LVDT線性位移傳感器的設(shè)計(jì)說(shuō)明書

可編輯版/LVDT線性位移傳感器的設(shè)計(jì)一、引言差動(dòng)變壓器式傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高、分辨力大,能測(cè)出0.1um更小的機(jī)械位移變化;傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng),有利于信號(hào)的傳輸；重復(fù)性好,在一定位移范圍內(nèi),輸出特性的線性度好,并且比較穩(wěn)定,因此廣泛應(yīng)用于壓力、位移傳感器的設(shè)計(jì)制造中,尤其在航空、航天等環(huán)境惡劣、環(huán)境溫度高的壓力測(cè)量方面,也得到了廣泛的應(yīng)用。二、方案論證1.參數(shù)要求給定原始數(shù)據(jù)及技術(shù)要求1.最大輸入位移為100mm2靈敏度不小于80V/m3非線性誤差不大于10%4零位誤差不大于1mv5.電源為9v,400HZ6.最大尺寸結(jié)構(gòu)為160mmX21mm2.方案討論根據(jù)給定技術(shù)要求選擇電感變換元件的類型及測(cè)量電路的形式,如圖1所示圖1、傳感器的組成框圖1傳感器電感變換元件類型的選擇〔1測(cè)量范圍小,如位移從零點(diǎn)幾微米至數(shù)百微米,且當(dāng)線性范圍也小時(shí),常用E形或II形平膜硅鋼片疊成的電感式傳感器或差動(dòng)變壓器。<2>螺線管,常用于測(cè)量1mm以上至數(shù)百毫米的大位移,其線性范圍也較大。2測(cè)量電路的選擇測(cè)量電路主要依據(jù)選定的電感變換器的種類、用途、靈敏度、精度及輸出形式等技術(shù)要求來(lái)確定。3.螺管型差動(dòng)變壓器的工作原理差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)為E=jωI1<M1-M2>=jωI1ΔM=fΔM所以,差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)為兩副邊線圈互感之差ΔM的函數(shù)。螺管型差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,常用二節(jié)式、三節(jié)式、一節(jié)式的靈敏度高,但三節(jié)式的零點(diǎn)較好。差動(dòng)變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。這種類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化,即繞組間的互感隨被測(cè)位移改變而變化。由于在使用時(shí)采用兩個(gè)二次繞組反向串接,以差動(dòng)方式輸出,所以把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器,通常簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。圖2為三節(jié)式螺管型差動(dòng)變壓器的示意圖。圖2三節(jié)式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式三．螺管型差動(dòng)變壓器的參數(shù)計(jì)算現(xiàn)以三節(jié)式螺管型差動(dòng)變壓器式傳感器為例來(lái)說(shuō)明參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,其結(jié)構(gòu)如圖3。由推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型可知：所推導(dǎo)處的各種公式是設(shè)計(jì)螺管型差動(dòng)變壓器式傳感器的主要依據(jù)。1.激磁繞組長(zhǎng)度的確定通常是在給定非線性誤差γ及最大動(dòng)態(tài)范圍ΔlMAX的條件下來(lái)確定值b,即聯(lián)立以上各式解得〔3-12.