專利名稱：：一種lvdt傳感器信號檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及傳感器的信號調(diào)節(jié)方法，尤其涉及線性可調(diào)差接變壓器的信號調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
：線性可調(diào)差接變壓器(LVDT)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由一個初級線圈繞組和兩個次級線圈繞組組成，它的工作原理是當(dāng)鐵磁性磁芯受到與4企測的移動部分相連的非4失》茲桿拖曳沿它的內(nèi)部移動時，初級線圈與兩個次級線圈中每一個之間的電》茲互感發(fā)生變化。在初級線圏使用交流電壓供電時，當(dāng)鐵磁性磁芯在中心位置處時，每個次級線圏感應(yīng)的電壓相等。石茲芯偏離中心位置時，其中一個次級線圈電壓會逐漸增大，而另一個次級線圏電壓則會減小，同時，兩個次級線圈電壓的絕對變化量相同。通常，兩個次級線圈如圖1所示反向串聯(lián)方式工作，次級線圏的輸出電壓具有線性特征，輸出電壓圖形如圖2所示。對LVDT傳感器信號檢測常用的方法是采用載波放大器來完成，載波放大器包括用來完成交流放大模塊、解調(diào)電路模塊和低通濾波功能的電路模塊，其中還包括常用的振蕩器，如圖2所示。最簡單的方案就是從每個次級線圏獲得調(diào)幅連續(xù)電壓，然后進(jìn)行整流和相減，輸出直流電壓信號表明磁芯的位置。這種方法的不足之處在于，對次級線圏的直流電壓信號進(jìn)行檢測是一種間接檢測，被測信號，也就是直流電壓信號是交流信號經(jīng)過了整流、信號加減等中間處理環(huán)節(jié)，會造成無法避免的誤差量與時間同步上的延遲，導(dǎo)致通過對輸出直流電壓信號的檢測不能完全準(zhǔn)確的反映》茲芯的位置。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決的技術(shù)問題是對LVDT傳感器信號進(jìn)行直接檢測的方法，本發(fā)明提供一種通過對次級繞組信號的相位調(diào)節(jié)，來完成對信號幅值的精確采集的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)對LVDT傳感器信號的直接檢測的技術(shù)問題。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明包括以下
發(fā)明內(nèi)容一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于該方法通過調(diào)節(jié)激勵信號相位，并直接采樣次級線圏輸出信號，實(shí)現(xiàn)對LVDT傳感器信號的檢測，該方法包括以下步驟A、初始化相位粗調(diào)寄存器參數(shù)值和相位精調(diào)寄存器參數(shù)值為令，B、產(chǎn)生頻率為N赫茲的正弦波激勵信號，輸入到LVDT傳感器的初級線圏輸入端，C、通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)的第一采樣信號對次級線圏的輸出信號進(jìn)行采樣，第一采樣信號頻率為激勵信號頻率的4倍，對次級線圏輸出信號的每個周期采樣4次，得到第一信號，D、將采樣信號與時鐘信號進(jìn)行同步，得到第二采樣信號，E、根據(jù)第一信號采樣值極性確定激勵信號的相位粗調(diào)量，并設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值，F(xiàn)、依據(jù)粗調(diào)寄存器參數(shù)值對激勵信號進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的激勵信號輸入到初級線圏輸入端，此時次級線圏輸出信號與第二采樣信號之間的相移在0度至90度之間，G、根據(jù)經(jīng)過粗調(diào)后次級線圈輸出信號的相位，對激勵信號進(jìn)行精調(diào)，設(shè)置精調(diào)寄存器參數(shù)值，再次調(diào)整激勵信號的相位，H、當(dāng)激勵信號經(jīng)過相位粗調(diào)和精調(diào)之后，利用第二采樣信號對次級線圏輸出信號進(jìn)行采樣，使得4次采樣值分別為輸出信號的0、正峰值、0、負(fù)峰值，I、通過檢測次級線圏輸出信號的#值得到磁芯移開中心的位移。