AD698位移测量

1、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 学课 程 设 计 题 目：基于AD698的差动变压器式位移测量系统 姓 名： 班 级： 学 号： 指导教师： 成 绩： 2012 年 12 月 25 日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11.1 课程设计目的意义11.2 课程设计任务11.3 课程设计时间安排1第2章 总体方案设计22.1 工作原理22.2 系统组成42.3 本章小结4第3章 硬件电路设计63.1 传感器设计63.2 转换电路设计73.3 振荡电路设计73.4 仿真实验73.5 本章小结10第4章 PCB板设计、安装与调试114.1

2、 PCB版设计114.2 PCB版安装124.3 PCB版调试124.4 本章小结12第5章 系统标定、测试与精度分析135.1 测试数据135.2 原始实验数据处理与系统的标定145.3 精度分析155.4 本章小结16结论17致谢18参考文献19心得体会20千万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- II -第1章 绪论1.1 课程设计目的意义 基于AD698的差动变压器式位移测量系统设计、制作及精度分析。采用差动变压器式电感传感器设计一套位移测量系统，包括差动变压器的设计装配调整、

3、转换及调理电路的设计、安装和调试、标定试验和测试实验及精度分析。 1.2 课程设计任务1、设计传感器。2、测绘传感器。3、画出传感器的结构图。4、采用集成芯片AD698设计差动变压器式电感传感器的转换及调理电路，并画出电路的原理图。5、设计并加工制作PCB版。6、对所设计的位移测量系统进行标定。7、用所设计位移测量系统对某一位移量进行测量，给出测量结构及其测量不确定度。8、撰写课程设计报告。1.3 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1-1。表1-1 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

4、及变送电路设计，调试解调电路设计；Protel绘制电路原理图及仿真实验，绘制印刷电路版图3第二阶段调制解调电路调试；转换电路及放大电路调试4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第四阶段答辩1第2章 总体方案设计2.1 工作原理 AD698首先驱动LVDT，然后读出LVDT的输出电压并产生一个与磁芯位置成正比的直流电压信号。AD698用一个正弦波函数振荡器和功率放大器来驱动LVDT，并用二个同步解调级来对初级和次级电压进行解码，解码器决定了输出电压与输入驱动电压的比率（A/B）。滤波级和放大器可按比较整输出结果。 振荡器中包含一个多谐振荡器，该多谐振荡器产生一个三角波，并驱动正

5、弦波发生器产生一个低失真的正弦波，正弦波的频率和幅值由一个电阻器和一个电容器决定。输出频率在20Hz20kHz可调，输出有效幅值在2V24V可调。总谐波失真的典型值是50dB。 AD698通过同步解调输入幅值A（次级线圈侧）和一个固定的参考输入B（初级线圈侧或固定输入）。早期解决方案的共同问题是驱动振荡器幅值的任何漂移都会直接导致输出增益的错误。AD698通过计算LVDT输出与输入激励的比率消除了所有的偏移影响，从而避免了这些错误。AD698不同于AD598型的LVDT信号调理器，因为它实现了一个不同的电路传递函数，并且不要求LVDT次级线圈（A+B）是一个随行程长度而定的常量。 AD698的

6、输入包括二个独立的同步解调通道A和B。B通道用来监测驱动LVDT的激励信号，A通道的作用与之相同，但是它的比较器引脚是单独引出来的。因为在LVDT处于零位的时候，A通道可能达到0V，所以A通道解调器通常由初级电压（B通道）触发。另外，可能还需要一个相位补偿网络给A通道增加一个相位超前或滞后量，比此来补偿LVDT初级对次级的相位偏移。 一旦二次通道信号被解调和滤波后，再通过一个除法电路来计算比率A/B，除法器的输出是一个矩波信号。当A/B等于1时，矩形波的占空比为100%。输出放大器测量500A的参考电流并把它转化成一个电压值。当IREF=500A时，其传递函数如下： VOUT=IREF

7、5;A/B×R2差动电感式位移传感器的测量原理DGC-6PGA差动电感式位移传感器由中原量仪生产的一款旁向式的位移测量头。他的激励频率在10 kHz左右，激励电压的有效值为2 V，灵敏度为70 mVVmm，总行程为1.5 mm。他产生的电信号输出与铁芯的位移成正比。他在不锈钢壳内布置1个初级线圈，并在其左右各布置1个次级线圈，呈对称分布。铁芯在线圈组内穿梭，当通过外部交流电源给初级线圈通电后，两个反相连接的次初级线圈中将产生极性相反的电压。因此，两个电压之差即为LVDT的净输出值，当铁芯位于中间或零位，净输出为零。当铁芯离开零位，铁芯所趋向的次级线圈的电压相应增加。同时，另一侧线圈的

