課程設(shè)計---差動變壓器位移傳感器

1、<p><b>　　摘要 </b></p><p>　　------差動變壓器位移傳感器的基本知識介紹</p><p>　　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。</p><p>　　通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。</p&g

2、t;<p>　　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(jìn)行放大等。</p><p>　　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、力、應(yīng)變、流量、比重等物理量

3、。</p><p>　　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、變鐵芯導(dǎo)磁率式三種。</p><p>　　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

4、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。</p><p>　　關(guān)鍵字：相敏檢波 轉(zhuǎn)換電路 差動變壓器</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　

5、螺線管式差動變壓器傳感器---------------------3</p><p>　　1）工作原理-------------------------------------------3</p><p>　　2)特性分析---------------------------------------------4</p><p>　　第二章 差動變壓器的測量電路-

6、--------------------- ---5</p><p>　　1）差動整流電路及其仿真--------------------------5</p><p>　　2）相敏檢波電路及其仿真--------------------------7</p><p>　　3）零點(diǎn)殘余誤差補(bǔ)償--------------------------- ----9<

7、/p><p>　　第三章 差動變壓器的改進(jìn)-------------------------------10</p><p>　　1)接放大器---------------------------------------------10</p><p>　　2)接低通濾波器---------------------------------------11</p&g

8、t;<p>　　第四章 設(shè)計總結(jié)------------------------------------- -----13</p><p>　　參考文獻(xiàn)------------------------------------- -----13</p><p>　　第一章 螺線管式差動變壓器傳感器</p><p>　　差動變壓器式傳感器簡介</p&

9、gt;<p>　　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(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)</p

10、><p><b>　　1. 工作原理</b></p><p>　　圖中，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。</p>

11、<p>　　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Ma≠M(fèi)b，兩次級繞組的互感電勢Es1≠Es2，輸出電壓Es=Es1-Es2≠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變壓器輸出不為0，并且輸出

12、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。</p><p>　　差動變壓器等效電路 差動變壓器的輸出特性曲線</p><p>　　第二章 差動變壓器的測量電路及其仿真</p><p>　　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

13、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(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能判別移動方向和消除零點(diǎn)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(yùn)動產(chǎn)生的有用信號通過。</p><p><b>　　1）差動整流電路</b></p><p

14、>　　根據(jù)半導(dǎo)體二級管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，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。</p><p><b>　　相敏檢波電路</b></p>

15、<p>　　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~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。</p><p>　　銜鐵向上運(yùn)動轉(zhuǎn)換電路及其仿真圖</p><p><b>　　零點(diǎn)殘余誤差補(bǔ)償</b>&l

16、t;/p><p>　　（1）零點(diǎn)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，如圖所示。</p><p>　?。?）消除零點(diǎn)殘余電壓方法：</p><p>　　從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性</p><p>　　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

17、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。</p><p><b>　　選用合適的測量線路</b></p><p>　　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(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時

18、的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。</p><p><b>　　采用補(bǔ)償線路</b></p><p>　　第三章差動變壓器位移傳感器的改進(jìn)</p><p>　　差動電壓接放大器電路及其仿真</p><p>　　2）整流信號接濾波電路</p><p>　　低通濾波器容許低頻信號通過，但減

19、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(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。</p><p>　　由RC低通濾波截至頻率f=1/2RC*3.14</p><p>　　可計算得截至頻率為1000/2*2.5*3.14=64Hz</p><p>　　故該濾波器可將高頻干擾信

20、號濾掉，而且不影響有用信號。</p><p><b>　　第四章 設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　在為期2周的課程設(shè)計中，我受益匪淺，收獲頗豐。</p><p>　　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

21、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(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。這些都培養(yǎng)了我獨(dú)立工作、動腦思考、動手操作、認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不茍的好習(xí)慣，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。在設(shè)計過程中，我遇到了不少困難，但通過請教老師同學(xué)、仔細(xì)分析理解，都逐一得到了解決。我發(fā)

22、現(xiàn)只有細(xì)心、耐心、恒心才能將事情做好，設(shè)計方案中一個小小的數(shù)字錯誤，簡單的一個器件的選擇錯誤，都有可能對設(shè)計方案造成巨大的影響。我還意識到我的實驗?zāi)芰τ兴蛔?，在理論上也有很多的缺陷。所以，在以后的學(xué)習(xí)生活中，我需要更努力地學(xué)習(xí)理論知識，同時注重理論和實踐的結(jié)合。</p><p>　　最后，衷心感謝學(xué)院給我們提供這次寶貴的機(jī)會，感謝各位老師在課程設(shè)計過程中的耐心指導(dǎo)，使我們提升了專業(yè)技能，為以后的工作做準(zhǔn)備，使我

23、們能夠更好地為社會服務(wù)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　張玉龍等 傳感器電路設(shè)計手冊 中國計量出版社 1989年</p><p>　　李科杰等 新編傳感器技術(shù)手冊 國防工業(yè)出版社 2002年</p><p>　　吳桂秀 傳感器應(yīng)用制作入門 浙江科學(xué)技術(shù)出版社 2004年</p&