所述的步驟B中，可利用主頻時鐘為M兆赫茲的FPGA產(chǎn)生頻率為N赫茲的方波信號，經(jīng)過濾波處理得到正弦波激勵信號。所述的步驟D中，時鐘信號通過FPGA產(chǎn)生，該時鐘信號與產(chǎn)生方波的FPGA主頻時鐘信號相同。所述的FPGA主頻時鐘信號，其范圍在5MHZ至40MHZ之間。第二采樣信號與由FPGA產(chǎn)生的方波信號時鐘沿同步。所述的步驟E中設(shè)置激勵信號的相位粗調(diào)量的方法包括如下步E1、當(dāng)?shù)谝恍盘柕?次采樣值極性依次為正正負(fù)負(fù)，設(shè)置相位粗調(diào)量為0度，E2、當(dāng)?shù)谝恍盘柕?次采樣值極性依次為正負(fù)負(fù)正，設(shè)置相位粗調(diào)量為90度，E3、當(dāng)?shù)谝恍盘柕?次采樣值極性依次為負(fù)負(fù)正正，設(shè)置相位粗調(diào)量為180度，E4、當(dāng)?shù)谝恍盘柕?次采樣值極性依次為負(fù)正正負(fù)，設(shè)置相位粗調(diào)量為270度。所述的步驟F中的粗調(diào)寄存器參數(shù)值，其對應(yīng)于相位粗調(diào)量的參數(shù)設(shè)置方法為F1、當(dāng)相位粗調(diào)量為0度時，設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值為二進(jìn)制00，F(xiàn)2、當(dāng)相位粗調(diào)量為90度時，設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值為二進(jìn)制01，F(xiàn)3、當(dāng)相位粗調(diào)量為180度時，設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值為二進(jìn)制10，F(xiàn)4、當(dāng)相位粗調(diào)量為270度時，設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值為二進(jìn)制11。所述的步驟G中的相位精調(diào)寄存器，采用8位寄存器，調(diào)節(jié)范圍為0x00到OxFF，對應(yīng)相移0度至90度之間，使得次級線圈信號的4次采樣值分別為0、正峰值、0、負(fù)峰值。所述的步驟G中對激勵信號進(jìn)行精調(diào)，包括以下步驟G1、在相位為0度、90度、180度、270度四個采樣時間點(diǎn)中，可以選糾目位差180度的兩個采樣點(diǎn)為一對采樣點(diǎn)，G2、若設(shè)定O度和180度為一對采樣點(diǎn)，讀取設(shè)定采樣點(diǎn)上的次級線圈輸出信號信號幅值，與零進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果設(shè)定相位精調(diào)量，直到采樣信號幅值的絕對值最接近零為止，G3、若設(shè)定90度和270度為一對采樣點(diǎn)，讀取設(shè)定采樣點(diǎn)上的次級線圈輸出信號信號幅值，取絕對值后，跟上一次相同點(diǎn)采樣值的絕對值進(jìn)行比較，設(shè)定相位精調(diào)量，直到采樣信號幅值的絕對值為最大為止。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明是一種LVDT傳感器信號檢測方法。該方法利用專門的電路設(shè)計(jì)來產(chǎn)生初級線圏的激勵信號，用固定采樣頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCAnalogtoDigitalConverter)對次級線圈輸出電壓進(jìn)行采樣。該方法采用粗調(diào)和精調(diào)兩個調(diào)節(jié)步驟，完成對初級線圈的激勵信號相對于采樣信號的相位的精密調(diào)節(jié)，可以快速精確的調(diào)節(jié)初級線圈的激勵信號相位，該方法直接采集次級線圈輸出交流信號，可以應(yīng)用任何型號的LVDT傳感器，沒有激勵頻率的限制。相位調(diào)節(jié)只需要修改相應(yīng)的寄存器參數(shù)，不需要對硬件做任何修改。本發(fā)明提供的技術(shù)方案無需對輸出信號進(jìn)行整理、濾波等二次處理，可通過對輸出信號的直接檢測得到傳感器的位置信號，采集芯片精確釆集次級線圈輸出信號的幅值，顯著減小了信號檢測的誤差。