銜鐵的長(zhǎng)度的確定由結(jié)構(gòu)圖3的幾何尺寸關(guān)系可知,鐵芯的長(zhǎng)度為：式中、l1,l2--銜鐵在兩個(gè)副邊繞組m中的長(zhǎng)度；d--初次線圈間骨架厚度；b--原邊線圈的長(zhǎng)度；m--兩副邊繞組長(zhǎng)度。初始狀態(tài)時(shí)有l(wèi)1=l2=l0,則銜鐵的長(zhǎng)度由圖3的幾何尺寸有〔3-2設(shè)計(jì)時(shí),一般取l0=b,故有l(wèi)c=3b+2d,通常取d＜＜b,則lc=3b由式〔3-1求得為b=2.24cm,求得為lc=6.72cm。3.副邊線圈長(zhǎng)度的確定設(shè)：〔1銜鐵插入到兩個(gè)副邊繞組的長(zhǎng)度分別為l1、l2,且在初始狀態(tài)時(shí)：l1=l2=l0；〔2最大動(dòng)態(tài)范圍ΔlMAX為已知給定值。則應(yīng)該成立,才能保證銜鐵工作時(shí)不會(huì)超出線圈以外。一般取l0=b,則〔3-3式中,δ—保證在最大動(dòng)態(tài)范圍ΔlMAX時(shí)銜鐵仍不會(huì)超出線圈之外的保險(xiǎn)余量。一般取δ=2～10mm,在b值較小時(shí),δ值可取大一些。此處取為δ=10mm,求得m=5.85mm。4.經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般銜鐵長(zhǎng)度lc與銜鐵半徑rc之比可取為骨架外徑R與內(nèi)徑r之比可取為R/r=2～8在設(shè)計(jì)骨架內(nèi)徑r與銜鐵半徑rc應(yīng)盡量取得相近,即r=rc,這樣可簡(jiǎn)化計(jì)算工作量。由為lc=10.05,求得為rc=0.5cm,R為1cm〔取R/r=2。圖3、螺管差動(dòng)變壓器式結(jié)構(gòu)以及磁場(chǎng)分布圖5.激磁電壓頻率的選定電源電壓的頻率會(huì)影響到靈敏度鐵損和耦合電容以及線圈阻抗的損耗等。其結(jié)果都將影響輸出電壓的大小,所以對(duì)電源頻率的選擇也是一個(gè)非常重要的參數(shù),由于上述原因,電源頻率需要根據(jù)頻率特性來(lái)選取。在忽略傳感器的渦流損失,鐵損失和耦合電容等影響,其等效電路如圖4所示。圖4、差動(dòng)變壓器式傳感器等效電路設(shè)：1.Ep、I--初級(jí)線圈激磁電壓及電流；2.L1、Rp--初級(jí)線圈電感及電阻3.M1、M2--初級(jí)與次級(jí)線圈間互感4.Ls1、Ls2、Rs1、Rs2--次級(jí)線圈的電感與電阻值5.E0--兩個(gè)次級(jí)差動(dòng)電勢(shì)由等效電路有以下各式成立：聯(lián)立以上各式解得：〔3-4令,則上式變?yōu)橛纱耸健?-4可知1.,即ω增加,也增加2.當(dāng)時(shí),則,此時(shí)輸出與頻率無(wú)關(guān)3.當(dāng)ω超出某一值〔取決于銜鐵材料,則集膚效應(yīng)增加,使鐵損等增大,輸出減小而使靈敏度減小。4.靈敏度與間特性曲線如圖5所示,其靈敏度為圖5、激磁電壓頻率與靈敏度關(guān)系曲線由圖5知1電源頻率應(yīng)選在曲線中間平坦區(qū)域,保證頻率變化時(shí)電壓保持不變。2根據(jù)鐵芯使用的磁性材料來(lái)確定最高頻率,以保證靈敏度不會(huì)變,這樣既可以放寬對(duì)頻率穩(wěn)定性的要求,又可以在一定電壓下減小磁通或安匝數(shù)。從而減小傳感器的尺寸。6.靈敏度的確定靈敏度為〔3-57.原邊與副邊繞組匝數(shù)的確定由式<3-5>可知：當(dāng)安匝數(shù)IN1增加時(shí),可使靈敏度 SM增加,但I(xiàn)N1的增加將受到線圈導(dǎo)線允許電流密度、導(dǎo)線散熱面積以及磁飽和等因素的限制。下面利用這三個(gè)條件來(lái)確定N1和N2。1按允許的電流密度計(jì)算安匝數(shù)由電流密度的定義和窗口面積容納線圈的約束條件,有以下各式成立：聯(lián)立上述兩式解得故得〔3-6式中,jg--電流密度,取；q--導(dǎo)線截面積；Q--骨架窗口截面積；kc--填充系數(shù),；又Q=7.525cm2求得.