一、信号采集电路设计
由于微小平面度的高精度测量对测头需要小型化和轻量化，因此采用measurement公司MHR050型LVDT传感器，轻质铁芯有助于减小应力以及保证铁芯激励组件结构的完整性。线圈和铁芯之间的紧密电气耦合可得到高度灵敏的测量效果。整体质量6g，线性量程±1.27mm，激励电压3Vrms，工作频率范围2kHz~20kHz。LVDT传感器输入的是磁芯的机械位移，输出是与磁芯位置成正比的交流电压信号，结合信号调理芯片AD698使用能够以较高精度和重复性误差将传感器的机械位移转换为单极性或双极性直流电压。
电信号经低噪声AD8476差分运算放大器送至A/D转换器。预达到平面度误差0.1um~0.01um的精度，所需A/D转换器的位数n。由于线性量程为±1.27mm，即在3mm的范围内实现最小0.01um的分辨率，经计算需21位的ADC芯片，考虑到噪声和滤波的影响，因而采用24位AD7190模数转换芯片。该芯片是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前端，可以配置为两路差分输入或四路伪差分输入，最高输出速率为4.8kHz,最高无噪声分辨率为22.5位，失调漂移为5nV/C。本系统中对于单片机的要求并不高，选用STC12C5A60S2单片机作为控制器。该芯片采用贴片封装、体积小，有利于系统集成。
二、电源电路设计
虽然开关电源具有体积小、效率高等特点，但是存在一定的纹波并且开关噪声较大，因此系统采用线性电源，线性电源先将交流电经过变压器再经过整流、滤波、电压反馈调整得到高精度稳定的输出电压。实验室现有±12V线性电源，由于电路中的芯片还需要±9V和+5V供电电压。因此采用线性稳压器件调整得到所需电压值，TPS7A4901是一款输入为3V至36V超低噪声，输出可调的低压降线性稳压器，结合TPS7A3001调节接入电阻使得输出为±9V，LM7805为输入5V至18V固定输出5V稳压器。在芯片两端添加小电容，减少噪声干扰，达到滤波。为了减小模拟电源与数字电源间的相互干扰，采用电感将它们隔离开，并通过0Ω电阻将模拟地与数字地相连。
三、实验测试
将扭簧表和测头固定，工作台一端同时挤压扭簧表和测针，即可在相同条件下用扭簧表的实测位移和测头读值表示当前位移变化。测试原理如图2所示。测试数据如下表1所示。最小二乘法拟合出直线方程：y=kx+b，经计算k=0.023854，b=1538.757即分辨率为0.02464μm。
四、结论
为满足小零件高精度平面度测量要求设计并制作了一套LVDT传感器的测量电路，从测试结果来看：（1）测头的分辨率初步达到亚微米级；（2）该检测电路运用了LVDT传感器与AD698调理芯片，电路结构简单，满足一般的测量需求。在测试过程中读取数值末尾跳动变化，再加以算法的修改，测量精度能得到进一步提高。
作者：冯丽 柴鹏 单位：西安工业大学机电工程学院
