LVDT设计方案

1、LVDT设计方案1、LVDT等效电路 （1） （2） （3） （4）由式（1-4）可得： （5）其有效值为： （6）为初级线圈激励电压；初级线圈有效电阻；初级线圈电感; 初级线圈与次级线圈1间互感；初级线圈与次级线圈2互感；次级线圈1感生电动势；次级线圈2感生电动势；空载时次级线圈合成感生电动势；初级励磁电流；有效值；激磁电压频率；衔铁向次级线圈1一边移动时： （7） （8）输出阻抗： （9）阻抗模为： （10）为衔铁处于中间平衡位置时初次级线圈间互感；衔铁处于中间平衡位置时，单个次级线圈的感生电势；次级线圈1有效电阻；次级线圈1电感；次级线圈2有效电阻；次级线圈2电感。2、螺管型差动变压器输

2、出特性螺管型差动变压器按绕组排列方式有一节式；两节式；三节式等，一节式灵敏度较高，三节式零点误差较小。其主要结构由三部分组成：线圈绕组、可移动衔铁、导磁外壳。线圈绕组由初、次级绕组和骨架组成。三节式输出特性： （11） （12） （13） （14） （15） （16） （17） （18）初级线圈长度；一个次级线圈长度；初级线圈匝数；次级线圈匝数；螺管线圈内径；螺管线圈外径；衔铁长度；衔铁进入次级线圈1内的长度；衔铁进入次级线圈2中长度；衔铁左端面到初级线圈左1端长度；衔铁右端面到初级线圈2右端面的长度；次级线圈1以中磁感应强度；次级线圈2磁感应强度；初级激励电流；为衔铁位移量；为在中间平衡位置

3、时，衔铁进入次级线圈内长度；时，传感器全长最小，假定最大位移时衔铁不露出次级线圈，忽略，可得： （19）有上述公式可得三节式差动变压器相关结构尺寸为：初级线圈长度： （20）次级线圈长度： （21）衔铁长度： （22）两段式差动变压器输出特性：原边绕组建立磁场处于有损耗的均匀介质中的螺线管轴线中某点所产生磁感应强度为： （23）为介质磁导率，为单位螺线管长度上匝数，为螺线管电流，为螺线管半径，为螺线管长度，为由于介质损耗引起与 相位差。原边绕组中包含铁芯的那部分线圈近似地看作处于均匀铁磁介质中螺线管。穿过固定于铁芯中坐标截面磁通量为： （24）在贴心长度远大于直径时，铁心中磁感应强度可认为与无

4、关，假定铁芯向右移动了，有： （25）为铁芯半径，为铁芯材料导磁率，为单位长度原边绕组上匝数，为激磁电流，为原边绕组平均半径。两副边绕组单位长度上匝数为，副边绕组1和2所链磁通量及感应电动势分别为： （26） （27） （28） （29）两副边绕组反接串联总感应电动势为： （30）在副边绕组负载阻抗无限大时，输出电压为： （31） （32） （33） （34）线性化处理可得输出特性为： （35）由上述公式可得其灵敏度系数为： （36）非线性误差为： （37）有上述公式可得两段式差动变压器相关结构尺寸为：根据最大测量范围，原边绕组平均半径及误差，由上述公式可得铁芯长度，上述分析均设定铁芯移动时磁

5、场分布不变。根据实际情况中，铁芯端部与原边绕组端部相距小于时，铁芯移动对磁场分布影响不可忽视问题。原边绕组长度为： （38）3、差动变压器特性参数灵敏度从灵敏度公式中可得传感器结构对灵敏度的影响，在一定频率范围内，灵敏度随激励频率增加而提高。但高频时，由于涡流损耗、磁滞损耗等因素，灵敏度反而下降。当负载阻抗远大于差动变压器内阻时，粗选激励频率为： （20）出次级线圈匝数比；由式还可看出：灵敏度随次级线圈匝数增加而增加，并呈线性关系，但次级线圈匝数的增加同时使传感器体积和零点残余电压增加。此外，提高激励电压；提高线圈Q值；增大衔铁直径使其接近线圈绕组内侧，但不触及线圈骨架；选用导磁性能好、铁损小

