差動變壓器位移傳感器

1、課程設(shè)計任務(wù)書分院(系)機械工程專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動學(xué)生姓名陳雪松學(xué)號201207024134設(shè)計題目差動變壓器位移傳感器內(nèi)谷及要求：(1)利用差動變壓器設(shè)計位移傳感器(2)利用給定的數(shù)據(jù)設(shè)計電路圖，并解釋清楚原理(3)根據(jù)設(shè)計的電路進行改進提高測量精度(4)測位移的傳感器用差動變壓器要求在課程設(shè)計報告中給出：1)簡述元器件裝置的結(jié)構(gòu)和電路原理圖。2)調(diào)試過程，說明發(fā)現(xiàn)的向題及處理過程。3)系統(tǒng)調(diào)試并寫出測試結(jié)果。4)總結(jié)結(jié)論。進度安排：2014年11月10日一2012年12月5日根據(jù)設(shè)計要求和內(nèi)容查閱參考文獻或資料，提出設(shè)計方案，進行原理設(shè)計。2014年12月6日一2014年12月20日

2、根據(jù)設(shè)計方案，進行調(diào)試，測試，撰寫課程設(shè)計報告。目錄1. 摘要22. 引言43. 螺線管式差動變壓器傳感器43.1 差動變壓器式傳感器簡介43.2 工作原理44. 差動變壓器的測量電路及其仿真64.1 差動整流電路74.2 相敏檢波電路：94.3 零點殘余誤差補償135. 差動變壓器位移傳感器的改進145.1 差動電壓接放大器電路及其仿真145.2 整流信號接濾波電路156. 使用器件清單177. 總結(jié)171.摘要差動變壓器位移傳感器的基本知識介紹傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。在有些學(xué)科領(lǐng)域，傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉(zhuǎn)換器等。通常傳感器由敏

3、感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號的部分。由于傳感器的輸出信號一般都很薄弱，因此需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對其進行放大等。電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈的自感或互感變化的機電轉(zhuǎn)換裝置。它也常用來檢測位移、振動、力、應(yīng)變、流量、比重等物理量。電感式傳感器的種類很多。根據(jù)傳感器轉(zhuǎn)換原理不同，可分為自感式、互感式、渦流式、壓磁式和感應(yīng)同步器等。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可分為氣隙式和螺管式兩種。根據(jù)改變的參數(shù)不同，又可分為變氣隙厚度式、變氣隙面積式、變鐵芯導(dǎo)磁率

4、式三種。電感傳感器具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長；靈敏度高，分辨率高；測量精度高，線性好；性能穩(wěn)定，重復(fù)性好；輸出阻抗小，輸出功率大；抗干擾能力強，適合在惡劣環(huán)境中工作。電感傳感器的缺點是：頻率低，動態(tài)響應(yīng)慢，不宜作快速動態(tài)測量；存在交流零位信號；要求附加電源的頻率和幅值的穩(wěn)定度高；其靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，測量范圍越大，靈敏度越低。關(guān)鍵字：相敏檢波轉(zhuǎn)換電路差動變壓器2 引言隨著社會科技進步，人們生活水平不斷提高，人們對生活的追求也在日新月異，在滿足人們需求的同時，對距離的測量也在提升，為了節(jié)省人力資源，傳感器是最佳選擇，它可以讓人們方便地測出兩地位移，并通過檢測技術(shù)來精確

5、信息。而差動變壓器位移傳感器便能精確的測得位移。3 .螺線管式差動變壓器傳感器3.1 差動變壓器式傳感器簡介把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等，下圖為差動變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點3.2 工作原理圖1中，R琲口Lp分別為初級線圈的損耗電阻和自感，Rs1和Rs媯兩個次級線圈的電阻，Ls1和Ls2表示兩

6、個次級線圈的自感，M洋口M2為初級線圈與兩個次級線圈的互感系數(shù)，Ep為加在初級線圈上的激勵電壓，Es1和Es2為兩次級線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，Es為Es1和Es2形成的差動輸出電壓。根據(jù)變壓器的工作原理，當(dāng)在初級線圈上加上適當(dāng)頻率的激勵電壓時，在兩個次級線圈上就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。若變壓器的結(jié)構(gòu)完全對稱，當(dāng)鐵心處于初始平衡位置時，差動變壓器輸出為0.當(dāng)鐵心偏離平衡位置時，兩個次級線圈的互感系數(shù)發(fā)生極性相反的變化，互感M#Mb,兩次級繞組的互感電勢Es1正s2,輸出電壓Es=Es1-Es"Q即差動變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小使得差動變壓器輸出不為0,并且輸出電

