lvdt線性位移傳感器地設(shè)計

1、<p>　　LVDT線性位移傳感器的設(shè)計</p><p><b>　　一、引言 </b></p><p>　　差動變壓器式傳感器的特點是靈敏度高、分辨力大，能測出0.1um更小的機械位移變化;傳感器的輸出信號強，有利于信號的傳輸；重復(fù)性好，在一定位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度好，并且比較穩(wěn)定，因此廣泛應(yīng)用于壓力、位移傳感器的設(shè)計制造中，尤其在航空、航天等環(huán)境惡

2、劣、環(huán)境溫度高的壓力測量方面，也得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　二、方案論證</b></p><p><b>　　1.參數(shù)要求</b></p><p>　　給定原始數(shù)據(jù)及技術(shù)要求</p><p>　　1）.最大輸入位移為100mm</p><p>　　2）靈敏

3、度不小于80V/m</p><p>　　3）非線性誤差不大于10%</p><p>　　4）零位誤差不大于1mv</p><p>　　5）.電源為9v，400HZ</p><p>　　6）.最大尺寸結(jié)構(gòu)為160mmX21mm</p><p><b>　　2.方案討論</b></p>

4、<p>　　根據(jù)給定技術(shù)要求選擇電感變換元件的類型及測量電路的形式，如圖1所示</p><p>　　圖1、傳感器的組成框圖</p><p>　　1）傳感器電感變換元件類型的選擇</p><p>　　（1）測量范圍小，如位移從零點幾微米至數(shù)百微米，且當線性范圍也小時，常用E形或II形平膜硅鋼片疊成的電感式傳感器或差動變壓器。</p><p

5、>　　(2) 螺線管，常用于測量1mm以上至數(shù)百毫米的大位移，其線性范圍也較大。</p><p><b>　　2）測量電路的選擇</b></p><p>　　測量電路主要依據(jù)選定的電感變換器的種類、用途、靈敏度、精度及輸出形式等技術(shù)要求來確定。</p><p>　　3.螺管型差動變壓器的工作原理</p><p>

6、　　差動輸出電動勢為 E = jωI1(M1-M2) = jωI1ΔM = fΔM</p><p>　　所以,差動變壓器輸出電動勢為兩副邊線圈互感之差ΔM的函數(shù)。</p><p>　　螺管型差動變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常用二節(jié)式、三節(jié)式、一節(jié)式的靈敏度高，但三節(jié)式的零點較好。</p><p>　　差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。這種類型的傳感器主要包括有銜鐵、一

7、次繞組和二次繞組等。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。圖2為三節(jié)式螺管型差動變壓器的示意圖。</p><p>　　圖2 三節(jié)式差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　三．螺管型差動變壓器的參數(shù)計算</p><

8、p>　　現(xiàn)以三節(jié)式螺管型差動變壓器式傳感器為例來說明參數(shù)的設(shè)計計算方法，其結(jié)構(gòu)如圖3。由推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型可知：所推導(dǎo)處的各種公式是設(shè)計螺管型差動變壓器式傳感器的主要依據(jù)。</p><p>　　1.激磁繞組長度的確定</p><p>　　通常是在給定非線性誤差γ及最大動態(tài)范圍ΔlMAX的條件下來確定值b，即</p><p><b>　　聯(lián)立以上各式解得&

9、lt;/b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　2.銜鐵的長度的確定</p><p>　　由結(jié)構(gòu)圖3的幾何尺寸關(guān)系可知，鐵芯的長度為：</p><p>　　式中、l1,l2 --銜鐵在兩個副邊繞組m中的長度；</p><p>　　d--初次線圈間骨架厚度；&

10、lt;/p><p>　　b--原邊線圈的長度；</p><p>　　m--兩副邊繞組長度。</p><p>　　初始狀態(tài)時有l(wèi)1=l2=l0，則銜鐵的長度由圖3的幾何尺寸有</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　設(shè)計時，一般取l0=b，故有l(wèi)c=3b+2d，通常取d＜＜b