由式〔3-6可見(jiàn),Q增大,IN數(shù)增加,但受幾何尺寸限制。2按線圈發(fā)熱計(jì)算IN值因?yàn)榫€圈有銅損耗電阻,所以要消耗一定的功率而轉(zhuǎn)換為熱量,為了保證線圈不被燒壞,必須滿足以下條件。設(shè)：為每瓦功率所需要的散熱面積,為線圈外表散熱面積,則應(yīng)滿足聯(lián)立上述各式,解得〔3-7式中--導(dǎo)線電阻率,取銅導(dǎo)線在室溫下的電阻率,為--每匝平均長(zhǎng)度,求得為4.7124cm取求得,代入求得IN≤356由式〔3-7可知：要使IN增加,則必使 Q和So增大,同時(shí)使減小,所以決定了傳感器為細(xì)長(zhǎng)形狀的結(jié)構(gòu)。3按磁飽和計(jì)算安匝數(shù)因?yàn)榇怕分杏杉ご烹娏鞔_定的磁通量為所以得〔3-8為使工作在磁化曲線的線性段,需要滿足一下條件：式中Bc-基本磁化曲線飽和點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；材料為坡莫合金,取;A--導(dǎo)磁體截面積；計(jì)算得10.05cm；RM--材料磁阻,計(jì)算為;求得IN為;。綜合三者,取最小值為IN=356A工程設(shè)計(jì)時(shí),常利用式〔3-6式〔3-7和式〔3-8三個(gè)公式,采用試探法來(lái)確定值,其步驟如下：1.先由式計(jì)算出一個(gè)IN值2.將計(jì)算出的IN值代入式〔3-7和式〔3-8中進(jìn)行驗(yàn)算,經(jīng)過(guò)反復(fù)修正后得到滿意的IN值。3.再由,算出N值,從而得到的I值〔。取;8.差動(dòng)變壓器變壓比的確定由式〔3-5得,〔3-9若使次級(jí)繞組增加,將會(huì)造成零漂移且電阻增加造成銅損增大,并易受到干擾。因此,一般設(shè)計(jì)時(shí),當(dāng)初級(jí)線圈的匝數(shù)為N1=500匝~1500匝時(shí),常取。要求；求得;取N1=8275;N2=16548四、測(cè)量電路的設(shè)計(jì)測(cè)量電路的功能是對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理,差動(dòng)變壓器型位移傳感器的測(cè)量通常采用AD698芯片進(jìn)行采集處理。AD698與LVDT配合,能夠高精確和高再現(xiàn)性地將LVDT的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698具有所有必不可少的電路功能,只要增加幾個(gè)外接元源元件來(lái)確定激磁頻率和增益,就能把LVDT的次級(jí)輸出信號(hào)按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。1.AD698的特點(diǎn)〔1AD698提供了用單片電路來(lái)調(diào)理LVDT信號(hào)的完整解決方案,它含有內(nèi)部晶振和參考電壓源,只需附加極少量的無(wú)源元件就可實(shí)現(xiàn)位置的機(jī)械變量到直流電壓的轉(zhuǎn)換,并且無(wú)需校準(zhǔn)。其單極性或雙極性直流電壓輸出正比于LVDT的位移變化?！?驅(qū)動(dòng)LVDT的激磁信號(hào)頻率為20Hz～20kHz,它取決取于AD698的一個(gè)外接電容器。AD698的輸出電壓有效值達(dá)24V,能夠直接驅(qū)動(dòng)LVDT的初級(jí)激磁線圈,LVDT的次級(jí)輸出電壓有效值可以低于100mV?！?振蕩器的幅值隨溫度變化不會(huì)影響電路的整體性能。AD698采用比率譯碼方案,即通過(guò)計(jì)算次級(jí)電壓與初級(jí)電壓的比率來(lái)確定LVDT的位置和方向,無(wú)需整定。2AD698的工作原理2.1AD698與LVDT的連接LVDT是一種機(jī)械-電子傳感器,其輸入是磁芯的機(jī)械移動(dòng),輸出是與磁芯位置成正比的交流電壓信號(hào)。