7、壓Es隨著鐵心偏離中心位置將逐漸加大。差動變壓器輸出電壓與鐵心位移成正比，即可根據(jù)電壓大小可判斷位移大小。輸出特性曲線如圖2所示：凡L圖1差動變壓器等效電路圖2差動變壓器的輸出特性曲線2 .基本特性分析(1)輸出特性初級線圈的復(fù)數(shù)電流值為:RP + j&Lp輸出電壓：左$ =% =皿生-Af2與 dt dt將電流/寫成復(fù)指數(shù)形式工ip= d則學(xué)=7叫好7" = - jsip at則輸出電壓為:=-心(必-/)乙=討論:-/磯河1-河2)取RP + j a)Lp(1)磁芯處于中間平衡位置時,互感此二帥M則艮二0；(2)磁芯上升時，用二MAM7的=M-AM,則Es=2(dME/R

8、p(a)Lp)2(3)磁芯下降時，=M-AM,=M+AM,貼|E$_2皿監(jiān)尸/?尸2+(3L產(chǎn)廠4 .差動變壓器的測量電路及其仿真差動變壓器輸出的是交流電壓，若要用交流模擬或者數(shù)字電壓表測量，只能反映鐵芯位移的大小，不能反映移動的方向。另外其測量值必定含有零點殘余電壓。為了達到能判別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際應(yīng)用中，常采用的測量電路主要有差動整流電路和相敏檢波電路。一般經(jīng)過相敏檢波和差動整流輸出地信號，還需經(jīng)過低通濾波電路，把調(diào)制時引入的高頻信號濾掉，只讓鐵芯運動產(chǎn)生的有用信號通過。4.1 差動整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級管單向?qū)ㄔ磉M行解調(diào)的。如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性

9、，在f點為“+”，e點為，則電流路徑是fgdche。反之,如f點為，e點為“+”，則電流路徑是ehdcgf?？梢?，無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個次級線圈的輸出情況。差分整流電路如圖4所示：圖4差分整流電路銜鐵向上運動轉(zhuǎn)換電路及仿真圖如圖5和圖6所示:仿真波形如下:圖5銜鐵向上運動的轉(zhuǎn)換電路r 11|日寸同.計日情醇 A|仁匕族|fQm匕匕由I |為 ¥用蛇mIQ.2¥口施舊OH二內(nèi)| | IO mV/DIv v f他洱（早在Cxt. Tfiqomt圖6銜鐵向上運動的仿真圖銜鐵向下運動的轉(zhuǎn)換電路及仿真波形如圖 7和圖8所示:

10、圖7銜鐵向下運動的轉(zhuǎn)換電路波形如下:圖8銜鐵向下運動的仿真圖4.2 相敏檢波電路:在動態(tài)測量時，假定位移是正弦波，即z=Asinwt,則動態(tài)測量時，銜鐵在零位以上移動和零位以下移動時，二次繞組輸出電壓的相位發(fā)生180度的變化，因此判別相位的變化就可以判別位移的極性。相敏檢波電路正是通過鑒別相位來辨別位移的方向，即差分變壓器輸出的調(diào)幅波經(jīng)相敏檢波后，便能輸出既反映位移大小又反映位移極性的測量信號。相敏檢波器的電路原理如圖所示。它由四個特性相同的二極管D1D4&同一方向串聯(lián)成一個橋式電路，各橋臂上通過附加電阻將電橋預(yù)調(diào)平衡。比較電壓Ek與差動變壓器輸出電壓具有相同的頻率。經(jīng)過相敏檢波電路調(diào)

11、理后，其直流輸出電壓信號的極性反映鐵芯位移的方向。銜鐵向下運動的轉(zhuǎn)換電路及仿真波形如圖9和圖10所示：圖9銜鐵向下運動的轉(zhuǎn)換電路語汨浦洞M片比例|5C7g比例IWQniVQv|癡口上P-R4向坤比例回圖11銜鐵向上運動的轉(zhuǎn)換電路圖10銜鐵向下運動的仿真圖銜鐵向上運動的轉(zhuǎn)換電路及仿真波形如圖11和圖12所示:所以由以上仿真結(jié)果可得：當(dāng)銜鐵在零點以下移動時，不論載波是正半周還是負半周，在負載電阻上得到的電壓始終是負電壓；當(dāng)銜鐵在零點以上移動時，不論載波是正半周還是負半周，負載電阻上得到的電壓始終是正電壓。所以差分變壓器經(jīng)相敏檢波后，正位移輸出正電壓，負位移輸出負電壓，電壓值的大小表明位移的大小，電

