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)容及要求：（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。通常傳感器由敏感元件

3、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、

4、變鐵芯導(dǎo)磁率式三種。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

5、 移，并通過檢測技術(shù)來精確信息。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1 100mm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，Rp和Lp分別為初級線圈的損耗電阻和自感，Rs1和Rs2為兩個次級線圈

6、的電阻，Ls1和Ls2表示兩個次級線圈的自感，M1和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護Mb,兩次級繞組的互感電勢 Es1Es2，輸出電壓Es二Es1-Es步0 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

7、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差動變壓器等效電路圖2差動變壓器的輸出特性曲線2.基本待性分析(1)輸出特性初級線圏的復(fù)數(shù)電流值為:EpIP Rp + jcoLp 輸出電壓耳=爲(wèi)-Es2 = M將電流厶寫成復(fù)指數(shù)形式:dt 亠 dtV=I ejG>t則二一冋則輸岀電壓為:瓦=-丿力(M -A/j )，p =-j(d Mx - mJ 宜p討論:RP + jcoLp(1)芯處于中間平衡位置時，互感M二址=M-貝!|ES=O :(2)磁芯上升時，叫=M+AM,也

8、=M-AM 則=2cdME pI(3)磁芯下降時，叫=M-AM, 叫=M+AM,則=-p/ Jr尸亠p F4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

9、的輸出瞬時電壓極性，在f點為“ + ”，e點為“-”，貝S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:圖5銜鐵向上運動的轉(zhuǎn)換電路仿真波形如下：嚴圖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: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

10、,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沿同一方向串聯(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)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：22nsR21lkIkO

11、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:圖11銜鐵向上運動的轉(zhuǎn)換電路圖12銜鐵向上運動的仿真圖所以由以上仿真結(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，

12、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)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

13、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二Usm/2cosg，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(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

14、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)

15、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:*WClc電位器調(diào)零點殘余電壓補償電路 圖165.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

16、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、電容元件標準、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19濾波電路圖圖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：D2BYV27-5CBYV2F-50RYV27-Moi也站丄器2r&07R2 MkD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*3.14=

17、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所示:元件序號元件型號主要參數(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BY V27-50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， 例如做仿真 時輸出