传感器课设说明书

1、差动变压器位移传感器课程设计传感器技术课程设计差动变压器位移传感器学院名称：机械工程学院_ 专业班级：测控 1202_ 姓名学号： _ _ 指导教师：鲍丙豪_ 2015年 1月传感器技术课程设计任务书差动变压器位移传感器设计内容：（1） 掌握传感器工作原理；（2） 掌握信号处理电路的作用与原理；（3） 画出各电路处理后的信号波形；（4） 对位移进行测量（正、负位移均三次以上）；（5） 算出传感器的迟滞误差、线性度；（6） 写出说明书。23目录第一章绪论2第二章差动变压器位移传感器简介32.1 概述32.2 工作原理32.3 输出特性分析4第三章电路设计及其仿真63.1 原理简述63.2 各部分

2、电路仿真63.2.1 零点残余、差动放大电路63.2.2 移相电路73.2.3 相敏检波电路93.2.4 低通滤波电路9第四章电路调试后波形及数据处理114.1 各电路波形如下114.2 数据处理134.2.1 实验测得数据如下表134.2.2 数据拟合如及传感器的迟滞误差、线性度的计算14第五章心得与体会15致谢16参考文献17附录 原始数据表18第一章 绪论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

3、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

4、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。第二章 差动变压器位移传感器简介2.1 概述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。差动变压器式位移传感器是利用差动变压器原理制造的。它可以把直线移动的机械量变换为电量的变化，广泛的应用于各种位移量的测量或能转换为位移

5、的各种物理量，如：伸长、膨胀、应变、压力、等量的测量。 虽然目前实现尺寸测量的传感器有多种，但差动变压器式位移传感器（以下简称为LVDT）由于自身的特点在多种领域的位移测量系统中得到了广泛的应用。2.2 工作原理图2.1差动变压器等效电路中，Rp和Lp分别为初级线圈的损耗电阻和自感，Rs1和Rs2为两个次级线圈的电阻，LS1和LS2表示两个次级线圈的自感，M1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

6、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MaMb，两次级绕组的互感电势ES1ES2，输出电压Es=ES1-ES20，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2.2差动变压器的输出特性曲线所示。 图2.1差动变压器等效电路

7、 图2.2差动变压器的输出特性曲线2.3 输出特性分析初级线圈的复数电流值为：IP=EPRP+jLP输出电压：ES=ES1-ES2=M1dIPdt-M2dIPdt将电流IP写成复指数形式：IP=IPMe-jt则 dIPdt=-jIPMe-jt=-jIP则输出电压为：ES=-jM1-M2IP=-jM1-M2EPRP+jLP讨论：（1） 磁芯处于中间平衡位置时，互感M1=M2=M，则ES=0；（2） 磁芯上升时，M1=M+M，M2=M-M，则ES=2MEPRP2+LP2（3） 磁芯下降时，M1=M-M，M2=M+M，则ES=-2MEPRP2+LP2第三章 电路设计及其仿真3.1 原理简述由RC振荡

8、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0-40mVp-p的微弱正弦信号。考虑到抑制共模信号，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）。总体框图如下图3.1测量系统的

9、总体框图。图3.1测量系统的总体框图3.2 各部分电路仿真3.2.1 零点残余、差动放大电路零点残余电压，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3.2输出特性曲线所示。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。消除零点残余电压方法采用补偿线路如图3.3电位调零点残余电压补偿电路所示： 图3.2 输出特性曲线 图3.3 电位调零点残余电压补偿电路 差动放

10、大电路又叫差分电路，他不仅能有效地放大交流信号，而且能有效地减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移，因而获得广泛的应用。特别是大量的应用于集成运放电路，他常被用作多级放大器的前置级。差动放大器是一种零点漂移十分微小的直流放大器，它常作为直流放大器的前置级，用以放大微小的直流信号或缓慢变化的交流信号。其电路图如下图3.4零点残余、差动放大电路。图3.4 零点残余、差动放大电路3.2.2 移相电路接于电路中的电容和电感均有移相功能,电容的端电压落后于电流90度,电感的端电压超前于电流90度,这就是电容电感移相的结果。先说电容移相,电容一通电,电路就给电容充电,一开始瞬间充电的电流为最大

