LVDT线性位移传感器数据检测技术

LVDT线性位移传感器数据检测技术

及测控电路课程设计姓名：学号：班级：测控09-3班学校：哈尔滨理工大学第一章一、设计目的1、 根据LVDT线性位移传感器的工作原理，设计差动变压器电感式位移传感器（包括传感器参数设计和架构设计）。2、 学习集成芯片AD698工作原理以及与LVDT的连接的应用。3、 学习分析设计电路、AltiumDesigner绘制原理图及PCB图。4、 学习焊接电路板并完成电路板的调试。5、 了解传感器标定方法，并计算传感器的相关参数。6、 运用所学习的理论知识解决实际问题。第二章

、原始数据及技术要求1、 最大输入位移为1cm；2、 灵敏度不小于1v/mm；3、 非线性误差不大于10%4、 电源为直流30v;传感器原理设计2-1．差动变压器的工作原理因为差动输出电动势为q因为差动输出电动势为q二加7](M]-M)二j叫AM二f(AM)所以差动变压器输出电动势为两副边线圈互感之差AM的函数。2-2．螺管型差动变压器的结构设计螺管型差动变压器结构复杂，常用二段式、三段式、一节式的灵敏度高，但三节式的零点较好，如图一所示为三种形式的示意图。ei二节式e一节式图一差动变压器的结构形式二YL二Y二二=U二二ei二节式e一节式图一差动变压器的结构形式二YL二Y二二=U二二2L一一一一-.二-二ee三节式2-3．螺管型差动变压器的参数计算激磁绕组长度的确定通常是在给定非线性误差y及最大动态范围Al的条件下来确定max值b，即

联立以上各式解得r=_kAl联立以上各式解得r=_kAl22Al=Almaxmax取Al=1cm，则缘边线圈长度b=2.24cm,k=997max 2衔铁的长度i的确定c由结构图二的几何尺寸关系可知，铁芯的长度为l=l+2d+b+1c12式中l、l—衔铁在两个副边绕组m中的长度；12d--初次线圈间骨架厚度；b--原边线圈的长度；m--两副边绕组长度；初始状态时有l=l=l，则衔铁的长度由图二的几何尺寸有120l=l+2d+b+1=2(l+d)+bc000设计时，一般取l=b，故有l=3b+2d，通常取d<<b，贝U0cl=3bc由一中式求得为b=2.24cm，求得为l=6.72cm。c副边线圈长度的确定设：①衔铁插入到两个副边绕组的长度分别为l、l，且在初始状态时:12l=l=l；120