11、，則</p><p><b>　　lc=3b</b></p><p>　　由式（3-1）求得為b=2.24cm，求得為lc=6.72cm。</p><p>　　3.副邊線圈長度的確定</p><p>　　設(shè)：（1）銜鐵插入到兩個副邊繞組的長度分別為l1、l2，</p><p>　　且在初始狀態(tài)時：

12、l1=l2=l0； </p><p>　?。?）最大動態(tài)范圍ΔlMAX為已知給定值。則應(yīng)該成立，才能保證銜鐵工作時不會超出線圈以外。一般取l0=b，則</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　式中，δ—保證在最大動態(tài)范圍ΔlMAX時銜鐵仍不會超出線圈之外的保險余量。一般取δ=2～10mm ，在b值較小時，δ值可取

13、大一些。</p><p>　　此處取為δ=10mm，求得m=5.85mm。</p><p><b>　　4.經(jīng)驗數(shù)據(jù)</b></p><p>　　一般銜鐵長度lc與銜鐵半徑rc之比可取為</p><p>　　骨架外徑R與內(nèi)徑r之比可取為</p><p>　　R / r = 2～8</p>

14、;<p>　　在設(shè)計骨架內(nèi)徑r與銜鐵半徑rc應(yīng)盡量取得相近，即r=rc，這樣可簡化計算工作量。</p><p>　　由為lc=10.05，求得為rc=0.5cm，R為1cm（取R / r = 2）。</p><p>　　圖3、螺管差動變壓器式結(jié)構(gòu)以及磁場分布圖</p><p>　　5.激磁電壓頻率的選定</p><p>　　電源

15、電壓的頻率會影響到靈敏度鐵損和耦合電容以及線圈阻抗的損耗等。其結(jié)果都將影響輸出電壓的大小，所以對電源頻率的選擇也是一個非常重要的參數(shù)，由于上述原因，電源頻率需要根據(jù)頻率特性來選取。 </p><p>　　在忽略傳感器的渦流損失，鐵損失和耦合電容等影響，其等效電路如圖4

16、所示。</p><p>　　圖4、差動變壓器式傳感器等效電路</p><p><b>　　設(shè)：</b></p><p>　　1. Ep、I--初級線圈激磁電壓及電流；</p><p>　　2. L1、Rp--初級線圈電感及電阻</p><p>　　3.M1、M2--初級與次級線圈間互感</p

17、><p>　　4. Ls1、Ls2、Rs1、Rs2--次級線圈的電感與電阻值</p><p>　　5. E0 --兩個次級差動電勢</p><p>　　由等效電路有以下各式成立：</p><p>　　聯(lián)立以上各式 解得：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p

18、>　　令 ，則上式變?yōu)?</p><p>　　由此式（3-4）可知</p><p>　　1. ，即ω增加，也增加</p><p>　　2.當時，則，此時輸出與頻率無關(guān)</p><p>　　3.當ω超出某一值（取決于銜鐵材料），則集膚效應(yīng)增加，使鐵損等增大，輸出減小而使靈敏度 減小。</p><p>　　4

19、.靈敏度與間特性曲線如圖5所示，其靈敏度為</p><p>　　圖5、激磁電壓頻率與靈敏度關(guān)系曲線</p><p><b>　　由圖5知</b></p><p>　　1電源頻率應(yīng)選在曲線中間平坦區(qū)域，保證頻率變化時電壓保持不變。</p><p>　　2根據(jù)鐵芯使用的磁性材料來確定最高頻率，以保證靈敏度不會變，這樣既可以放

20、</p><p>　　寬對頻率穩(wěn)定性的要求，又可以在一定電壓下減小磁通或安匝數(shù)。從而減小傳感器的尺寸。</p><p><b>　　6.靈敏度的確定</b></p><p>　　靈敏度為 （3-5）</p><p>　　7.原邊與副邊繞組匝數(shù)的確定</p><p>