11、值,电压趋于0,随着电容充电量增加,电流渐而变小,电压渐而增加,至电容充电结束时,电容充电电流趋于0,电容端电压为电路的最大值,这样就完成了一个充电周期,如果取电容的端电压作为输出,即可得到一个滞后于电流90度的称移相电压。电感因为有自感自动势总是阻碍电路中变量变化的特性,移相情形正好与电容相反,一接通电路,一个周期开始时电感端电压最大,电流最小,一个周期结束时,端电压最小,电流量大,得到的是一个电压超前90度的移相效果。移相器一种用以调节交流电压相位的装置。移相器一般是多相的，其结构如图所示。它和一台被旋转的绕线式三相异步电动机相似。通常定子绕组作为原绕组，转子绕组为副绕组。在移相器的转子转

12、轴上装有一套蜗轮蜗杆。转动蜗轮蜗杆，能使移相器的转子相对于定子在一定范围内转动。当定子上的原绕组接三相交流电源后，气隙里产生的旋转磁场将在原、副绕组中分别感应出电动势E1和E2。其大小与各绕组的有效匝数成正比，而相位决定于原、副绕组轴线之间的相对位置。例如原、副绕组轴线在空间位置上彼此相差电角度,忽略它们的漏阻抗电压降，可以得到原、副边电压的关系为：U1-E1U2E2=E1nsre-j式中nsr是原、副边绕组的变比。改变转子的位置,可以改变副边电压相对于原边电压的相位，但输出电压的大小不变。电路图如下：图3.5移相电路图图3.5 移相电路图3.2.3 相敏检波电路相敏检波电路是具有鉴别调制信号

13、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=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/ n，即

14、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。其电路图如下，图3.6相敏检波电路图。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。图3.6 相敏检波电路图3.2.4 低通滤波电路所谓滤波器就是能够过滤波动信号的器具，在电子线路中，滤波器的作用是从具有各种不同频率成分的信号中，取出具有特定频率成分的信号。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻

15、等器件的组合装置。低通滤波器允许从直流到某个截止频率的信号通过。理想低通滤波器器能够让零频（即直流）到截止频率fc之间的所有信号毫无损失的通过，而高于截止频率fc的所有信号毫无遗留的丧失殆尽。其电路图如下，图3.7低通滤波电路。图3.7 低通滤波电路第四章 电路调试后波形及数据处理4.1 各电路波形如下（1）输入正弦信号得到的输出波形如下图： 图4.1 正弦输出波形(2) 经过差动放大电路的波形如下图：图4.2 经差动放大后的波形（4） 经过移相电路的波形如下图：图4.3 经移相后的波形（5） 经过相敏检波电路的波形如下图：图4.4 经相敏检波后的波形（6） 经过低通滤波电路的波形如下图：图4

16、.5 经低通滤波后的波形4.2 数据处理4.2.1 实验测得数据如下表表4.1 线性区数据X/mmx'/mmy1/Vy2/Vy3/Vy4/Vy5/Vy6/Vy/VDy/V7-5.730.97060.97450.97020.97410.97280.97930.9735830.0493177.25-5.480.91870.92620.92160.92550.92320.93040.9242670.0470837.5-5.230.87210.87780.87820.87760.8750.88240.8771830.04877.75-4.980.82560.8290.82370.83090.8

17、2830.83340.8284830.0467838-4.730.77750.78290.77810.78270.78090.78810.78170.0463338.25-4.480.73160.73630.73160.73630.73540.7410.7353670.0453838.5-4.230.68640.69170.68680.69070.68890.69540.6899830.0446178.75-3.980.64230.64690.64360.64620.64240.65080.6453670.0440839-3.730.59790.60290.59850.60260.59940.