避免了現(xiàn)有技術(shù)中對信號二次處理帶來的誤差，能提高傳感器的反饋位置信號的準(zhǔn)確度。圖1LVDT傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2LVDT次級線圏輸出信號線性范圍；圖3相位粗調(diào)量為0度時信號波形圖；圖4相位粗調(diào)量為90度時信號波形圖；圖5相位粗調(diào)量為180度時信號波形圖；圖6相位粗調(diào)量為270度時信號波形圖；圖7相位精調(diào)量為0度時信號波形圖；圖8相位精調(diào)量為45度時信號波形圖；圖9相位精調(diào)量為90度時信號波形圖。具體實(shí)施例方式LVDT傳感器通常用作與位置信號的反々責(zé)器件，下面以在掃描投影光刻機(jī)工件臺垂向運(yùn)動控制系統(tǒng)中，3個LVDT傳感器作為位置反饋器件為實(shí)施例，具體說明LVDT傳感器信號檢測步驟如下1.初始化相位粗調(diào)寄存器和相位精調(diào)寄存器值為零。2.利用FPGA產(chǎn)生頻率為12KHz的方波，經(jīng)過二階低通濾波器，得到頻率為12KHz的正弦波，此頻率當(dāng)然可以任意更改，常用頻率還有2.5KHz和5KHz。3.正弦波信號經(jīng)過信號調(diào)理，輸入到LVDT傳感器的初級線圈，作為LVDT傳感器的激勵信號。4.利用采樣頻率為48KHz的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的第一采樣信號對次級線圏輸出信號進(jìn)行采樣，每個周期采樣4次，如果激勵信號頻率為2.5KHZ或5KHZ時，則此處第一采樣信號的頻率分別為10KHZ和20KHZ,同樣每個周期采樣4次。5.利用FPGA的主頻時鐘信號對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的48KHz采樣信號進(jìn)行采樣，得到的第二采樣信號，第二采樣信號與FPGA輸出的方波在時鐘沿上同步，其中FPGA常用的主頻時鐘范圍為5MHZ至40MHZ之間，此處使用的主頻為20MHz。6.首先根據(jù)每周期4次采樣得到的第一信號的極性來設(shè)置粗調(diào)相位量，并設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值，具體的相位調(diào)節(jié)量和粗調(diào)寄存器參數(shù)設(shè)置方法如下表所示表1相位4l調(diào)表<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>把第一信號的四個時刻的采樣值分別與零做比較，大于零極性判為正，小于零則極性判為負(fù)，如上表所示，當(dāng)?shù)谝恍盘査膫€采樣值極性依次為正正負(fù)負(fù)時，相位粗調(diào)量為o度，也就是不需要調(diào)整激勵信號相位，粗調(diào)寄存器參數(shù)值設(shè)置為二進(jìn)制00;當(dāng)?shù)谝恍盘査膫€采樣值極性依次為正負(fù)負(fù)正時，對激勵信號的相位粗調(diào)量為90度，即將激勵信號相位調(diào)整90度，相應(yīng)的粗調(diào)寄存器參數(shù)值設(shè)置為二進(jìn)制01，當(dāng)?shù)谝恍盘査膫€采樣值極性依次為負(fù)負(fù)正正時，對激勵信號的相位粗調(diào)量為180度，粗調(diào)寄存器參數(shù)值設(shè)置為二進(jìn)制10;當(dāng)?shù)谝恍盘査膫€采樣值極性依次為負(fù)正正負(fù)，對激勵信號的相位粗調(diào)量為270度，粗調(diào)寄存器參數(shù)值設(shè)置為二進(jìn)制11。經(jīng)過設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值對激勵信號相位粗調(diào)之后，將調(diào)整后的激勵信號輸入到初級線圏輸入端，此時次級線圈輸出正弦信號與采樣信號之間的相位偏移量在0度至90度之間。然后可采用逐步逼近的方法來進(jìn)行對激勵信號相位的精調(diào)，相位調(diào)節(jié)范圍在O度至90度之間進(jìn)行，如果精調(diào)寄存器是8位寄存器，90°每bit代表7=a3515625度，調(diào)節(jié)范圍為0x00到OxFF，對應(yīng)相移0度到90度。逐步逼近的精調(diào)方法就是在O。、90°、180°、270°四個時間點(diǎn)，可以選取其中的0°或者180。