差動變壓器式位移傳感器

課程設計說明書傳感器課程設計Course-DesignofSensor——差動變壓器式位移傳感器學院名稱：機械工程學院專業(yè)班級：學生姓名：學號：指導教師姓名：指導教師職稱：教授2023年01月目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章緒論11.1概述11.2設計任務1第二章方案論證及選擇32.1方案論證32.2原理簡述4第三章差動變壓器53.1傳感器結構53.2工作原理5第四章單元電路的分析64.1差動放大電路64.2移相電路94.3相敏檢波電路104.4低通濾波電路11第五章電路測試及波形145.1各電路波形145.2位移測量數(shù)據(jù)擬合17第六章心得體會18第七章參考文獻19第八章參考文獻19第一章緒論1.1概述當今時代是信息時代，在工業(yè)和科技領域信息主要是通過測量獲得，在現(xiàn)代生產(chǎn)中，物質(zhì)和能量在信息流指揮和控制下運動。測控技術正成為現(xiàn)代生產(chǎn)生活中乃至高科技領域中一項必不可少的根底技術。測控系統(tǒng)主要是傳感器，測量放大電路和執(zhí)行機構三個局部組成，而在測控系統(tǒng)中測量變換電路是最靈活的局部。它的選取往往改變了整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。所以，學習并領悟測控技術就顯得十分重要了，《測試技術》是我們測控技術與儀器專業(yè)的一門專業(yè)技能課，能夠運用根本測控電路知識解決日常生活中的方方面面問題也應該是本專業(yè)學生的根本素質(zhì)，也鑒于這些要求，做一些測控方面的課程設計就會讓我們加深對傳感器技術的理解和運用，也正是因為對一些實際問題的研究，才能使我們成為真正意義上的測控技術性人才，下面就以本次才課程設計題目——差動變壓器式位移傳感器——做比擬詳細的分析。1.2設計任務設計要求：掌握差動變壓器式位移傳感器的結構，工作原理。分析各局部電路的作用及工作原理，特別是相敏檢波電路的作用，觀察分析各局部的波形，給出測試結果。第二章方案論證及選擇2.1方案論證差動傳感器輸出的是0~40mvVp-p的正弦信號,第一是比擬微弱的，第二不能用直流表測量，因為這樣不能反響位移的正負。因此必須對這些信號進行放大處理后才能送入后續(xù)電路，至于是什么樣的處理電路，就必須考慮對位移方向的鑒別問題了，可以選擇相敏檢波電路，也就因此排除了對象為不敏感的包絡檢波電路，實現(xiàn)了相敏檢波電路后按設計任務的要求必須化成直流信號，可以還必須對解調(diào)信號進行直流放大和低通濾波，只有這樣才能得到調(diào)制信號的變化情況，這樣也就可以接數(shù)顯局部進行顯示了。我們必須明白對傳感器激磁電壓的選擇是有要求的，首先它的頻率必須夠高一般選擇3KHz~10MHz，其次它的電壓要到達相應的幅值，交流一般在20V以上〔因為設計要求的是正弦鼓勵信號〕而相敏檢波電路的參考信號一般要將高頻的信號處理為方波信號，這樣可以更穩(wěn)定，利于提高檢波的精度；但假設采用相加式的相敏檢波電路就可以直接利用鼓勵信號作為檢波的參考信號而且幅值也到達要求，這樣就可以省略方波段的電路，利于生產(chǎn)效益的提高。2.2原理簡述由RC振蕩器提供激磁電壓及通過移相器后給相敏檢波電路的參考電壓信號，傳感器工作后輸出0-40mVp-p的微弱正弦信號?？紤]到抑制共模信號，因此用差動放大電路進行放大，再將放大后的調(diào)幅信號用相加式相敏檢波電路進行解調(diào)以實現(xiàn)對相位的鑒別以判別位移的方向，最后用低通濾波器實現(xiàn)對解調(diào)的直流信號的放大及濾除高頻信號，輸出接顯示器。用示波器接輸入輸出端以觀察信號波形。〔其中Wd,Wa為電橋所構成的零點剩余電壓補償電路，實際實驗時已將其忽略。另外，根據(jù)實驗電路產(chǎn)生直流信號影響有用直流信號，可考慮在相敏檢波電路與低通濾波器之間連接一個適當電容，以濾去干擾直流信號〕。第三章差動變壓器3.1傳感器結構3.2工作原理差動變壓器主要是由一個線框和一個鐵芯組成,在線框上繞有一組初級線圈作為輸入線圈(或稱一次線圈),在同一線框上另繞兩組次級線圈作為輸出線圈(或稱二次線圈),并在線框中央圓柱孔中放入鐵芯,當初級線圈加以適當頻率的電壓鼓勵時,根據(jù)變壓器作用原理,在兩個次級線圈中就會產(chǎn)生感應電勢,當鐵芯向右或向左移動時,在兩個次級線圈內(nèi)所感應的電勢一個增加一個減少。