差動(dòng)變壓器位移傳感器

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

2、根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行調(diào)試，測(cè)試，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。目錄1. 摘要22. 引言43. 螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器43.1 差動(dòng)變壓器式傳感器簡(jiǎn)介43.2 工作原理44. 差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路及其仿真64.1 差動(dòng)整流電路74.2 相敏檢波電路：94.3 零點(diǎn)殘余誤差補(bǔ)償135. 差動(dòng)變壓器位移傳感器的改進(jìn)145.1 差動(dòng)電壓接放大器電路及其仿真145.2 整流信號(hào)接濾波電路156. 使用器件清單177. 總結(jié)171.摘要差動(dòng)變壓器位移傳感器的基本知識(shí)介紹傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(cè)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?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)的部分。由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很薄弱，因此需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行放大等。電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈的自感或互感變化的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。它也常用來(lái)檢測(cè)位移、振動(dòng)、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(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，壽命長(zhǎng)；靈敏度高，分辨率高；測(cè)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(qiáng)，適合在惡劣環(huán)境中工作。電感傳感器的缺點(diǎn)是：頻率低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，不宜作快速動(dòng)態(tài)測(cè)量；存在交流零位信號(hào)；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(cè)量范圍相互制約，測(cè)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(dòng)變壓器2 引言隨著社會(huì)科技進(jìn)步，人們生活水平不斷提高，人們對(duì)生活的追求也在日新月異，在滿足人們需求的同時(shí)，對(duì)距離的測(cè)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(cè)出兩地位移，并通過檢測(cè)技術(shù)來(lái)精確

5、信息。而差動(dòng)變壓器位移傳感器便能精確的測(cè)得位移。3 .螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器3.1 差動(dòng)變壓器式傳感器簡(jiǎn)介把被測(cè)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(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)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(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1100mm機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)3.2 工作原理圖1中，R琲口Lp分別為初級(jí)線圈的損耗電阻和自感，Rs1和Rs媯兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻，Ls1和Ls2表示兩

6、個(gè)次級(jí)線圈的自感，M洋口M2為初級(jí)線圈與兩個(gè)次級(jí)線圈的互感系數(shù)，Ep為加在初級(jí)線圈上的激勵(lì)電壓，Es1和Es2為兩次級(jí)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，Es為Es1和Es2形成的差動(dòng)輸出電壓。根據(jù)變壓器的工作原理，當(dāng)在初級(jí)線圈上加上適當(dāng)頻率的激勵(lì)電壓時(shí)，在兩個(gè)次級(jí)線圈上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若變壓器的結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，當(dāng)鐵心處于初始平衡位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出為0.當(dāng)鐵心偏離平衡位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)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(jí)繞組的互感電勢(shì)Es1正s2,輸出電壓Es=Es1-Es"Q即差動(dòng)變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測(cè)體位移的大小使得差動(dòng)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(dòng)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(dòng)變壓器等效電路圖2差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線2 .基本特性分析(1)輸出特性初級(jí)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(shí),互感此二帥M則艮二0；(2)磁芯上升時(shí)，用二MAM7的=M-AM,則Es=2(dME/R

8、p(a)Lp)2(3)磁芯下降時(shí)，=M-AM,=M+AM,貼|E$_2皿監(jiān)尸/?尸2+(3L產(chǎn)廠4 .差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路及其仿真差動(dòng)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(cè)量，只能反映鐵芯位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向。另外其測(cè)量值必定含有零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能判別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際應(yīng)用中，常采用的測(cè)量電路主要有差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。一般經(jīng)過相敏檢波和差動(dòng)整流輸出地信號(hào)，還需經(jīng)過低通濾波電路，把調(diào)制時(shí)引入的高頻信號(hào)濾掉，只讓鐵芯運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的有用信號(hào)通過。4.1 差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性