②最大动态范围M为已知给定值。则m二l+A1+5应该成立，才max0max能保证衔铁工作时不会超出线圈以外。一般取l二b，则0m=b+Al+5max式中，5—保证在最大动态范围Al时衔铁仍不会超出线圈之外的max保险余量。一般取5=2mm〜10mm，在b值较小时，5值可取大一些。此处取为5=10mm，求得m=3.34cm。经验数据一般衔铁长度l与衔铁半径r之比可取为ccl/r=20c'c骨架外径R与内径r之比可取为Rr=2~8在设计骨架内径r与衔铁半径r应尽量取得相近，即r〜r，这样可cc简化计算工作量。由为l=6.72，求得为r=0.336cm，R为0.672cm(取R/r=2)。cc(a)cc(a)三段式螺管差动变压器式结构磁通分布原边与副边绕组匝数的确定由6中式可知：当安匝数IN增加时，可使灵敏度S增加，但IN的1M1增加将受到线圈导线允许电流密度、导线散热面积以及磁饱和等因素的限制。下面利用这二个条件来确定N和N。121）按允许的电流密度计算安匝数由电流密度的定义和窗口面积容纳线圈的约束条件，有以下各式成立：J一—gqV<Qkq<—i〔N故得联立上述两式解得故得IN<jQkgc式中，j--电流密度，取3X106A/m2gq——导线截面积；Q--骨架窗口截面积；k--填充系数，(k=0.3~0.7，取0.5)；ccQ=(R—r)Xb=0.75264cm2c求得IN=1.12896X102A~113A；由式可见，Q增大，IN数增加，但受几何尺寸限制。2）按线圈发热计算in值因为线圈有铜损耗电阻，所以要消耗一定的功率而转换为热量，为了保证线圈不被烧坏，必须满足以下条件。设：S为每瓦功率所需要的散热面积，S为线圈外表散热面积,n0则应满足S>P-S=12RS0 n cnl<R=p-cp-NccqAk—c_cN联立上述各式，解得AkS cc~0—p•/•Sccpn式中p--导线电阻率，取铜导线在室温下的电阻率，为cO.O1780・mm2/ml—每匝平均长度，求得为3.167cmcp取K=0.5,s=9.458cm2,s=10X10-4m?/w；c 0 nA=0.75264cm2.c求得IN2W1.99957X105A?代入求得INW447A由式可知：要使IN增加，则必使q和S增大，同时使1减小,0 cp所以决定了传感器为细长形状的结构。3）按磁饱和计算安匝数因为磁路中由激磁电流确定的磁通量为所以得IN=B•A•Rm为使工作在磁化曲线的线性段，需要满足一下条件：IN<B-A-RcM式中 Bc--基本磁化曲线饱和点的磁感应强度；材料为坡莫合金，取B=0.5T；cA--导磁体截面积；计算得4.52cm2；R―材料磁阻，计算为6.398x103/H；M求得IN为1.445X103A；综合三者，取最小值为IN=113a,工程设计时，常利用式式和式三个公式，采用试探法来确定值，其步骤如下：先由式计算出一个IN值®将计算出的IN值代入式和式中进行验算，经过反复修正后得到满意的IN值。①再由N二QK£，算出N值，从而得到的I值（/二ZN=/计）。c'4）确定导线的直径d选用QZ型高强度漆包线，取线径d=0.24mm；Q=（R—r）Xb=0.75264cm2c导线截面积e=0.00045cm2N=837，I=0.135A；5）差动变压器变压比的确定若使次级绕组N增加，将会造成零漂移且电阻增加造成铜损增大，2并易受到干扰。因此，一般设计时，当初级线圈的匝数为N=500匝~1500匝时，常1取N/N=1~3。21N=837，取N/N二1，求的N=8731212灵敏度的确定灵敏度为 S=8fINiNf2M 3m-bln-r取激励电压频率f=500HZ,坡莫合金lj50u=4piX10-7H/m。则S=481v/m=0.481v/mm;M初级线圈电阻、电感的确定lR=p-cp・Npcqp二0.01780・mm2/m,q=0.00045cm2,1=3.i67cm;N=837c cpR=10.5Qp卩N2AL=〒L=0.4646mH;激磁电压频率的选定电源电压的频率会影响到灵敏度铁损和耦合电容以及线圈阻抗的损耗等。其结果都将影响输出电压的大小，所以对电源频率的选择也是一个非常重要的参数，由于上述原因，电源频率需要根据频率特性来选取。在忽略传感器的涡流损失，铁损失和耦合电容等影响，其等效电路如图三所示。RRLML-si--RRLML-si--M图二差动变压器式传感器等效电路设：①E、•—初级线圈激磁电压及电流；pL、R—初级线圈电感及电阻1pM、M—初级与次级线圈间互感12L、L、R、R—次级线圈的电感与电阻值s1s2 s1s2◎g—两个次级差动电势0由等效电路有以下各式成立：R+joLTOC\o"1-5"\h\zp 1<E=—joMIsi 1E=—joM7si 2E二E—E0 si s2联立以上各式解得：』—jo(M—M)EE二 丄2p0R+joLpi令AM=M-M，则上式变为i2E=—jo p AM0R+joLpi由此式可知OE0f(M)f()，即增加，E也增加0 1 M常数 0当LR时，则EEM/L，此时E输出与频率无关i p 0 p ?i 0当超出某一值(取决于衔铁材料)，则集肤效应增加，使铁损等增大，E输出减小而使灵敏度SE：ME减小。0^1④灵敏度与2f间特性曲线如图四所示，其灵敏度为E―0E―0E—p由图四知电源频率应选在曲线中间平坦区域，保证频率无变化时电压保持不变。根据铁芯使用的磁性材料来确定最高频率，以保证灵敏度不会变，这样既可以放宽对频率稳定性的要求，又可以在一定能够电压下减小磁通或安匝数。从而减小传感器的尺寸。由EES42f—MM ：'R2(L)2p 1E=2v2-4．差动变压器的误差非线性误差差动螺线管式的输出电压为U二kAl(1-kAl2)212若略去二次项，则得U'二kAl21则非线性误差为|U-U'|Y= 2 2X100%=U'2|kAl(1-kAl2)-kAl|+ 2 +X100%=kAl1maxTOC\o"1-5"\h\z|-klAl3 |—maxx100%=kAl2x100%kAl 2max1maxk=997,Al=0.01m,求得丫=9.97%,符合要求。2 max电源幅值和频率稳定度造成的误差由式有E=-j① p AM二f(AM)0 R+j①Lp1式中E--电源电压，E-Esinwt。p pmw=2吋所以E=f(E,f,AM)，当有AE、Af时，输出电压0mmE=f(AE,Af,AM)，所以电源电压幅值的变化AE和频率的变化0mmAf将对E有影响。因此,设计时,要采取稳压,稳频措施。差动变压器可采用的频率f=50Hz~1MHz,最常用的频率f=400Hz〜10kHz。且电源频率f>10f，才能正常工作。在电源信频率较低时选用恒流源做激励电源,可消温度误差等影响。