21、　　由式(3-5)可知：當安匝數(shù)IN1增加時，可使靈敏度SM增加，但IN1的增加將受到線圈導(dǎo)線允許電流密度、導(dǎo)線散熱面積以及磁飽和等因素的限制。下面利用這三個條件來確定N1和N2。</p><p>　　1）按允許的電流密度計算安匝數(shù)</p><p>　　由電流密度的定義和窗口面積容納線圈的約束條件，有以下各式成立：</p><p><b>　　聯(lián)立上述兩

22、式解得</b></p><p>　　故得 （3-6）</p><p>　　式中， jg--電流密度，??；</p><p><b>　　q--導(dǎo)線截面積；</b></p><p>　　Q--骨架窗口截面積；</p><p>　　kc--填充系數(shù)，；</p>&l

23、t;p>　　又Q=7.525cm2 求得 .</p><p>　　由式（3-6）可見，Q增大，IN數(shù)增加，但受幾何尺寸限制。</p><p>　　2）按線圈發(fā)熱計算IN值</p><p>　　因為線圈有銅損耗電阻，所以要消耗一定的功率而轉(zhuǎn)換為熱量，為了保證線圈不被燒壞，必須滿足以下條件。</p><p>　　設(shè)：為每瓦功率所需要的

24、散熱面積，為線圈外表散熱面積，則應(yīng)滿足</p><p><b>　　聯(lián)立上述各式，解得</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中--導(dǎo)線電阻率，取銅導(dǎo)線在室溫下的電阻率，為</p><p>　　--每匝平均長度，求得為4.7124cm</p>&

25、lt;p><b>　　取</b></p><p>　　求得 ，代入求得IN≤356</p><p>　　由式（3-7）可知：要使IN增加，則必使Q和So增大，同時使減小，所以決定了傳感器為細長形狀的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3）按磁飽和計算安匝數(shù)</p><p>　　因為磁路中由激磁電流確定的磁通量為</

26、p><p>　　所以得 （3-8）</p><p>　　為使工作在磁化曲線的線性段，需要滿足一下條件：</p><p>　　式中 Bc-基本磁化曲線飽和點的磁感應(yīng)強度；材料為坡莫合金，取;</p><p>　　A--導(dǎo)磁體截面積；計算得10.05cm；</p><p>　　RM--材料磁阻，計算為 ;&l

27、t;/p><p><b>　　求得IN為; 。</b></p><p>　　綜合三者，取最小值為IN=356A</p><p>　　工程設(shè)計時，常利用式（3-6）式（3-7）和式（3-8）三個公式，采用試探法來確定值，其步驟如下：</p><p>　　1.先由式計算出一個IN值</p><p>　　2

28、.將計算出的IN值代入式（3-7）和式（3-8）中進行驗算，經(jīng)過反復(fù)修正后得到滿意的IN值。</p><p>　　3.再由，算出N值，從而得到的I值（）。</p><p><b>　　取;</b></p><p>　　8.差動變壓器變壓比的確定</p><p><b>　　由式（3-5）得，</b>

29、</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　若使次級繞組增加，將會造成零漂移且電阻增加造成銅損增大，并易受到干擾。因此，一般設(shè)計時，當初級線圈的匝數(shù)為N1=500匝~1500匝時，常取。要求；</p><p><b>　　求得;取</b></p><p>　　N1=8275

30、; N2=16548</p><p><b>　　四、測量電路的設(shè)計</b></p><p>　　測量電路的功能是對傳感器的輸出信號進行處理，差動變壓器型位移傳感器的測量通常采用AD698芯片進行采集處理。</p><p>　　AD698與LVDT配合，能夠高精確和高再現(xiàn)性地將LVDT的機械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698具有所有