8、感应电压相应降低。芯的运动产生随位移变化而变化的线性压差输出值。当铁芯从零位的一侧移至另一侧时，输出电压的相位将出现180°突变；当初级绕组由恒定电压供电时，其等效电路如图2所示。如果次级绕组的总电阻用R2表示，由图2利用网孔分析法可得方程组：由方程组(2)得： 差动变压器等效电路 差动变压器的输出特性曲线2.2 系统组成在使用AD698之前我们先对位移测量系统的各个部分进行拆分，电路由音频发生器、差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器、电压表组成，具体流程如下图： 由RC振荡器提供激磁电压及通过移相器后给相敏检波电路的参考电压信号，传感器工作后输出-5v到5v的正弦信号。考虑到

9、抑制共模信号，因此用差动放大电路进行放大，再将放大后的调幅信号用相加式相敏检波电路进行解调以实现对相位的鉴别以判别位移的方向，最后用低通滤波器实现对解调的直流信号的放大及滤除高频信号，输出接显示器。用示波器接输入输出端以观察信号波形。（其中Wd , Wa为电桥所构成的零点残余电压补偿电路，实际实验时已将其忽略。另外，根据实验电路产生直流信号影响有用直流信号，可考虑在相敏检波电路与低通滤波器之间连接一个适当电容，以滤去干扰直流信号）。2.3 本章小结在确定系统设计方案时，首先需要对AD698芯片的了解，明白芯片内部结构，通过查找资料我们了解到AD698是一款完整的单芯片线性可变差分变压器(LVD

10、T)信号调理子系统，结合LVDT使用，能够以较高精度和可重复性将传感器机械位置转换为单极性或双极性直流电压。所有电路功能均集成于片内。只要增加几个外部无源元件以设置频率和增益，AD698就能将原始LVDT输出转换为一个比例直流信号。该器件可以采用半桥LVDT、以串联相对配置（4线）连接的LVDT和RVDT工作。 AD698内置一个低失真正弦波振荡器，用来驱动LVDT原边。两个同步解调通道用于检测原边和副边幅度。该器件将副边的输出除以原边的幅度，然后乘以一个比例系数。这样可以消除原边驱动的幅度漂移所导致的比例系数误差，改善温度性能和稳定性。 AD698利用独特的比率架构来消除传统LVDT接口方法

11、的多个弊端。这种新电路的优势包括：无需调整；温度稳定性提高；传感器互换性得以改善。第3章 硬件电路设计3.1 传感器设计电感传感器是一种机械.电子传感器, 其输入是磁芯的机械移动, 输出是与磁芯位置成正比的交流电压信号。电感传感器由1个初级线圈和2个次级线圈组成, 初级线圈由外部参考正弦波信号源激励, 2个次级线圈反向串联。活动磁芯的移动可改变初次级线圈之间的耦合磁通, 从而产生2个幅值不同的交流电压信号。串联次级线圈的输出电压随着磁芯移离中心位置而升高。加一个差放将传感器输出的微弱信号放大。因此通过测量输出电压的相位可以判断磁芯移动的方向。3.2 转换电路设计3.3 振荡电路设计 该振荡电路

12、为正弦波发生器，输出幅值为10V，频率为10KHz的正弦波。3.4 仿真实验系统的仿真图如下： 当铁心在中间平衡位置时，即两个次级线圈的比值为1：1时，输出为5.032mv，为零点残压。仿真图如下： 当铁心偏离中间平衡位置时，仿真时设定两个次极线圈的比值为50：1，此时输出为140.721mv。仿真图如下： 当铁心反向偏离中间平衡位置时，仿真时设定两个次级线圈的比值为1：50，此时输出为145.669mv。仿真图如下： 3.5 本章小结通过本章学习使我们熟悉了仿真软件的使用以及模拟仿真在具体工作中的重要性。对于电路产生的零点残压问题我们查找资料找到了一些消除零点残压方法。下面为零点残压产生及消

13、除方法。（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，如图所示。 （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

14、2，从而消除了零点残余电压。 采用补偿线路第4章 PCB板设计、安装与调试4.1 PCB版设计 PCB设计，是以电路原理图为根据实现电路设计者所需要的功能。设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局。内部电子元件的优化布局。金属连线和通孔的优化布局。电磁保护。热耗散等各种因素。 PCB版设计流程： （1）建立PCB设计工程文件。（2）绘制电路原理图，对元件属性赋值。 （3）编译原理图，以消息方式显示错误。（4）生成网络表 。（5）生成PCB板图，绘制板框。 （6）调入网络表，完成元件位置布置，设置布线规则，完成全部布线。（7）电路板规则检查 。PCB版图如下4.2 PCB版安装4.3 PCB版