LVDT由一個(gè)初級(jí)線圈和二個(gè)次級(jí)線圈組成,初級(jí)線圈由外部參考正弦波信號(hào)源激勵(lì),二個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)?；顒?dòng)磁芯的移動(dòng)可改變初級(jí)線圈之間的耦合磁通,從而產(chǎn)生二個(gè)幅值不同的交流電壓信號(hào)。串聯(lián)次級(jí)線圈的輸出電壓隨著磁芯移離中心位置升高,通過(guò)測(cè)量輸出電壓的相位可以判斷磁芯移動(dòng)的方向。AD698與LVDT連接的功能框圖如圖6所示。圖6、AD698和LVDT連接圖2.2AD698的工作原理AD698首先驅(qū)動(dòng)LVDT,然后讀出LVDT的輸出電壓并產(chǎn)生一個(gè)與磁芯位置成正比的直流電壓信號(hào)。AD698用一個(gè)正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)LVDT,并用二個(gè)同步解調(diào)級(jí)來(lái)對(duì)初級(jí)和次級(jí)電壓進(jìn)行解碼,解碼器決定了輸出電壓與輸入驅(qū)動(dòng)電壓的比率〔A/B。濾波級(jí)和放大器可按比較整輸出結(jié)果。振蕩器中包含一個(gè)多諧振蕩器,該多諧振蕩器產(chǎn)生一個(gè)三角波,并驅(qū)動(dòng)正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)低失真的正弦波,正弦波的頻率和幅值由一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器決定。輸出頻率在20Hz～20kHz可調(diào),輸出有效幅值在2V～24V可調(diào)。總諧波失真的典型值是50dB。AD698通過(guò)同步解調(diào)輸入幅值A(chǔ)〔次級(jí)線圈側(cè)和一個(gè)固定的參考輸入B〔初級(jí)線圈側(cè)或固定輸入。早期解決方案的共同問(wèn)題是驅(qū)動(dòng)振蕩器幅值的任何漂移都會(huì)直接導(dǎo)致輸出增益的錯(cuò)誤。AD698通過(guò)計(jì)算LVDT輸出與輸入激勵(lì)的比率消除了所有的偏移影響,從而避免了這些錯(cuò)誤。AD698不同于AD598型的LVDT信號(hào)調(diào)理器,因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了一個(gè)不同的電路傳遞函數(shù),并且不要求LVDT次級(jí)線圈〔A+B是一個(gè)隨行程長(zhǎng)度而定的常量。AD698的輸入包括二個(gè)獨(dú)立的同步解調(diào)通道A和B。B通道用來(lái)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)LVDT的激勵(lì)信號(hào),A通道的作用與之相同,但是它的比較器引腳是單獨(dú)引出來(lái)的。因?yàn)樵贚VDT處于零位的時(shí)候,A通道可能達(dá)到0V,所以A通道解調(diào)器通常由初級(jí)電壓〔B通道觸發(fā)。另外,可能還需要一個(gè)相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)給A通道增加一個(gè)相位超前或滯后量,比此來(lái)補(bǔ)償LVDT初級(jí)對(duì)次級(jí)的相位偏移。一旦二次通道信號(hào)被解調(diào)和濾波后,再通過(guò)一個(gè)除法電路來(lái)計(jì)算比率A/B,除法器的輸出是一個(gè)矩波信號(hào)。當(dāng)A/B等于1時(shí),矩形波的占空比為100%。輸出放大器測(cè)量500μA的參考電流并把它轉(zhuǎn)化成一個(gè)電壓值。