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)容及要求：（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)提高測量精度 （4）測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(jìn)度安排：2014年11月10日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)

2、計(jì)。2014年12月6日2014年12月20日根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行調(diào)試，測試，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。18 / 18 目錄1摘要 12引言23.螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器23.1差動(dòng)變壓器式傳感器簡介23.2 工作原理34.差動(dòng)變壓器的測量電路及其仿真44.1差動(dòng)整流電路54.2相敏檢波電路：74.3零點(diǎn)殘余誤差補(bǔ)償95.差動(dòng)變壓器位移傳感器的改進(jìn)105.1差動(dòng)電壓接放大器電路及其仿真105.2整流信號(hào)接濾波電路116.使用器件清單127 總結(jié)13 1.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

3、感元件、檢測器、轉(zhuǎn)換器等。通常傳感器由敏感元件和轉(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(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。它也常用來檢測位移、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

4、為變氣隙厚度式、變氣隙面積式、變鐵芯導(dǎo)磁率式三種。電感傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(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(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，人們對生活的追求也在日新月異，在滿足人們需求的同時(shí)，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

5、可以讓人們方便地測出兩地位移，并通過檢測技術(shù)來精確信息。而差動(dòng)變壓器位移傳感器便能精確的測得位移。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(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。在非電量測量中， 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器， 它可以測量1100mm機(jī)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(diǎn) 3.2 工作原理 圖1中，Rp和Lp分別為初級(jí)線圈的損耗電阻和

6、自感，Rs1和Rs2為兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻，Ls1和Ls2表示兩個(gè)次級(jí)線圈的自感，M1和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，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。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(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MaMb，兩次級(jí)繞組的互感電勢Es1Es2，輸出電壓Es=Es1-Es20，即差動(dòng)變壓器有電壓輸出， 此電壓的大小與極

7、性反映被測體位移的大小使得差動(dòng)變壓器輸出不為0，并且輸出電壓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: 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 圖34.差動(dòng)變壓器的測量電路及其仿真 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

8、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，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： 圖5銜鐵向上運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換電路仿真波形如下: 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： 圖7銜鐵向下運(yùn)動(dòng)的

9、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)測量時(shí)，假定位移是正弦波，即z=Asinwt，則動(dòng)態(tài)測量時(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(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沿同一方向串聯(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)理后，其直流輸出電壓

10、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 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： 圖11銜鐵向上運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換電路 圖12銜鐵向上運(yùn)動(dòng)的仿真圖所以由以上仿真結(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，電壓的正負(fù)表明位移的方向，因此原來的V字型輸出的特性曲線變成

11、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： u u 2 1 t t 圖13相敏檢波前 圖14相敏檢波后 但是動(dòng)態(tài)測量信號(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)的主要過程是對調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無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。對于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對它們整流，

12、以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這就是說它不具有鑒別信號(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，對高次諧波有一定抑整理用。 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，即輸出信號(hào)隨相位差的余弦而變化。由于在輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻但有一定相位差

13、時(shí)，輸出信號(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量的變化。因此對零點(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)對稱性為保證線圈和磁路的對稱性

14、，首先，要求提高加工精度，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(diǎn)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(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 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)電壓接放大器電路仿真如圖所示

15、： 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19濾波電路圖 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： 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*3.14=64Hz故該濾波

16、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所示：元件序號(hào)元件型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注1電阻1K若干2電壓源10V,6V,15V,22V若干3示波器若干4二極管BYV27-50若干5電壓表DC 若干6電容1uf若干 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)的測試分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使我對傳感器知識(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，例如做仿真時(shí)輸出波形發(fā)生了失真，最后在同學(xué)的幫助下解決了，所以這次課設(shè)不僅讓我學(xué)到了許多知識(shí)，也讓我認(rèn)識(shí)到了