12、壓的正負表明位移的方向，因此原來的V字型輸出的特性曲線變成了過零點的一條直線，相敏檢波前后的輸出特性曲線如圖13和圖14所示：但是動態(tài)測量信號經(jīng)相敏檢波后，輸出波形中仍含有高頻分量，因而必須通過低通濾波器濾除高頻分量取出被測信號，這樣鄉(xiāng)民檢波和低通濾波器電路互相配合，才能取出被測信號，即起了相敏解調(diào)的作用。相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路。包絡(luò)檢波有兩個問題：一是解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具傳感器課程設(shè)計有區(qū)分不同載波頻率的信號的能力。對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復(fù)調(diào)

13、制信號，這就是說它不具有鑒別信號的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。相敏檢波電路的選頻特性是指它對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞特性。以參考信號為基波，所有偶次諧波在載波信號的一個周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號的幅值相應(yīng)衰減為基波的1/n,即信號的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用。如果輸入信號us為與參考信號uc（或Uc）同頻信號，但有一定相位差，這時輸出電壓uo=Usm/2cos爐，即輸出信號隨相位差步的余弦而變化。由于在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸

14、出信號的大小與相位差有確定的函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)輸出信號的大小確定相位差的值，相敏檢波電路的這一特性稱為鑒相特性。4.3 零點殘余誤差補償圖15輸出特性曲線(1)零點殘余電壓，又稱為零位電壓。差動式變壓器傳感器的銜鐵處于中間平衡位置時輸出的微小電壓，如圖15所示。同時零點電壓的存在使得傳感器輸出特性在零點附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制了分辨力的提高。零點殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至?xí)狗糯笃黠柡?，堵塞有用信號通過，致使儀器不再反映被測量的變化。因此對零點殘余電壓認(rèn)真分析找出減小的方法是很重要的。(2)消除零點殘余電壓方法：從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要

15、求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應(yīng)選在磁化曲線的線性段。選用合適的測量線路采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2,從而消除了零點殘余電壓。采用補償線路如圖16所示:圖16電位器調(diào)零點殘余電壓補償電路5 .差動變壓器位移傳感器的改進5.1 差動電壓接放大器電路及其仿真電路及仿真如圖17和18所示:圖17差動電壓接放大器電

16、路仿真如圖所示:圖18差動電壓接放大器的仿真圖由原理圖和仿真圖可以看出，輸入信號經(jīng)差分放大器之后波形幅度變大。5.2 整流信號接濾波電路低通濾波器容許低頻信號通過，但減弱或減小頻率高于截止頻率的信號的通過。RC濾波器具有電路簡單、抗干擾性能強，有較強的低頻性能，電阻、電容元件標(biāo)準(zhǔn)、易于選擇的特點。因此，在測試系統(tǒng)中，選用一階RC低通濾波器。濾波電路圖和仿真圖如圖19和圖20所示:圖20濾波電路圖的仿真圖將整流信號接濾波器后的電路圖如圖 21所示：g -小M" sn圖21整流信號接濾波器后的電路圖由RC低通濾波截至頻率f=1/2RC*3.14可計算得截至頻率為1000/2*2.5*3.

17、14=64Hz故該濾波器可將高頻干擾信號濾掉，而且不影響有用信號6 .使用器件清單:如表1所下:元件序號元件型號主要參數(shù)數(shù)量備注1電阻1K2電壓源10V,6V,15V,22V3示波器4二極管BYV27-505電壓表DC6電容1uf表1器件清單7總結(jié)：這次傳感器課程設(shè)計我的題目是“差動變壓器位移傳感器”，從理論設(shè)計方案及論證到傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論分析、參數(shù)計算，測量電路設(shè)計、分析、參數(shù)計算，再到傳感器的靜態(tài)、動態(tài)性能實驗的測試分析、實驗設(shè)計，使我對傳感器知識有了更深一層的理解和掌握，尤其是帶有相敏檢波電路的差動式傳感器，對其中差動電橋、運算放大器、相敏檢波器、低通濾波器的結(jié)構(gòu)原理及參數(shù)選擇有了更進一步的了解。鍛煉并提升了我的實際操作能力，使我所學(xué)的理論知識有了實用的價值，得以與實踐操作充分結(jié)合。但同時這次課設(shè)也遇到了平時理論課遇不到的問題，