當(dāng)IREF=500μA時(shí),其傳遞函數(shù)如下：VOUT=×A/B×R23AD698的參數(shù)計(jì)算AD698單電源供電時(shí)的外圍電路如圖7所示。圖7、AD698測(cè)量電路圖外部無(wú)源元件的參數(shù)設(shè)置包括激勵(lì)信號(hào)的頻率和有效幅值、AD698輸入信號(hào)的頻率和比例因子〔V/inch。下面就以最為常用的單電源供電方式為例,說(shuō)明元器件選擇及其參數(shù)設(shè)置的主要步驟。〔1選擇激勵(lì)信號(hào)頻率來(lái)決定C1C1=35μFHz/?！?依據(jù)激勵(lì)信號(hào)的電壓幅值來(lái)決定VR1通常根據(jù)下表確定VR1：VEXC≥24V10Ω≤R1≤100Ω12V≤VEXC≤24V0.1kΩ≤R1≤1kΩ5V≤VEXC≤12V1kΩ≤R1≤10kΩ0V≤VEXC≤5V10kΩ≤R1≤100kΩ〔3C2、C3和C4是根據(jù)AD698位移測(cè)量系統(tǒng)所要求帶寬fSUBSYSTEM的函數(shù)確定。原則上它們的電容值應(yīng)該相等,即：C2=C3=C4=FHz/fSUBSYSTEM。比如,系統(tǒng)要求帶寬為250Hz,則C2=C3=C4=FHz/250Hz=0.4。<4>VR2用來(lái)設(shè)定AD698的增益和滿量程時(shí)的輸出范圍計(jì)算VR2需要以下相關(guān)參數(shù)：a.LVDT的敏感度S：它的值可以在生產(chǎn)廠家目錄手冊(cè)中查到,單位是V/V/mile,其物理意義是每英寸的位移每伏特的輸入對(duì)應(yīng)的電壓輸出伏特。b.LVDT的磁芯從零位到滿量程的位移d。在S和d確定后,VR2的計(jì)算公式如下：R2=VOUT/〔S×d×500μA其中,VOUT是相對(duì)于參考信號(hào)〔引腳21的輸出?！?R3、R4可實(shí)現(xiàn)正、負(fù)輸出電壓補(bǔ)償調(diào)節(jié)。如果不需要補(bǔ)償調(diào)節(jié),R3、R4應(yīng)被開(kāi)路。其阻值可由下述公式推算得出：Vos=1.2V×R2×{[1/<R3+2kΩ>-1/<R4+2kΩ>]}其中Vos是正或負(fù)輸出電壓補(bǔ)償值。五、數(shù)據(jù)采集與處理分析1數(shù)據(jù)采集通過(guò)對(duì)差動(dòng)變壓器傳感器理論分析,得出位移量x與測(cè)量電路輸出電壓U近似成線性關(guān)系。于是采用MSP430F149低功耗型單片機(jī)進(jìn)行AD電壓采集,并把采集處理后的信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示,具體框圖如下：圖8、數(shù)據(jù)采集及處理框圖傳感器經(jīng)過(guò)測(cè)量電路得出的模擬信號(hào)接到單片機(jī),單片機(jī)經(jīng)過(guò)AD電壓采集處理,通過(guò)串口傳給計(jì)算機(jī),利用VB便也界面〔如圖9,人性化顯示數(shù)據(jù)結(jié)果。圖9、VB數(shù)據(jù)采集窗口通過(guò)上述方法采集的數(shù)據(jù)列表如下：正向采集位移〔mm5678910111213電壓〔v7.456.856.095.404.633.822.841.850.93位移〔mm141516171819202122電壓<v>0.06-0.85-1.85-2.74-3.78-4.53-6.40-7.23-7.45逆向采集位移〔mm222120191817161514電壓〔v-7.50-7.24-6.26-5.50-4.53-3.64-2.62-1.74-0.71位移〔mm1312111098765電壓<v>0.391.342.323.154.114.515.826.587.052.數(shù)據(jù)分析通過(guò)MATLAB對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理得出位移、電壓特性圖,如圖10所示。圖10、位移x〔mm、電壓U〔V特性圖由圖4,對(duì)于差動(dòng)變壓器,當(dāng)