如果輸出接成反向串聯(lián)，那么傳感器的輸出電壓u等于兩個次級線圈的電勢差，因為兩個次級線圈做得一樣，因此，當鐵芯在中央位置時，傳感器的電壓u為0，當鐵芯移動時，傳感器的輸出電壓u就隨鐵芯位移x成線性的增加。如果以適當?shù)姆椒y量u，就可以得到與x成比例的線性讀數(shù)。這就是差動變壓器式傳感器的工作原理。第四章單元電路的分析4.1差動放大電路差動放大器是一種零點漂移十分微小的直流放大器，它常作為直流放大器的前置級，用以放大微小的直流信號或緩慢變化的交流信號。上圖是一種差動放大器電路，R1=R2=R3=R4=51K，R5=6.6K，R6=2K，R1=510K,R2=10K，通頻帶0~10kHz，增益1~100倍，可接成同相，反相，差動結構。如果輸入信號接在7,8兩點，這是放大器處于雙端輸入的差動狀態(tài)。如果輸入接在8與地之間，而7接地，這是差動放大器處于單端輸入的反相狀態(tài)。把輸入信號接在7與地之間，而8接地，差動放大器處于單端輸入的同相狀態(tài)。差動放大器實現(xiàn)的功能是將信號放大。其需要的主要芯片是1AC156MOP07CPOP07的功能介紹：OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓〔對于OP07A最大為25μV〕，所以OP07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低〔OP07A為±2nA〕和開環(huán)增益高〔對于OP07A為300V/mV〕的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。OP07的開環(huán)增益比通用型運算放大器112dB〔typ〕高，但GB積與轉換速率卻比通用型小，全功率〔fullpower〕響應頻率并不高。其特點是：超低偏移：150μV最大；低輸入偏置電流：1.8nA；低失調(diào)電壓漂移：0.5μV/℃；超穩(wěn)定時間：2μV/month最大；高電源電壓范圍：±3V至±22VOP07的外型圖片如圖4所示：圖4圖4為1AC156MOP07CP1VOS2-IN3+IN4V-5NC6OUT7V+8VCS圖5其管腳圖及內(nèi)部結構如圖5、圖6所示。圖6是1AC156M0P07CPOP07CP運算放大器的電氣特性型名輸入失調(diào)電壓Type〔max〕偏移電壓/(Uv/oC)type〔max〕輸入偏置電流/nAType〔max〕轉換速率/(V/us)ryp開環(huán)增益/dBtypOP07CP60(150)0.7〔2.5〕2.0〔12〕0.61124.2移相電路移相器一種用以調(diào)節(jié)交流電壓相位的裝置。移相器一般是多相的，其結構如下圖。它和一臺被旋轉的繞線式三相異步電動機相似。通常定子繞組作為原繞組，轉子繞組為副繞組。在移相器的轉子轉軸上裝有一套蝸輪蝸桿。轉動蝸輪蝸桿，能使移相器的轉子相對于定子在一定范圍內(nèi)轉動。當定子上的原繞組接三相交流電源后，氣隙里產(chǎn)生的旋轉磁場將在原、副繞組中分別感應出電動勢E1和E2。其大小與各繞組的有效匝數(shù)成正比，而相位決定于原、副繞組軸線之間的相對位置。例如原、副繞組軸線在空間位置上彼此相差α電角度,忽略它們的漏阻抗電壓降，可以得到原、副邊電壓的關系為U1≈-E1式中nsr是原、副邊繞組的變比。改變轉子的位置,可以改變副邊電壓相對于原邊電壓的相位，但輸出電壓的大小不變。4.3相敏檢波電路相敏檢波器使檢波電路具有判別信號相位和選頻的能力。上圖所示為由施密特開關電路及運放組成的相敏檢波電路的原理。圖中Ui入信號端，8交流參考電壓輸入端，Uo信號輸出端，5直流參考電壓輸入端。當5,8端輸入控制電壓信號時，通過差動電壓的作用使VD和J處于開或關的狀態(tài)，從而把Ui端輸入的正弦信號轉換成全波整流信號。放大器及VD組成整流電路，將輸入的正弦波轉換成方波，使相敏檢波器中的電子開關能正常工作。當信號輸入接相敏檢波器輸入端Ui，直流穩(wěn)壓電源接相敏檢波器5端，改變5端參考電壓的極性，當參考電壓為正時，輸入與輸出同相，當參考電壓為負的時，輸入與輸出反相。