差动变压器位移传感器

1、课程设计任务书分院(系)机械工程专业机械设计制造及其自动学生姓名陈雪松学号201207024134设计题目差动变压器位移传感器内谷及要求：(1)利用差动变压器设计位移传感器(2)利用给定的数据设计电路图，并解释清楚原理(3)根据设计的电路进行改进提高测量精度(4)测位移的传感器用差动变压器要求在课程设计报告中给出：1)简述元器件装置的结构和电路原理图。2)调试过程，说明发现的向题及处理过程。3)系统调试并写出测试结果。4)总结结论。进度安排：2014年11月10日一2012年12月5日根据设计要求和内容查阅参考文献或资料，提出设计方案，进行原理设计。2014年12月6日一2014年12月20日

2、根据设计方案，进行调试，测试，撰写课程设计报告。目录1. 摘要22. 引言43. 螺线管式差动变压器传感器43.1 差动变压器式传感器简介43.2 工作原理44. 差动变压器的测量电路及其仿真64.1 差动整流电路74.2 相敏检波电路：94.3 零点残余误差补偿135. 差动变压器位移传感器的改进145.1 差动电压接放大器电路及其仿真145.2 整流信号接滤波电路156. 使用器件清单177. 总结171.摘要差动变压器位移传感器的基本知识介绍传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。通常传感器由敏

3、感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。由于传感器的输出信号一般都很薄弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大等。电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的自感或互感变化的机电转换装置。它也常用来检测位移、振动、力、应变、流量、比重等物理量。电感式传感器的种类很多。根据传感器转换原理不同，可分为自感式、互感式、涡流式、压磁式和感应同步器等。根据结构形式不同，可分为气隙式和螺管式两种。根据改变的参数不同，又可分为变气隙厚度式、变气隙面积式、变铁芯导磁率

4、式三种。电感传感器具有以下优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好；性能稳定，重复性好；输出阻抗小，输出功率大；抗干扰能力强，适合在恶劣环境中工作。电感传感器的缺点是：频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量；存在交流零位信号；要求附加电源的频率和幅值的稳定度高；其灵敏度、线性度和测量范围相互制约，测量范围越大，灵敏度越低。关键字：相敏检波转换电路差动变压器2 引言随着社会科技进步，人们生活水平不断提高，人们对生活的追求也在日新月异，在满足人们需求的同时，对距离的测量也在提升，为了节省人力资源，传感器是最佳选择，它可以让人们方便地测出两地位移，并通过检测技术来精确

5、信息。而差动变压器位移传感器便能精确的测得位移。3 .螺线管式差动变压器传感器3.1 差动变压器式传感器简介把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，下图为差动变压器的结构示意图。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点3.2 工作原理图1中，R琲口Lp分别为初级线圈的损耗电阻和自感，Rs1和Rs妫两个次级线圈的电阻，Ls1和Ls2表示两

6、个次级线圈的自感，M洋口M2为初级线圈与两个次级线圈的互感系数，Ep为加在初级线圈上的激励电压，Es1和Es2为两次级线圈上产生的感应电动势，Es为Es1和Es2形成的差动输出电压。根据变压器的工作原理，当在初级线圈上加上适当频率的激励电压时，在两个次级线圈上就会产生感应电动势。若变压器的结构完全对称，当铁心处于初始平衡位置时，差动变压器输出为0.当铁心偏离平衡位置时，两个次级线圈的互感系数发生极性相反的变化，互感M#Mb,两次级绕组的互感电势Es1正s2,输出电压Es=Es1-Es"Q即差动变压器有电压输出，此电压的大小与极性反映被测体位移的大小使得差动变压器输出不为0,并且输出电

7、压Es随着铁心偏离中心位置将逐渐加大。差动变压器输出电压与铁心位移成正比，即可根据电压大小可判断位移大小。输出特性曲线如图2所示：凡L图1差动变压器等效电路图2差动变压器的输出特性曲线2 .基本特性分析(1)输出特性初级线圈的复数电流值为:RP + j&Lp输出电压：左$ =% =皿生-Af2与 dt dt将电流/写成复指数形式工ip= d则学=7叫好7" = - jsip at则输出电压为:=-心(必-/)乙=讨论:-/矶河1-河2)取RP + j a)Lp(1)磁芯处于中间平衡位置时,互感此二帅M则艮二0；(2)磁芯上升时，用二MAM7的=M-AM,则Es=2(dME/R

8、p(a)Lp)2(3)磁芯下降时，=M-AM,=M+AM,贴|E$_2皿监尸/?尸2+(3L产厂4 .差动变压器的测量电路及其仿真差动变压器输出的是交流电压，若要用交流模拟或者数字电压表测量，只能反映铁芯位移的大小，不能反映移动的方向。另外其测量值必定含有零点残余电压。为了达到能判别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际应用中，常采用的测量电路主要有差动整流电路和相敏检波电路。一般经过相敏检波和差动整流输出地信号，还需经过低通滤波电路，把调制时引入的高频信号滤掉，只让铁芯运动产生的有用信号通过。4.1 差动整流电路根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性