18、60640.6012830.042359.25-3.480.55550.55960.55620.55970.55870.56390.5589330.0424679.5-3.230.51210.51810.51420.51730.5160.52110.5164670.041759.75-2.980.47070.47610.47270.47580.4740.4790.4747170.04131710-2.730.42870.43420.42990.4360.43290.43870.43340.04073310.25-2.480.38890.39360.38990.39390.3930.39670.

19、3926670.04053310.5-2.230.34910.3530.34930.35370.35130.35640.3521330.0403510.75-1.980.3090.31290.30880.31260.31160.31580.3117830.0401511-1.730.26840.2730.2690.27370.27070.2750.2716330.038611.25-1.480.22920.23370.23040.23740.23210.23540.2330330.04036711.5-1.230.18930.19430.19040.19410.19140.19650.1926

20、670.039211.75-0.980.15080.15410.15190.15490.15370.15540.1534670.03943312-0.730.11050.11540.11210.11570.11290.11760.1140330.03856712.25-0.480.07250.0770.07310.07850.07480.07690.0754670.03956712.5-0.230.0330.03620.03380.03750.03660.03830.03590.0390512.750.02-0.005-0.0021-0.0049-0.0021-0.0038-0.001-0.0

21、03150.039467130.27-0.0453-0.0408-0.0444-0.0416-0.0427-0.0409-0.042620.039713.250.52-0.084-0.0812-0.0836-0.0808-0.0836-0.0807-0.082320.039513.50.77-0.1243-0.1212-0.124-0.1177-0.1229-0.1208-0.121820.0402513.751.02-0.1635-0.1618-0.1629-0.1611-0.1626-0.1605-0.162070.0401141.27-0.2043-0.2005-0.2036-0.200

22、3-0.2034-0.2009-0.202170.04146714.251.52-0.2442-0.2422-0.245-0.2424-0.2447-0.2433-0.243630.04093314.51.77-0.2858-0.2825-0.2874-0.2825-0.2859-0.2833-0.284570.04188314.752.02-0.3271-0.3257-0.3278-0.3247-0.327-0.3264-0.326450.042483152.27-0.3692-0.3683-0.3703-0.3677-0.3697-0.3684-0.368930.04183315.252.

23、52-0.412-0.4089-0.4122-0.4082-0.4132-0.4101-0.410770.0445515.52.77-0.4571-0.4533-0.4576-0.4531-0.4567-0.4541-0.455320.0443515.753.02-0.4998-0.4986-0.5017-0.4981-0.5003-0.4995-0.499670.045933163.27-0.548-0.544-0.5469-0.5426-0.5464-0.5457-0.54560.04603316.253.52-0.5924-0.5905-0.5928-0.5898-0.5937-0.59

24、06-0.591630.045916.53.77-0.6383-0.6366-0.639-0.6363-0.6379-0.6371-0.637530.04853316.754.02-0.6865-0.6856-0.6862-0.685-0.687-0.6861-0.686070.04925174.27-0.7358-0.734-0.7373-0.7332-0.7369-0.7347-0.73532-0.73532原始数据见附录原始数据表。4.2.2 数据拟合如及传感器的迟滞误差、线性度的计算图4.6 线性区数据拟合曲线拟合直线方程为：y=-0.1656x-0.0045线性度为： eL=

25、7;LmaxyF.S×100%=±0.02892.7×100%±1.07%迟滞误差为：eH=HmaxyF.S×100%=0.00842.7×100%0.31%第五章 心得与体会为期两周周的课程设计，在老师同学的帮助以及自己的不懈女里下终于结束了。虽然只有短短的10天时间，但我确实受益匪浅，收获颇丰。在课程设计的过程中，不仅巩固了已学到的课本知识，还接触了很多书本上所接触不到的东西，开阔了我们的视野，同时大大增强了我们的动手能力以及实践能力。这次次课程设计，使我深化了对传感器这门学科的认识，将书本上接触的各种各样的电路，如移相电路，相敏