采樣點(diǎn)，也可以選擇90°或者270。的采樣點(diǎn)。如果選擇O。或者180。采樣點(diǎn)，那么按位逐漸調(diào)整精調(diào)寄存器，調(diào)整完后，讀取次級線圈O。或者180。的采樣信號幅值，然后3進(jìn)行比較。重復(fù)這個過程，直到O。或者180°采樣信號幅值的絕對值最接近零為止。如果選擇90°或者270°采樣點(diǎn)，那么按位逐漸調(diào)整精調(diào)寄存器，調(diào)整完后，讀取次級線圈90?；蛘?70。的采樣信號幅值，取絕對值后，跟上一次相同點(diǎn)采樣值的絕對值進(jìn)行比較。重復(fù)這個過程，直到90°或者270。采樣信號幅值的絕對值為最大為止。在完成精調(diào)之后，保證4次采樣分別對應(yīng)次級線圏輸出正弦波型的O度、90度、180度、270度四個時間點(diǎn)。如有需要，可以將精調(diào)寄存器位數(shù)提高，以得到更準(zhǔn)確的相位移動。如圖3至圖9所示，相位粗調(diào)見圖3至圖6，分別對應(yīng)相位粗調(diào)0度、90度、180度、270度。其中shft—quadrant為相位粗調(diào)寄存器參數(shù)值，shft—step為相位精調(diào)寄存器參數(shù)值，sqw12k為12KHz方波，lnr為ADC的第一采樣信號，quadrant為將第一采樣信號即lnr信號與FPGA主時鐘同步之后的第二采樣信號。相位精調(diào)波形示意圖見圖7至圖9，分別對應(yīng)相位精調(diào)O度、45度和90度。權(quán)利要求1.一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于:該方法通過調(diào)節(jié)激勵信號相位，并直接采樣次級線圈輸出信號，實(shí)現(xiàn)對LVDT傳感器信號的檢測，該方法包括以下步驟:A、初始化相位粗調(diào)寄存器參數(shù)值和相位精調(diào)寄存器參數(shù)值為零，B、產(chǎn)生頻率為N赫茲的正弦波激勵信號，輸入到LVDT傳感器的初級線圈輸入端，C、通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)的第一采樣信號對次級線圈的輸出信號進(jìn)行采樣，第一采樣信號頻率為激勵信號頻率的4倍，對次級線圈輸出信號每個周期采樣4次，得到第一信號，D、將采樣信號與時鐘信號進(jìn)行同步，得到第二采樣信號，E、根據(jù)第一信號采樣值極性確定激勵信號的相位粗調(diào)量，并設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值，F(xiàn)、依據(jù)粗調(diào)寄存器參數(shù)值對激勵信號進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的激勵信號輸入到初級線圈輸入端，此時次級線圈輸出信號與第二采樣信號之間的相移在0度至90度之間，G、根據(jù)經(jīng)過粗調(diào)后次級線圈輸出信號的相位，對激勵信號進(jìn)行精調(diào)，設(shè)置精調(diào)寄存器參數(shù)值，再次調(diào)整激勵信號的相位，H、當(dāng)激勵信號經(jīng)過相位粗調(diào)和精調(diào)之后，利用第二采樣信號對次級線圈輸出信號進(jìn)行采樣，使得4次采樣值分別為輸出信號的0、正峰值、0、負(fù)峰值，I、通過檢測次級線圈輸出信號的峰峰值得到磁芯移開中心的位移。2、如權(quán)利要求1所述的一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于所述的步驟B中，可利用主頻時鐘為M兆赫茲的FPGA產(chǎn)生頻率為N赫茲的方波信號，經(jīng)過濾波處理得到正弦波激勵信號。3、如權(quán)利要求1或2所述的一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于所述的步驟D中，時鐘信號通過FPGA產(chǎn)生，該時鐘信號與產(chǎn)生方波的FPGA主頻時鐘信號相同。4、如權(quán)利要求3所述的一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于所述的FPGA主頻時鐘信號，其范圍在5MHZ至40MHZ之間。5、如權(quán)利要求4所述的一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于第二采樣信號與由FPGA產(chǎn)生的方波信號時鐘沿同步。