6、、涡流损耗小的导磁材料等均可提高灵敏度。线性度及线性量程差动变压器计算输出特性为： （21）理想输出特性为： （22）其线性度为输出特性曲线和理想直线间最大偏差： （23）其线性度随测量位移增大而增大，满量程时最大。确定差动变压器，线性度为常量，差动变压器次级线圈两端部和外层结构是灵敏度下降、线性度变坏的重要原因。最佳线性度时激励频率因衔铁长度不同而不同，一般采用400HZ10KHZ。在满足一定线性度要求情况下，线性范围一般约为线圈骨架长度的1/101/4。激励频率差动变压器激励频率对其灵敏度、线性度及衔铁运动的可测信号频率等均有影响，因此选择合适激励频率对提高差动变压器性能有重要作用。激磁频

7、率选择至少大于衔铁运动频率10倍。一般在2KHZ内，此外激磁频率受到测量系统机械负载效应、灵敏度、输出电压、线性度、线性量程及输入输出电压相位差等参数影响，一般应综合和参数选出最佳激励频率。相位特性差动变压器次级电压相对初级电压一般存在一定相位差，其大小取决于差动变压器类型、激励频率、负载等因素。一般小型、激励频率低相位差较大；大型激励频率高相位差小。为使初、次级电压相位一致，可调整下式中或: （24）零位输出电压当差动变压器衔铁位于中间平衡位置时，对称的两个反向串接次级线圈差动输出电压出现偏差，不为零，通过调整难以消除该电压，通常将此电压成为零位输出电压。通过频谱谐波分析可得，零位输出电压主

8、要由基波和高次谐波组成。基波有同向分量和正交分量。高次谐波有偶次谐波、三次谐波和外界干扰引起的谐波，其中起主要作用的是三次谐波。零位输出电压使传感器输出特性在零位附近不灵敏，并带来测量误差。因此零位输出电压大小是差动变压器重要性能指标。零位输出电压主要产生原因：1、基波分量产生原因主要是次级绕组电气参数和几何尺寸的不对称引起两次级线圈感生电势幅值、相位不同，使零位输出电压中存在基波分量。2、高次谐波中三次谐波是由磁性材料磁化曲线非线性引起。磁路工作在磁化曲线非线性段时，激励电流产生磁通被削弱，这种削弱主要由基波和三次谐波组成，因此次级线圈零位输出电压中产生三次谐波。减小零位输出电压措施：1、尽

9、可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称，衔铁等重要部件的加工精度。2、选用导磁性能好的材料制作保护外壳。3、控制铁心最大工作磁感应强度，使其小于磁化曲线处对应值，使磁路工作在磁化曲线线性段，减小高次谐波。4、选用合适测量电路。5、采用补偿电路。LVDT设计方案性能参数：额定行程：10mm最大机械行程：13mm精度：0.5输出：0-5V工作电压：9-36V工作温度：-40-85根据上述差动变压器原理及结构特性，结合设计要求性能参数，本方案采用两段式差动变压器式结构。铁芯结构尺寸：根据最大测量范围，原边绕组平均半径及误差，由公式（37）可得铁芯长度。在衔铁运动不受阻的条件下尽量减少铁芯和

10、绕组间隙，以提高灵敏度，一般衔铁与骨架间隙为。可移动铁芯一般采用导磁性能良好的导磁材料，一般有工业纯铁、铁氧体、坡莫合金。激磁频率在500HZ以下时，一般采用工业纯铁；在50050KHZ间采用铁氧体或坡莫合金。线圈绕组结构尺寸：由公式（38）得初级线圈绕组长度。次级线圈绕组长度一般为初级线圈绕组长度一半。绕组线圈一半由高强度漆包线绕制，一般用3648号漆包线。依据初次、级线圈绕组相关参数设计合理骨架尺寸。骨架结构尺寸：骨架一般采用高频损耗小、膨胀系数小、抗潮湿性能好的绝缘材料制成，普通可采用胶木棒，要求高的可采用环氧玻璃钎维、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。骨架加工精度要求高，尺寸和形状要求严格对称。