9、，在f点为“+”，e点为，则电流路径是fgdche。反之,如f点为，e点为“+”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。差分整流电路如图4所示：图4差分整流电路衔铁向上运动转换电路及仿真图如图5和图6所示:仿真波形如下:图5衔铁向上运动的转换电路r 11|日寸同.计日情醇 A|仁匕族|fQm匕匕由I |为 ¥用蛇mIQ.2¥口施旧OH二内| | IO mV/DIv v f他洱（早在Cxt. Tfiqomt图6衔铁向上运动的仿真图衔铁向下运动的转换电路及仿真波形如图 7和图8所示:

10、图7衔铁向下运动的转换电路波形如下:图8衔铁向下运动的仿真图4.2 相敏检波电路:在动态测量时，假定位移是正弦波，即z=Asinwt,则动态测量时，衔铁在零位以上移动和零位以下移动时，二次绕组输出电压的相位发生180度的变化，因此判别相位的变化就可以判别位移的极性。相敏检波电路正是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小又反映位移极性的测量信号。相敏检波器的电路原理如图所示。它由四个特性相同的二极管D1D4&同一方向串联成一个桥式电路，各桥臂上通过附加电阻将电桥预调平衡。比较电压Ek与差动变压器输出电压具有相同的频率。经过相敏检波电路调

11、理后，其直流输出电压信号的极性反映铁芯位移的方向。衔铁向下运动的转换电路及仿真波形如图9和图10所示：图9衔铁向下运动的转换电路语汨浦洞M片比例|5C7g比例IWQniVQv|痴口上P-R4向坤比例回图11衔铁向上运动的转换电路图10衔铁向下运动的仿真图衔铁向上运动的转换电路及仿真波形如图11和图12所示:所以由以上仿真结果可得：当衔铁在零点以下移动时，不论载波是正半周还是负半周，在负载电阻上得到的电压始终是负电压；当衔铁在零点以上移动时，不论载波是正半周还是负半周，负载电阻上得到的电压始终是正电压。所以差分变压器经相敏检波后，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电

12、压的正负表明位移的方向，因此原来的V字型输出的特性曲线变成了过零点的一条直线，相敏检波前后的输出特性曲线如图13和图14所示：但是动态测量信号经相敏检波后，输出波形中仍含有高频分量，因而必须通过低通滤波器滤除高频分量取出被测信号，这样乡民检波和低通滤波器电路互相配合，才能取出被测信号，即起了相敏解调的作用。相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具传感器课程设计有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调

13、制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n,即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。如果输入信号us为与参考信号uc（或Uc）同频信号，但有一定相位差，这时输出电压uo=Usm/2cos炉，即输出信号随相位差步的余弦而变化。由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输

14、出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。4.3 零点残余误差补偿图15输出特性曲线(1)零点残余电压，又称为零位电压。差动式变压器传感器的衔铁处于中间平衡位置时输出的微小电压，如图15所示。同时零点电压的存在使得传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制了分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。因此对零点残余电压认真分析找出减小的方法是很重要的。(2)消除零点残余电压方法：从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要

15、求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。选用合适的测量线路采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2,从而消除了零点残余电压。采用补偿线路如图16所示:图16电位器调零点残余电压补偿电路5 .差动变压器位移传感器的改进5.1 差动电压接放大器电路及其仿真电路及仿真如图17和18所示:图17差动电压接放大器电

16、路仿真如图所示:图18差动电压接放大器的仿真图由原理图和仿真图可以看出，输入信号经差分放大器之后波形幅度变大。5.2 整流信号接滤波电路低通滤波器容许低频信号通过，但减弱或减小频率高于截止频率的信号的通过。RC滤波器具有电路简单、抗干扰性能强，有较强的低频性能，电阻、电容元件标准、易于选择的特点。因此，在测试系统中，选用一阶RC低通滤波器。滤波电路图和仿真图如图19和图20所示:图20滤波电路图的仿真图将整流信号接滤波器后的电路图如图 21所示：g -小M" sn图21整流信号接滤波器后的电路图由RC低通滤波截至频率f=1/2RC*3.14可计算得截至频率为1000/2*2.5*3.

17、14=64Hz故该滤波器可将高频干扰信号滤掉，而且不影响有用信号6 .使用器件清单:如表1所下:元件序号元件型号主要参数数量备注1电阻1K2电压源10V,6V,15V,22V3示波器4二极管BYV27-505电压表DC6电容1uf表1器件清单7总结：这次传感器课程设计我的题目是“差动变压器位移传感器”，从理论设计方案及论证到传感器结构设计、理论分析、参数计算，测量电路设计、分析、参数计算，再到传感器的静态、动态性能实验的测试分析、实验设计，使我对传感器知识有了更深一层的理解和掌握，尤其是带有相敏检波电路的差动式传感器，对其中差动电桥、运算放大器、相敏检波器、低通滤波器的结构原理及参数选择有了更进一步的了解。锻炼并提升了我的实际操作能力，使我所学的理论知识有了实用的价值，得以与实践操作充分结合。但同时这次课设也遇到了平时理论课遇不到的问题，