26、电路，差动电路，滤波电路等，应用在了实践中。原本好多只停留在原理以及作用上的东西，通过本次课程设计对各部分电路的模拟与仿真，结合示波器的观察，加深了我对它们的认识，从根本上了解了各种电路。 此次课程设计我收获了很多，充实了自己，增强了我的动手能力，更深化了对传感器的认识。通过小组合作我也深深体会到了合作的重要性。当然，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，最后在老师及同学的帮助下解决了，这进一步加深了我团队合作的意识。总之，在这短短的数十天，我确实受益匪浅，学到了很多东西，主要就是对对传感器的设计有了初步的思路、意思到团队合作重要性等方面。通过对电路

27、的设计以及各种调试工作，使我对传感器这门学科有了进一步的理解。致谢经过本课程设计，使我对本课程有了更深刻的认识，设计工作虽然遇到了许多困难，但都在老师和同学的帮助下顺利解决。在此，感谢鲍老师一直以来对我的教导。我想向所有人表示我的谢意。首先感谢鲍老师：在此，要对他的细心帮助和指导表示由衷的感谢。在我本次的课程设计中，鲍老师的指导给予了我极大的帮助，使我对整个课程设计的思路有了总体的把握，并耐心的帮我解决了许多实际问题，使我有了很大收获。还要感谢给与我帮助的其他同学，他们在我的课程设计过程中经常给我提出许多关键性的问题，使我受益匪浅。参考文献1 贾伯年，俞朴，宋爱国.传感器技术.东南大学出版社，

28、2007.2 何金田.传感检测技术实验教程.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005. 3 陈露，鲍丙豪.测试技术A实验指导书.江苏大学工业中心.2012.4 张国雄.测控电路.机械工业出版社.2008.附录 原始数据表x/mmx'/mmy1/Vy2/Vy3/Vy4/Vy5/Vy6/Vy/VDy/V0-12.732.7342.7032.6982.6972.72.7092.7068330.0581670.25-12.482.6692.6472.6412.6422.6392.6542.6486670.0603330.5-12.232.6062.5872.5812.5842.582.5922.

29、5883330.0630.75-11.982.5422.5222.5182.5212.5192.532.5253330.0631671-11.732.4752.4612.4532.4582.4562.472.4621670.0643331.25-11.482.412.3952.3932.3932.3932.4032.3978330.0671671.5-11.232.3422.3292.3232.3262.3262.3382.3306670.0661.75-10.982.2752.2642.2572.2622.2592.2712.2646670.0666672-10.732.2042.1992.

30、1912.1972.1912.2062.1980.06852.25-10.482.1352.1312.1222.132.1222.1372.12950.06852.5-10.232.0672.0612.0542.062.0562.0682.0610.0677172.75-9.981.9971.9941.98811.9921.98762.0011.9932830.0677333-9.731.9281.9281.91921.92481.91941.93391.925550.065553.25-9.481.86251.86111.85091.86081.85661.86811.860.067353.

31、5-9.231.79421.79391.78611.79251.78781.80141.792650.065153.75-8.981.72781.72851.7211.7281.72461.73511.72750.0650674-8.731.66361.66471.65631.66251.65821.66931.6624330.0643834.25-8.481.59861.60021.59191.59771.59391.6061.598050.061654.5-8.231.53591.53921.53011.53711.53261.54351.53640.0622674.75-7.981.47

32、351.47421.47011.47411.47261.48031.4741330.0606675-7.731.41211.41431.40951.41251.41251.41991.4134670.0590835.25-7.481.3531.35511.35081.35381.35351.36011.3543830.0571335.5-7.231.29481.29951.29181.29691.29691.30361.297250.05725.75-6.981.23771.24161.23551.24141.23721.24691.240050.0553176-6.731.18121.185

33、71.17951.18491.18531.19181.1847330.0540676.25-6.481.12861.1321.12621.13081.12981.13661.1306670.0542336.5-6.231.07431.07841.07211.07641.07491.08251.0764330.051456.75-5.981.02241.02641.02161.02471.02441.03041.0249830.05147-5.730.97060.97450.97020.97410.97280.97930.9735830.0493177.25-5.480.91870.92620.