温度误差1.温度变化将使传感器的结构尺寸参数变化，而引起灵敏度变化。8fINNb8fINNb21Rr—3m・blnr=f(N,Nb,m,R,r，…)=12f([N(At),N(At),b(At),m(At),R(At),r(At),…])二12f(NN,b,m,R,r,・・・)+f(At)1122式中：f(At)就是由于温度变化At而造成的灵敏度误差，具体计算方法见电阻应变片温度误差分析方法。2.温度变化引起线圈电阻变化造成的输出电压误差。一般铜导线电阻温度系数为+0.4%/迄，当温度变化At(°C)时,使初级线圈铜电阻变化AR，则由此引起输出电压变化的相1对值为AE ARR0.004Ao=ii= AtE 1+①LR1+①LR01111由式可知：1.在低频工作时，线圈的品质因数Q=oL/R，所以o频率减小将使Q值减小，误差增大，为使Q值不变必须使L增加而且R减小,才能使误差保持不变。2.可采用补偿电路和恒流源电源等方法减小温度误差，如图所示。

R(a)R(a)图五温度补偿电路图所示为使用稳压源时，可在初级回路中串联一个高阻值的降压电阻R，使激励电流近似不变或用热敏电阻R进TT行温度补偿，这是由于激励回路中R//R，贝U，TiTOC\o"1-5"\h\zRRR R并R+R1+RRTi iT当取R/R<<1时，有R沁R，而R=Re-T，所以增大则RiT 并i TT0 T减小，但R增大，若能满足，即，适当选择，两者可相互i抵消，使，从而使回路电流保持不变，使温度误差得到补偿。差动变压器一般使用温度可达801，特殊设计可也使用到1501。电磁吸力误差差动变压器的衔铁工作在磁场中，在各个不同的位置上都要受到电磁吸力，其大小为dLF=12Pepdx式中F--作用域衔铁的轴向吸力eI--初级线圈激励电流L--初级线圈电感值px--衔铁位移量当衔铁运动时，若位移X增加，则L减小，而使dLdx为负值,p P'这就表明当衔铁离开零点位置，受到电磁力F是将其拉回零位e的吸力。图所示为差动变压器衔铁受到的电磁力与其位移的关系曲线。由曲线可知：电磁力F随位移x增大而增加，他是一个变化力。e由可知：减小激励电流I可使x显著减小，但由式知灵敏度也要降低埋在不减小灵敏度的前提下，欲减小电磁力x，只有适当降低输入电压而提高其频率来达到的x减小。零位误差1） 零位误差指当输入为0时,其输出电压e丰0，如图所示，即存在值口0。图五电磁力特性曲线2UscU一图五电磁力特性曲线2UscU一—0图六差动变压器理想输出特性曲线（曲线1）与实际输出特性（曲线2）由式有E