差动变压器位移传感器

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容及要求：（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1〜100mm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，Rp和Lp分别为初级线圈的损耗电阻和自感，Rsl和Rs2为 两个次级线圈的电阻，Lsl和Ls2表示两个次级线圈的自感，Ml和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 Ma^Mb，两次级绕组的互感电势Esl^Es2，输出电压Es=Esl-Es2^0, 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1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图32基本特性分析(1)输出特性初级线圏的复数电流值为:将电流心写成复指数形式’则输出电压为:爲=-js©X-Mjip = - 丿飒陆―“2)町讨论：(1) 磁芯处于中间平衡位置时，互感眩二軀 汕 则氏二0 ；(2) 磁芯上升时，叫=M+AM,屿=M-AM,则7?尸十 j coLp十(述尸)(3)磁芯下降时，叫二M—皿, 则Es —E $ = — 2&/XME4.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，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：D33OFD8g Vpk 'lO:Hz: g ::BYVZ7-5OBYV27-5OLIZ :::: DC WMf.H¥V27-5iJ>•…BW27-&&15：Vp1<：10 Hz-- BW27-5& G2 -dl-：1uFT •仿真波形如下:图 5 衔铁向上运动的转换电路II豆r^n十 -XSC1迴世b tt^d I IO mV/fcivV比刨 JiO V/tiv Y Z昭 Io-i±i：a&vFExt. Trigger日寸冋 tL^U I SO ms/&iv m i^W Io. 2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：图7 衔铁向下运动的转换电路波形如下：口 X图 8 衔铁向下运动的仿真图p^k4.2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 D1~D4 沿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：-7.20 J!VH ：：：1C>. h/i nr£i丁-5-0XffCl- ■图 9 衔铁向下运动的转换电路i 曲 ~i 口 a 比例 150 V/Div ■.jI~rtnm] 卜|•.例 120 m=/Divz IrtiBilB反向傑存图 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：图 11 衔铁向上运动的转换电路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：图 14 相敏检波后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 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=l,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少，即输出信号随相位差少的余弦 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：① 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② 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: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路仿真如图所示：EQJ_日寸wr□ HOOO s □・□□□5T1 土土Ti-TlExt, Trigger<-■ifiia A 3i^Z5 mV 3-. ZZ3 mV 0.000 Viaia B □ .aao v 0.000 v 0.000 v日寸旧1轴tt15d [|z.O ms^tilv« 2 苗 fo~I W/T 力口药 I 0$d I 5 IufnH BtL15d | 丄口 Wiv * Z 餐 [O-AC | 口 ] 口占FJ；d I卄 I诂汩 土 i i ： i、、卜祁 i电平 —制 锲型 正狂」申注|曰动』r^~~迪逅At：L15U | 丄口 V/Div vteBE 叵—4三| 口 ] 口匸图 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 19 滤波电路图图 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：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*3.14=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 所示：元件序号元件型号主要参数数量备注1电阻1K若干2电压源10V,6V,15V,22V若干3示波器若干4二极管BYV27-50若干5电压表DC若干6电容1uf若干表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，例如做仿真 时输出波形发生了失真，最后在同学的帮助下解决了，所以这次课设 不仅让我学到了许多知识，也让我认识到了友谊的珍贵我也发现只 有细心、耐心、恒心才能将事情做好，设计方案中一个小小的数字错 误，简单的一个器件的选择错误，都有可能对设计方案造成巨大的影 响我还意识到我的实验能力有所不足，在理论上也有很多的缺陷 所以，在以后的学习生活中，我需要更努力地学习理论知识，同时注 重理论和实践的结合最后，衷心感谢学院给我们提供这次宝贵的机会，感谢各位老师 在课程设计过程中的耐心指导，使我们提升了专业技能，为以后的工 作做准备，使我们能够更好地为社会服务。