11、导磁外壳作用为提供磁回路、磁屏蔽和机械保护，一般与可移动衔铁为相同材料。对于工作于高频的高精度差动变压器，一般选用坡莫合金材料。铁磁材料要经过适当热处理，去除应力，改善磁性能。线圈匝数：线圈匝数影响传感器灵敏度，初级线圈匝数和匝数比的增加都会使灵敏度提高。在给定窗口面积下，一般选用低电阻率、高强度细线，直径一般为0.040.16mm漆包线。由： （29） （30）为窗口填充系数，一般取0.30.7。窗口面积或螺管型差动变压器可利用空间根据技术条件中规定最大结构尺寸确定。初级线圈匝数确定后（一般取5001500匝），次级线圈匝数一般尽可能大，以提高灵敏度，综合匝数过大对零点输出电压影响，一般匝数

12、比取13。激励电流和激励电压：激励电压和电流提高有利于提高灵敏度，过大激励电压和电流将损害传感器或使绕组发热造成信号飘移，磁路饱和造成灵位误差增大。激励电流由允许电流密度： （31）为允许电流密度，一般取。线圈发热条件：线圈铜损电阻消耗功率转换成热量，每瓦消耗功率需一定散热面积以保证传感器正常工作。 （32） （33） （34）一般取，为线圈表面积。为保证良好散热条件，一般要求线圈细长结构，导线电阻率小。不引起磁路饱和条件：在满足式，在代入式验算试探以减小零位误差并确定激励电流。 （35）衔铁饱和磁感应强度；磁路截面积；磁路磁阻。根据下式确定激励电流： （36）外壳结构：外壳设计要求：有足够机

13、械强度，保证量程范围，保证必要窗口面积，应夹持方便，有利于散热，有良好磁、电屏蔽功能。信号处理电路：AD698作为一种完整的单片式线性位移差动变压器信号调节系统，能将LVDT的机械位置转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。其所有调理电路功能均集成在一块芯片上，只需增加几个外接无源元件，确定激励频率和输出电压幅值等即可实现对LVDT信号调理。其功能框图如下：AD698工作原理：AD698首先驱动LVDT，然后读出LVDT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用一个正弦波振荡器和功率放大器驱动LVDT，用两个同步解调级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

14、动电压比率，滤波器和放大器可按比例调整输出结果。振荡器产生一个三角波，驱动正弦波发生器产生一个低失真正弦波，其幅值和频率由一个电阻器和一个电容器决定。输出频率在2020KHZ可调，幅值224V可调。总谐波失真典型值为50dB。AD698通过同步解调输入幅值A（次级线圈侧）与一个固定参考输入B（初级线圈侧或规定输入）。通过计算输出与输入激励比率消除所有偏移影响。相比AD598，AD698不要求LVDT次级线圈（A+B）是随行程长度而定常量。两个通道信号被解调和滤波后，再通过一个除法电路计算比率A/B，输出一个矩形波型号，当A/B为1时，矩形波占空比为100.输出放大器测量参考电流并将其转化为电压值，表示如下： （37）单电源供电方式下无源器件选择及参数设置：（1）激励频率决定C1 C1=35uF HZ/f0 （38）（2）激励电压V1幅值决定R1一般情况下，V124V, 10R1100；12 VV124 V，0.1KR11K；5 VV112 V，1kR110k；0 VV15 V，10kR1100k。（3）C2 、C3、 C4为位置测量系统所要求带宽f1函数，其电容值一般相等。 C2 =C3= C