34、92160.92550.92320.93040.9242670.0470837.5-5.230.87210.87780.87820.87760.8750.88240.8771830.04877.75-4.980.82560.8290.82370.83090.82830.83340.8284830.0467838-4.730.77750.78290.77810.78270.78090.78810.78170.0463338.25-4.480.73160.73630.73160.73630.73540.7410.7353670.0453838.5-4.230.68640.69170.68680.6

35、9070.68890.69540.6899830.0446178.75-3.980.64230.64690.64360.64620.64240.65080.6453670.0440839-3.730.59790.60290.59850.60260.59940.60640.6012830.042359.25-3.480.55550.55960.55620.55970.55870.56390.5589330.0424679.5-3.230.51210.51810.51420.51730.5160.52110.5164670.041759.75-2.980.47070.47610.47270.475

36、80.4740.4790.4747170.04131710-2.730.42870.43420.42990.4360.43290.43870.43340.04073310.25-2.480.38890.39360.38990.39390.3930.39670.3926670.04053310.5-2.230.34910.3530.34930.35370.35130.35640.3521330.0403510.75-1.980.3090.31290.30880.31260.31160.31580.3117830.0401511-1.730.26840.2730.2690.27370.27070.

37、2750.2716330.038611.25-1.480.22920.23370.23040.23740.23210.23540.2330330.04036711.5-1.230.18930.19430.19040.19410.19140.19650.1926670.039211.75-0.980.15080.15410.15190.15490.15370.15540.1534670.03943312-0.730.11050.11540.11210.11570.11290.11760.1140330.03856712.25-0.480.07250.0770.07310.07850.07480.

38、07690.0754670.03956712.5-0.230.0330.03620.03380.03750.03660.03830.03590.0390512.750.02-0.005-0.0021-0.0049-0.0021-0.0038-0.001-0.003150.039467130.27-0.0453-0.0408-0.0444-0.0416-0.0427-0.0409-0.042620.039713.250.52-0.084-0.0812-0.0836-0.0808-0.0836-0.0807-0.082320.039513.50.77-0.1243-0.1212-0.124-0.1

39、177-0.1229-0.1208-0.121820.0402513.751.02-0.1635-0.1618-0.1629-0.1611-0.1626-0.1605-0.162070.0401141.27-0.2043-0.2005-0.2036-0.2003-0.2034-0.2009-0.202170.04146714.251.52-0.2442-0.2422-0.245-0.2424-0.2447-0.2433-0.243630.04093314.51.77-0.2858-0.2825-0.2874-0.2825-0.2859-0.2833-0.284570.04188314.752.

40、02-0.3271-0.3257-0.3278-0.3247-0.327-0.3264-0.326450.042483152.27-0.3692-0.3683-0.3703-0.3677-0.3697-0.3684-0.368930.04183315.252.52-0.412-0.4089-0.4122-0.4082-0.4132-0.4101-0.410770.0445515.52.77-0.4571-0.4533-0.4576-0.4531-0.4567-0.4541-0.455320.0443515.753.02-0.4998-0.4986-0.5017-0.4981-0.5003-0.

41、4995-0.499670.045933163.27-0.548-0.544-0.5469-0.5426-0.5464-0.5457-0.54560.04603316.253.52-0.5924-0.5905-0.5928-0.5898-0.5937-0.5906-0.591630.045916.53.77-0.6383-0.6366-0.639-0.6363-0.6379-0.6371-0.637530.04853316.754.02-0.6865-0.6856-0.6862-0.685-0.687-0.6861-0.686070.04925174.27-0.7358-0.734-0.737

42、3-0.7332-0.7369-0.7347-0.735320.05091717.254.52-0.7898-0.7848-0.7872-0.7818-0.7892-0.7846-0.786230.05151717.54.77-0.8398-0.8369-0.8392-0.8354-0.839-0.8362-0.837750.05317.755.02-0.8913-0.8891-0.8922-0.8881-0.8916-0.8922-0.890750.054867185.27-0.9463-0.9439-0.9476-0.9437-0.947-0.9452-0.945620.05601718.255.52-1.002-1.0006-1.0025-1-1.0023-1.0024-1.001630.05791718.55.77-1.0604-1.0587