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LVDT 位置传感器的信号解调与非线性补偿技术
1. LVDT 工作原理与调制特性
LVDT 是一种电感式位移传感器，由一个原边激励线圈和两个副边感应线圈组成。
- 激励信号：通常由一个固定频率（如 ）的正弦波驱动原边。
- 调制原理：当铁芯移动时，副边两个线圈的互感发生变化。输出信号的幅度代表位移大小，相位（相对于激励信号）则代表位移方向。
2. 信号解调：从高频载波中提取位移
LVDT 的原始输出是调幅信号（AM），必须经过解调才能转化为可处理的直流电压或数字量。
2.1 异步解调 (Asynchronous Demodulation)
异步解调不参考激励信号的相位，主要关注包络提取：
- 峰值法（Peak Detection）：采样载波的极值点。优点是动态响应快，但对高频噪声极度敏感。
- 平均法（Rectification & Filtering）：将信号全波整流后通过低通滤波器（LPF）。这种方法能有效抑制随机噪声，但滤波器的截止频率会限制系统的带宽。
2.2 同步解调 (Synchronous Demodulation) —— 进阶选择
虽然原文未详细展开，但在高性能设计中，同步解调利用相敏检波（PSD）技术，不仅能提取幅度，还能自动识别位移方向（相位），且具有极强的共模噪声抑制能力。
3. 非线性误差的来源分析
理想情况下，。但在实际硬件电路中，非线性项常以高阶谐波的形式出现：
- 驱动源失真：若激励正弦波不纯，包含 或 谐波，这些分量会耦合到副边。
- 信号链非线性：放大器或整流二极管的非线性特征（如二极管压降）会导致信号出现二次或三次失真。
- 磁饱和效应：当铁芯接近极限位置时，磁路饱和会导致输出偏离线性区间。
4. 处理策略：带通滤波器（BPF）的妙用
针对上述非线性问题，在解调前引入**带通滤波器（BPF）**是业界公认的有效手段。
4.1 滤波逻辑
将 BPF 的中心频率设定为载波频率 ：
- 消除基带噪声：滤除低频温漂和 噪声。
- 抑制高阶失真：通过截止带衰减掉 及更高频率的非线性分量。
- 恢复纯净正弦波：即使驱动信号是带畸变的准正弦波，经 BPF 后也能恢复为高质量的载波，从而提高解调后的线性度。
4.2 典型应用实例：PGA450-Q1
在汽车超声波雷达及 LVDT 接口设计中，TI 的 PGA450-Q1 提供了完整的硬件方案：
- 集成 BPF：数字化的带通滤波器可灵活配置中心频率。
- 数字解调引擎：采用高性能数字异步解调，直接输出代表物理量的 12-bit 数据，极大地简化了后级微处理器的负担。
5. 硬件设计建议
- 激励源稳定性：使用低失真的振荡器（如文氏桥或数字 DDS）作为原边激励，从源头减少非线性。
- 抗干扰布线：LVDT 输出信号微弱且阻抗较高，布线时需严格避开 DC-DC 开关电源区，并建议采用屏蔽双绞线连接传感器。
- 温度补偿：电感值随温度变化是 LVDT 最大的敌人。在精密应用中，应实时监测激励电流或使用比率计（Ratiometric）测量法。
6. 结论
解决 LVDT 非线性问题的核心在于“信号去噪”与“精准解调”。通过合理的带通滤波器设计，可以滤除信号链中难以避免的谐波失真，结合如 PGA450-Q1 这类高集成度方案，能够显著提升液压阀控制及泊车辅助系统的可靠性。
LVDT 位置传感器的信号解调与非线性补偿技术
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