差动变压器式位移测量系统设计、制作及其精度分析_毕业设计.docx

哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告哈 尔 滨 理 工 大 学学 年 设 计 题 目： 差动变压器式位移测量系统设计制作及其精度分析班 级：测控10-5 不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- i -目录第1章 绪论21.1 课程设计目的意义21.2 课程设计任务21.3 课程设计时间安排2第2章 总体方案设计32.1 工作原理32.2 系统组成7第3章 硬件电路设计83.1 传感器设计83.2 转换电路设计93.3 振荡电路设计123.4 仿真实验 13第4章 系统标定、测试与精度分析174.1传感器参数设计174.2实验数据184.3数据处理18结论19致谢20参考文献21心得体会22千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“abstract”这一行后加一空行- i -绪论课程设计目的意义 这门课程是在测控技术专业学生学习了误差理论、测控电路和传感技术课程之后开设的综合性的实践课程，通过本课程的训练，除了使学生掌握误差理论、传感技术和测控电路的基本理论，主要致力于培养学生综合运用误差理论、测控电路和传感技术相关理论知识，合理地选择、使用、设计、制作、调试传感器以及变送电路的能力，尤其是培养学生建立测量误差存在于测量全过程的概念，掌握测试结果数据处理方法、误差分析方法以及精度评定方法。采用异步教学方法组织实践教学，培养学生自主学习能力、动手能力与创新能力。课程设计任务1、 设计传感器根据传感器的工作原理，设计差动变压器式电感传感器。包括传感器参数设计和架构设计。2、 测绘传感器对给定的差动变压器式电感传感器进行结构尺寸测绘，包括初级线圈，次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部分。3、 画出传感器的结构图。4、 采用分立元件设计差动变压器式电感传感器的转换及调理电路，给出各元器件参数，并画出电路的原理图。5、 设计并加工制作pcb板。焊接电路板，并完成电路板的调试，输出要求的直流信号。6、 对所设计的位移测量系统进行标定。对该系统给定标准位移输入信号，测出系统输出信号，并对所获得数据进行数据处理，建立回归方程，进行方差分析及显著性检验，给出回归精度估计。7、 用所设计位移测量系统对某一位移量进行测量，给出测量结果及其测量不确定度。8、 撰写课程设计报告,内容包括：目录、设计题目、方案讨论、设计计算课程设计时间安排课程实践学时2周，主要内容及时间安排可大致分配如表1。表1 学年设计内容及时间分配阶段实践内容时间（天）第一阶段选题、查阅资料、不同方案分析与比对，最优方案确定；传感器设计及变送电路设计，调试解调电路设计；multisim绘制电路原理图及仿真实验3(15 -17日)第二阶段调制解调电路调试；转换电路及放大电路调试4（18-21日）第三阶段测试系统标定实验；相应参数测量实验及精度分析2（24-25日）第四阶段答辩1（26日）总体方案设计工作原理差动变压器式位移传感器（简称lvdt）由于具有工作可靠度，输出电压精度高，线性度好，结构简单，使用寿命长，环境适应性强等优点而较其他传感器得到更广泛的应用，它的工作原理类似于变压器，不同的是变压器是闭合磁路，而lvdt是开磁路。按磁路几何参数变化形成的不同可将lvdt分为变气隙式，变截面式，螺管式3种。变气隙式的优点是灵敏度高，缺点是测量范围小，非线性严重，由于这些缺点，近年来很少使用；螺管式的灵敏度较低，但其示值范围大，自由行程可以任选安排。制造装配也较方便，因而有着最广泛的应用。螺管式差动变压器式位移传感器按线圈排列形成不同主要有二段型，三段型，四段型和五段型等。三段型的零点电压较小，二段型比三段型灵敏度高，线性范围大，四段型和五段型都是为了改善传感器的线性度而采用的结构。重点讨论2.1图，由图可知lvdt主要包括铁心，骨架，激磁绕组，2个对称分布的输出绕组及外壳等，它是将被测位移量的变化转换成磁路磁阻变化引起线圈互感m变化的一种装置。当激磁绕组接入激励电源后，输出绕组将产生感应电压，互感变化时，输出电压将做相应的变化，又因2个输出绕组接成差动形式，即2个感应电动势反向串接，故常称为差动变压器式位移传感器在理想情况下（不计线圈寄生电容及铁心损耗），lvdt等效电路如图2.3所示：其中，e1为激磁绕组激励电压；l1，r1为激磁绕组电感值和电阻值；l21，l22为左右输出绕组的电感值；r21，r22为左右输出绕组的电阻值；m1，m2分别为激磁绕组与左右绕组间的互感值根据图2.3可知，激磁绕组的复数电流值为：由于i1的存在，在线圈中产生磁通，rm1，rm2分别为通过激磁绕组和2个输出绕组的磁阻，n1为激磁绕组匝数。于是在输出绕组中感应出电压e21，e22即：输出阻抗为：z=（r21+r22）+j（l21+l22）lvdt的输出电压e2与铁心位移x关系如图2.4，其中x表示铁心偏离中心位置的距离。由图可知，当铁心在中间位置时（即x=0），若2个输出绕组线圈参数和磁路尺寸相等，则m1=m+m1，m2=m-m2.当铁心偏离中间位置时（即x0）,m1m 2.由于lvdt差动工作，有，。在一定范围内，差值（）与铁心位移成比例，但铁心位移量和输出电压之间不是线性关系。此外，为交流输出信号，其输出的交流电压只能反映位移大小，不能反映位移方向，故一般输出特性为型曲线，如图，为了反映铁心移动方向，需要采用相敏检波电路。系统组成过零整形电路正弦波发生器反相电路电压表开关相敏检波电路低通滤波放大器传感器硬件电路设计传感器设计给定原始数据及技术要求：最大输入位移30mm，灵敏度不小于50v/m，非线性误差不大于10%，灵位误差不大于1mv，电源为5v，4khz.转换电路设计调制电路反相电路过零比较电路放大电路开关相敏检波电路低通滤波器振荡电路设计正弦波震荡电路仿真实验正弦波信号仿真波形调制仿真电路开关式相敏检波电路相敏检波仿真整体电路整体仿真波形系统标定、测试与精度分析传感器参数计算a，激磁绕组长度bk2=1(2*b2)取b, 衔铁的长度lclc=l1+2*d+b+l2lc=l0+2d+b+l0=2(l0+d)+b通常db，因此lc=3b=20.13cmc,副边线圈长度ml0=b取=10mm，m=10.70cmd,衔铁半径rc与骨架半径r经验数据lcrc=20，则rc=1.0cmrr=283激磁电压频率的选定 f=4khz4灵敏度的确定s=(8蟺f渭in1n2b2)3mblnrr5原边与副边绕组匝数的确定即n1=540n2=1080实验数据位移.电压.-.-.-.-.-.位移.电压.数据处理理论电压输出公式转换电路灵敏度kc=u0(鈭哃l)千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。- 23 -结论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。这些都培养了我独立工作、动脑思考、动手操作、认真严谨、一丝不苟的好习惯，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。在设计过程中，我遇到了不少困难，但通过请教老师同学、仔细分析理解，都逐一得到了解决。我发现只有细心、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。致谢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。参考文献1 周真，苑慧娟等 传感器原理与应用 清华大学出版社 2011年2 张国雄 测控电路第四版 机械工业出版社 2011年3 费业泰 误差理论与数据处理第六版 机械工业出版社 2011年心得体会在为期2周的课程设计中，我受益匪浅，收获颇丰。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。这些都培养了我独立工作、动脑思考、动手操作、认真严谨、一丝不苟的好习惯，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