6、如權(quán)利要求1所述的一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于所述的步驟E中設(shè)置激勵信號的相位粗調(diào)量的方法包括如下步驟E1、當(dāng)?shù)谝恍盘柕?次采樣值極性依次為正正負(fù)負(fù)，設(shè)置相位粗調(diào)量為0度，E2、當(dāng)?shù)谝恍盘柕?次采樣值極性依次為正負(fù)負(fù)正，設(shè)置相位粗調(diào)量為90度，E3、當(dāng)?shù)谝恍盘柕?次采樣值極性依次為負(fù)負(fù)正正，設(shè)置相位粗調(diào)量為180度，E4、當(dāng)?shù)谝恍盘柕?次采樣值極性依次為負(fù)正正負(fù)，設(shè)置相位粗調(diào)量為270度。7、如權(quán)利要求1或6所述的一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于所述的步驟F中的粗調(diào)寄存器參數(shù)值，其對應(yīng)于相位粗調(diào)量的參數(shù)設(shè)置方法為F1、當(dāng)相位粗調(diào)量為0度時，設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值為二進(jìn)制00，F(xiàn)2、當(dāng)相位粗調(diào)量為90度時，設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值為二進(jìn)制01,F3、當(dāng)相位粗調(diào)量為180度時，設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值為二進(jìn)制10，F(xiàn)4、當(dāng)相位粗調(diào)量為270度時，設(shè)置粗調(diào)寄存器參數(shù)值為二進(jìn)制11。8、如權(quán)利要求1所述的一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于所述的步驟G中的相位精調(diào)寄存器，采用8位寄存器，調(diào)節(jié)范圍為0x00到OxFF,對應(yīng)相移0度至90度之間，使得4次采樣分別對應(yīng)次級線圈輸出信號的4次采樣值分別為零值、正峰值、零值、負(fù)峰值。9、如權(quán)利要求1所述的一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于所述的步驟G中對激勵信號進(jìn)行精調(diào)，包括以下步驟G1、在相位為0度、90度、180度、270度四個采樣時間點(diǎn)中，可以選取相位差180度的兩個采樣點(diǎn)為一對采樣點(diǎn)，G2、若設(shè)定O度和180度為一對采樣點(diǎn)，讀取設(shè)定采樣點(diǎn)上的次級線圈輸出信號信號幅值，與零進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果設(shè)定相位精調(diào)量，直到采樣信號幅值的絕對值最接近零為止，G3、若設(shè)定90度和270度為一對采樣點(diǎn)，讀取設(shè)定采樣點(diǎn)上的次級線圈輸出信號信號幅值，取絕對值后，跟上一次相同點(diǎn)采樣值的絕對值進(jìn)行比較，設(shè)定相位精調(diào)量，直到采樣信號幅值的絕對值為最大為止。全文摘要本發(fā)明是一種LVDT傳感器信號的檢測方法，其特征在于對輸出信號進(jìn)行采樣的同時，將采用信號與激勵信號進(jìn)行時鐘同步，并通過對激勵信號相位進(jìn)行粗調(diào)和精調(diào)兩次調(diào)節(jié)，最終使得采樣信號每周期4次采樣精確對準(zhǔn)輸出信號的0、正峰值、0和負(fù)峰值。本發(fā)明提供的技術(shù)方案無需對輸出信號進(jìn)行整理、濾波等二次處理，可通過對輸出信號的直接檢測得到傳感器的位置信號，有效減小了信號二次處理帶來的誤差，能提高傳感器的反饋位置信號的準(zhǔn)確度。文檔編號G01D5/12GK101373143SQ20081020144公開日2009年2月25日申請日期2008年10月21日優(yōu)先權(quán)日2008年10月21日發(fā)明者穆洪德,銳陳申請人:上海微電子裝備有限公司;上海微高精密機(jī)械工程有限公司