15、调试4.4 本章小结 在此次课程设计中，我使用了Altium Designer软件。由于我们对此软件不了解，从开始安装软件到使用的过程中遇到了很多麻烦。我们只对PCB版进行了设计没有进行安装和调试。此次课程设计使我意识到了我所会的知识实在太少，在此次课程设计之后我要好好学习Altium Designer软件和一些其他的常用软件。第5章 系统标定、测试与精度分析5.1 测试数据序数位移x/cm输出电压y/mv1-3-2952-2.8-2753-2.6-254.34-2.4-233.95-2.2-2136-2-1927-1.8-1718-1.6-1509-1.4-13010-1.2-11111-1

16、-9012-0.8-7013-0.6-5014-0.4-29.715-0.2-9.61600170.210.2180.430190.651200.87121191221.2112231.4131241.6150.8251.8172262193272.2213282.4234292.6255302.82763132965.2 原始实验数据处理与系统的标定 回归统计Multiple R0.999519R Square0.999039Adjusted R Square0.999006标准误差5.542021观测值31 方差分析dfSSMSFSignificance F回归分析1925949.7925

17、949.730147.492.61077E-45残差29890.705830.71399总计30926840.4Coefficients标准误差t StatP-valueLower 95%Upper 95%下限 95.0%上限 95.0%Intercept0.3709680.9953760.3726910.712089-1.664812.406741-1.664812.406741X Variable 100.55643201-1.138031.138032-1.138031.138032 RESIDUAL OUTPUT PROBABILITY OUTPUT观测值预测 Y残差标准残差百分比排位

18、Y10.370968-295.371-1.680451.612903-29520.370968-275.371-1.566674.83871-27530.370968-254.671-1.44898.064516-254.340.370968-234.271-1.3328411.29032-233.950.370968-213.371-1.2139314.51613-21360.370968-192.371-1.0944517.74194-19270.370968-171.371-0.9749820.96774-17180.370968-150.371-0.855524.19355-15090

19、.370968-130.371-0.7417227.41935-130100.370968-111.371-0.6336230.64516-111110.370968-90.371-0.5141533.87097-90120.370968-70.371-0.4003637.09677-70130.370968-50.371-0.2865840.32258-50140.370968-30.071-0.1710843.54839-29.7150.370968-9.97097-0.0567346.77419-9.6160.370968-0.37097-0.00211500170.3709689.82

20、90320.0559253.2258110.2180.37096829.629030.16856856.4516130190.37096850.629030.28804359.6774251200.37096870.629030.40182962.9032371210.37096890.629030.51561566.1290391220.370968111.6290.6350969.35484112230.370968130.6290.74318772.58065131240.370968150.4290.85583575.80645150.8250.370968171.6290.97644

21、879.03226172260.370968192.6291.09592382.25806193270.370968212.6291.20970885.48387213280.370968233.6291.32918488.70968234290.370968254.6291.44865991.93548255300.370968275.6291.56813495.16129276310.370968295.6291.6819298.38712965.3 精度分析 （1）由图可知与传感器电压值输出量y与位移量x的回归方程为 y=96.614x-5.6E-14 (1) 其中，相关指数R2=0.9

22、990，可以认为拟合曲线较优。 （2）由回归分析知： 相关系数：R=0.999519；测定系数：R*R=0.999039；F值：F=30147.49：。其中df为自由度，SS为样本数据平方和，MS为样本数据平均平方和。 （3）模型检验： 模型为：y=96.614x-5.6E-14 R，R2和F都可以直接从表格中读出。有了R值，F值可计算出来。F值的计算公式和结果为：所求F值与表中近似一样。5.4 本章小结此章我们是对数据进行处理，我们是用excel表格进行数据处理的，在处理数据的过程中有时经常把数据弄乱弄混，但最后还是顺利完成了。所以在处理数据过程中一定要仔细、认真。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。- 20 -结论常见故障：（1）逻辑错误：它是由设计错误或加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误包括错线、开路、短路等。（2）元器件失效：有两方面的原因：一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是组装错误造成元件失效，如电解电容、二极管的极性错误、集成电路安装方向错误等。 （3）可靠性差：引起可靠性差的原因很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏，经不起振动；走线和布局不合理也会引起系统可靠性差。（4）电源故障：若样有电源