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，包絡檢波電路本身不具有區(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，以恢復調(diào)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∮，即輸出信號隨相位差∮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，輸出信號的大小與相位差有確定的函數(shù)關系，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。4.4低通濾波電路從0到轉折頻率f之間稱為通頻帶幅頻特性平直。低通濾波器可以使信號中低于頻率f的成分幾乎不受衰減的通過，而高于頻率f的成分受到極大的衰減。如圖2.11所示，R2，R3，W1，W2，C1，C2，C3組成的慮波器。在低頻段，由于C1，C2的容抗非常大，輸入信號經(jīng)過R2，R3，W1直接傳到放大器，電壓傳輸系數(shù)同樣約等于1；在高頻段，由于C1，C2容抗非常大小，輸入信號經(jīng)過C1，C2傳到放大器，電壓傳輸系數(shù)同樣約等于1；只有當信號頻率f等于它的特征頻率時，阻抗非常大，電壓傳輸系數(shù)約等于0。R1,R5組成的比例放大器，通帶電壓增益A0等于比例放大器的電壓增益AVF，即A0=AVF=1+R5/R1=2。R6，C4組成RC濾波器，其傳遞函數(shù)為H(w)=1/(1+j2πfτ)，式中f=1/2πR6C4為轉折頻率，在f<1/2πR6C4時，信號不衰減通過。稱為一階低通濾波器。顧名思義，所謂濾波器就是能夠過濾波動信號的器具，在電子線路中，濾波器的作用是從具有各種不同頻率成分的信號中，取出具有特定頻率成分的信號。濾波器一詞的英文是“filter〞。理想低通濾波器器能夠讓零頻〔即直流〕到截止頻率fc之間的所有信號毫無損失的通過，而高于截止頻率fc的所有信號毫無遺留的喪失殆盡，低通濾波器簡稱LPF。在本實驗裝置中，為了過濾掉高次波的影響，采用低通濾波器進行濾波。應用到的運算放大器是HA177411A1。HA17741運算放大器實際上就是uA741，國產(chǎn)型號是F007，相近的簡化就是LM324。1，調(diào)零2，1，調(diào)零2，-IN3,+IN4,U-5,調(diào)零6,OUT7,U+8,NC如圖8示，即為HA17741管腳圖；它的主要指標為：輸入失調(diào)電壓10mV，開環(huán)輸入電阻1M歐，開環(huán)增益88~100db，單位增益帶寬1Mhz，輸出開環(huán)阻抗60歐，輸出電壓轉換速度0.5V/us。圖9如圖9示，是HA17741內(nèi)部電路圖。第五章電路測試及波形5.1各電路波形一、輸入正弦信號不經(jīng)電路得到的輸出波形：二、經(jīng)過差動放大電路的波形：三、經(jīng)過移相電路的波形：四、經(jīng)過相敏檢波電路的波形：五、經(jīng)過低通濾波電路的波形：鐵芯在中央位置位移向上位移向下5.2位移測量數(shù)據(jù)擬合測量位移從-6mm到6mm，經(jīng)Matlab軟件擬合如上圖所示。第六章心得體會經(jīng)過近十天的奮斗，傳感器課程設計終于完成，雖然跟自己開始的想法差了不少，總體上還過得去，這個過程中解接觸了一些書本上所接觸不到的東西，開闊了我們的視野，同時大大增強了我們的動手能力以及實踐能力。通過對印刷電路板電路的拷貝，我深深體會到了理論與實際的差異。雖然電路原理相同，大體電路組成差異不大，但實際電路更趨復雜，設計更嚴謹。我們課程設計開始時不知道該如何著手，看著密密麻麻的印刷電路板原件發(fā)愣，在鮑老師的耐心引導下，我們一步一個腳印，漸漸的找到了自己的位置，我們分工，分批合作，拆舊的實驗儀，畫電路，檢查修改，結合實際電路原理圖擬合，查數(shù)據(jù)，記錄，然后連線分別記錄波形，最后分析討論，得出結論。開始時進展較為緩慢，隨著我們設計思路的逐步明確，設計進行的非常順利。通過此次課程設計，我深化了對傳感器這門學科的認識，書本上我接觸了各種各樣的電路，如移相電路，相敏電路，差動電路，振蕩電路等，都只停留在原理以及作用之上，知其然而不知其所以然。通過對各局部電路的模擬與仿真，結合示波器的觀察，加深了對它們的認識，從根本上