課程設計---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)律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置。在有些學科領域，傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉換器等。</p><p>　　通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。</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被測量的部分；轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉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，因此需要有信號調理與轉換電路對其進行放大等。</p><p>　　電感式傳感器是利用電磁感應原理，將被測非電量的變化轉換成線圈的自感或互感變化的機電轉換裝置。它也常用來檢測位移、振動、力、應變、流量、比重等物理量

3、。</p><p>　　電感式傳感器的種類很多。根據傳感器轉換原理不同，可分為自感式、互感式、渦流式、壓磁式和感應同步器等。根據結構形式不同，可分為氣隙式和螺管式兩種。根據改變的參數不同，又可分為變氣隙厚度式、變氣隙面積式、變鐵芯導磁率式三種。</p><p>　　電感傳感器具有以下優(yōu)點：結構簡單，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，重復性好；輸出阻抗小，輸

4、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>　　關鍵字：相敏檢波 轉換電路 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）零點殘余誤差補償--------------------------- ----9<

7、/p><p>　　第三章 差動變壓器的改進-------------------------------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 設計總結------------------------------------- -----13</p><p>　　參考文獻------------------------------------- -----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。 差動變壓器結構形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等，下圖為差動變壓器的結構示意圖。在非電量測量中， 應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、 結構簡單、性能可靠等優(yōu)點</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，Ep為加在初級線圈上的激勵電壓，Es1和Es2為兩次級線圈上產生的感應電動勢，Es為Es1和Es2形成的差動輸出電壓。</p>

11、<p>　　根據變壓器的工作原理，當在初級線圈上加上適當頻率的激勵電壓時，在兩個次級線圈上就會產生感應電動勢。若變壓器的結構完全對稱，當鐵心處于初始平衡位置時，差動變壓器輸出為0.當鐵心偏離平衡位置時，兩個次級線圈的互感系數發(fā)生極性相反的變化，互感Ma≠Mb，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。一般經過相敏檢波和差動整流輸出地信號，還需經過低通濾波電路，把調制時引入的高頻信號濾掉，只讓鐵芯運動產生的有用信號通過。</p><p><b>　　1）差動整流電路</b></p><p

14、>　　根據半導體二級管單向導通原理進行解調的。如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，在f點為“＋”，e點為“–”，則電流路徑是fgdche。反之，如f點為“–”，e點為“＋”，則電流路徑是ehdcgf?？梢姡瑹o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調平衡。比較電壓Ek與差動變壓器輸出電壓具有相同的頻率。經過相敏檢波電路調理后，其直流輸出電壓信號的極性反映鐵芯位移的方向。</p><p>　　銜鐵向上運動轉換電路及其仿真圖</p><p><b>　　零點殘余誤差補償</b>&l

16、t;/p><p>　　（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，如圖所示。</p><p>　?。?）消除零點殘余電壓方法：</p><p>　　從設計和工藝上保證結構對稱性</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 節(jié)結構。其次，應選高

17、磁導率、低矯頑力、低剩磁感應的導磁材料。并應經過熱處理，消除殘余應力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產生的因素可知，磁路工作點應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，從而消除了零點殘余電壓。</p><p><b>　　采用補償線路</b></p><p>　　第三章差動變壓器位移傳感器的改進</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，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。</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 設計總結</b></p><p>　　在為期2周的課程設計中，我受益匪淺，收獲頗豐。</p><p>　　這次傳感器課程設計我的題目是“差動變壓器位移傳感器”，從理論設計方案及論證到傳感器結構設計、理論分析、參數計算，測量電路設計、分析、參數計算，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、低通濾波器的結構原理及參數選擇有了更進一步的了解。這些都培養(yǎng)了我獨立工作、動腦思考、動手操作、認真嚴謹、一絲不茍的好習慣，鍛煉并提升了我的實際操作能力，使我所學的理論知識有了實用的價值，得以與實踐操作充分結合。在設計過程中，我遇到了不少困難，但通過請教老師同學、仔細分析理解，都逐一得到了解決。我發(fā)

22、現只有細心、耐心、恒心才能將事情做好，設計方案中一個小小的數字錯誤，簡單的一個器件的選擇錯誤，都有可能對設計方案造成巨大的影響。我還意識到我的實驗能力有所不足，在理論上也有很多的缺陷。所以，在以后的學習生活中，我需要更努力地學習理論知識，同時注重理論和實踐的結合。</p><p>　　最后，衷心感謝學院給我們提供這次寶貴的機會，感謝各位老師在課程設計過程中的耐心指導，使我們提升了專業(yè)技能，為以后的工作做準備，使我

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