续减小至最小值一U。

当反馈信号(晶、E2)全部断线时，以=仉，故以一

仉=0。此时以一仉值与铁芯位于机械位置中值时

的以一玩值相等，即断线时的以一玩值与正常测

量时的以一玩值重叠，因此无法进行有效的断线

检测。

图4反馈测量示意图

Schematic

Fig．4

diagram

measuring

feedback

例如本实验测试时．信号U最终进入AD转换

器．AD转换器基准电压为2．5 V．外部正弦信号正常

时．最终进入AD转换器的电压信号范围为0．5～2．0V。

现将外部正弦信号负端断线．并逐步增大外部正弦信

号的频率及幅值．所得测试数据如表1所示。

除使用专用的LVDT信号处理芯片外．比较常见

的实现方式是使用分立器件搭建信号处理电路来完

成对LVDT的驱动测量。其工作原理如图3所示。

表1测试数据表

Tab．1 Test data

Es．

由以I

AI)电压

堡塑笪呈

信号／V

幅值／V

频率／kHz

。鲤业剑”I

图3采用分立器件实现LVDT驱动测量原理示意

LVl)1

Schematic

of LVDT

Fig．3

diagram

discrete devices

可见．当外部正弦信号的频率为5 kHz、幅值为

V时．经过信号整流电路转化而成的直流信号电

measuring by

2．5

压为0．443

首先．搭建正弦波发生电路(SIN)完成对LVDT

初级线圈P的激励。LVDT耦合出的2路正弦反馈

V．已经非常接近正常信号测量区域最小值

0．5

V。而当外部正弦信号的频率增大到10kHz、幅值

增大到5 V时．经过信号整流电路转化而成的直流信

号电压为1．076 V．已经跨入正常信号测最区域。

虽然此时反馈信号为断线．但最终经过信号整

信号(E。、易)分别进入搭建的信号整流电路转化为

直流电压信号(以、仇)，后级采用CPU对直流电压信

号进行采集。同理依据以一仉值正比于铁芯的机械

位移来完成对LVDT位移的测量。

Devices lnc．Data sheet，universal LVDT

conditioner

signal

①Analog

AD698．

对于图3测量方法．仍存在断线时的玑一仉值

万方数据

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