9、，在f點(diǎn)為“+”，e點(diǎn)為，則電流路徑是fgdche。反之,如f點(diǎn)為，e點(diǎn)為“+”，則電流路徑是ehdcgf?？梢?，無(wú)論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)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(gè)次級(jí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換電路r 11|日寸同.計(jì)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(yùn)動(dòng)的仿真圖銜鐵向下運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換電路波形如下:圖8銜鐵向下運(yùn)動(dòng)的仿真圖4.2 相敏檢波電路:在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，假定位移是正弦波，即z=Asinwt,則動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，銜鐵在零位以上移動(dòng)和零位以下移動(dòng)時(shí)，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(lái)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(cè)量信號(hào)。相敏檢波器的電路原理如圖所示。它由四個(gè)特性相同的二極管D1D4&同一方向串聯(lián)成一個(gè)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(dòng)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(hào)的極性反映鐵芯位移的方向。銜鐵向下運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換電路語(yǔ)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(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換電路圖10銜鐵向下運(yùn)動(dòng)的仿真圖銜鐵向上運(yùn)動(dòng)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(diǎn)以下移動(dòng)時(shí)，不論載波是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載電阻上得到的電壓始終是負(fù)電壓；當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)以上移動(dòng)時(shí)，不論載波是正半周還是負(fù)半周，負(fù)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(fù)位移輸出負(fù)電壓，電壓值的大小表明位移的大小，電

12、壓的正負(fù)表明位移的方向，因此原來(lái)的V字型輸出的特性曲線變成了過零點(diǎn)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(dòng)態(tài)測(cè)量信號(hào)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(cè)信號(hào)，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(cè)信號(hào)，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(hào)相位和選頻能力的檢波電路。包絡(luò)檢波有兩個(gè)問題：一是解調(diào)的主要過程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具傳感器課程設(shè)計(jì)有區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)的能力。對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流，以恢復(fù)調(diào)

13、制信號(hào)，這就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)的能力。為了使檢波電路具有判別信號(hào)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(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞特性。以參考信號(hào)為基波，所有偶次諧波在載波信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對(duì)于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號(hào)的幅值相應(yīng)衰減為基波的1/n,即信號(hào)的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對(duì)高次諧波有一定抑制作用。如果輸入信號(hào)us為與參考信號(hào)uc（或Uc）同頻信號(hào)，但有一定相位差，這時(shí)輸出電壓uo=Usm/2cos爐，即輸出信號(hào)隨相位差步的余弦而變化。由于在輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻但有一定相位差時(shí)，輸

14、出信號(hào)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(hào)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(diǎn)殘余誤差補(bǔ)償圖15輸出特性曲線(1)零點(diǎn)殘余電壓，又稱為零位電壓。差動(dòng)式變壓器傳感器的銜鐵處于中間平衡位置時(shí)輸出的微小電壓，如圖15所示。同時(shí)零點(diǎn)電壓的存在使得傳感器輸出特性在零點(diǎn)附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制了分辨力的提高。零點(diǎn)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?hào)通過，致使儀器不再反映被測(cè)量的變化。因此對(duì)零點(diǎn)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(diǎn)殘余電壓方法：從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要

15、求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，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(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。選用合適的測(cè)量線路采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2,從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。采用補(bǔ)償線路如圖16所示:圖16電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路5 .差動(dòng)變壓器位移傳感器的改進(jìn)5.1 差動(dòng)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(dòng)電壓接放大器電

16、路仿真如圖所示:圖18差動(dòng)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(hào)經(jīng)差分放大器之后波形幅度變大。5.2 整流信號(hào)接濾波電路低通濾波器容許低頻信號(hào)通過，但減弱或減小頻率高于截止頻率的信號(hào)的通過。RC濾波器具有電路簡(jiǎn)單、抗干擾性能強(qiáng)，有較強(qiáng)的低頻性能，電阻、電容元件標(biāo)準(zhǔn)、易于選擇的特點(diǎn)。因此，在測(cè)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(hào)接濾波器后的電路圖如圖 21所示：g -小M" sn圖21整流信號(hào)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(jì)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(hào)濾掉，而且不影響有用信號(hào)6 .使用器件清單:如表1所下:元件序號(hào)元件型號(hào)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(jì)我的題目是“差動(dòng)變壓器位移傳感器”，從理論設(shè)計(jì)方案及論證到傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析、參數(shù)計(jì)算，測(cè)量電路設(shè)計(jì)、分析、參數(shù)計(jì)算，再到傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)的測(cè)試分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使我對(duì)傳感器知識(shí)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(dòng)式傳感器，對(duì)其中差動(dòng)電橋、運(yùn)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(jìn)一步的了解。鍛煉并提升了我的實(shí)際操作能力，使我所學(xué)的理論知識(shí)有了實(shí)用的價(jià)值，得以與實(shí)踐操作充分結(jié)合。但同時(shí)這次課設(shè)也遇到了平時(shí)理論課遇不到的問題，