31、必不可少的電路功能，只要增加幾個外接元源元件來確定激磁頻率和增益，就能把LVDT的次級輸出信號按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號。</p><p>　　1. AD698的特點</p><p>　　（1）AD698提供了用單片電路來調(diào)理LVDT信號的完整解決方案，它含有內(nèi)部晶振和參考電壓源，只需附加極少量的無源元件就可實現(xiàn)位置的機械變量到直流電壓的轉(zhuǎn)換，并且無需校準。其單極性或雙極性直流電壓輸出正比于L

32、VDT的位移變化。</p><p>　?。?）驅(qū)動LVDT的激磁信號頻率為20Hz～20kHz，它取決取于AD698的一個外接電容器。AD698的輸出電壓有效值達24V，能夠直接驅(qū)動LVDT的初級激磁線圈，LVDT的次級輸出電壓有效值可以低于100mV。</p><p>　?。?）振蕩器的幅值隨溫度變化不會影響電路的整體性能。AD698采用比率譯碼方案，即通過計算次級電壓與初級電壓的比率來

33、確定LVDT的位置和方向，無需整定。</p><p>　　2 AD698的工作原理</p><p>　　2.1 AD698與LVDT的連接</p><p>　　LVDT是一種機械-電子傳感器，其輸入是磁芯的機械移動，輸出是與磁芯位置成正比的交流電壓信號。LVDT由一個初級線圈和二個次級線圈組成，初級線圈由外部參考正弦波信號源激勵，二個次級線圈反向串聯(lián)?；顒哟判镜囊苿?/p>

34、可改變初級線圈之間的耦合磁通，從而產(chǎn)生二個幅值不同的交流電壓信號。串聯(lián)次級線圈的輸出電壓隨著磁芯移離中心位置升高，通過測量輸出電壓的相位可以判斷磁芯移動的方向。AD698與LVDT連接的功能框圖如圖6所示。</p><p>　　圖6、AD698和LVDT連接圖</p><p>　　2.2 AD698的工作原理</p><p>　　AD698首先驅(qū)動LVDT，然后讀出

35、LVDT的輸出電壓并產(chǎn)生一個與磁芯位置成正比的直流電壓信號。AD698用一個正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器來驅(qū)動LVDT，并用二個同步解調(diào)級來對初級和次級電壓進行解碼，解碼器決定了輸出電壓與輸入驅(qū)動電壓的比率（A/B）。濾波級和放大器可按比較整輸出結(jié)果。</p><p>　　振蕩器中包含一個多諧振蕩器，該多諧振蕩器產(chǎn)生一個三角波，并驅(qū)動正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一個低失真的正弦波，正弦波的頻率和幅值由一個電阻器和一個電容器決

36、定。輸出頻率在20Hz～20kHz可調(diào)，輸出有效幅值在2V～24V可調(diào)?？傊C波失真的典型值是50dB。</p><p>　　AD698通過同步解調(diào)輸入幅值A(chǔ)（次級線圈側(cè)）和一個固定的參考輸入B（初級線圈側(cè)或固定輸入）。早期解決方案的共同問題是驅(qū)動振蕩器幅值的任何漂移都會直接導(dǎo)致輸出增益的錯誤。AD698通過計算LVDT輸出與輸入激勵的比率消除了所有的偏移影響，從而避免了這些錯誤。AD698不同于AD598型的LV

37、DT信號調(diào)理器，因為它實現(xiàn)了一個不同的電路傳遞函數(shù)，并且不要求LVDT次級線圈（A+B）是一個隨行程長度而定的常量。</p><p>　　AD698的輸入包括二個獨立的同步解調(diào)通道A和B。B通道用來監(jiān)測驅(qū)動LVDT的激勵信號，A通道的作用與之相同，但是它的比較器引腳是單獨引出來的。因為在LVDT處于零位的時候，A通道可能達到0V，所以A通道解調(diào)器通常由初級電壓（B通道）觸發(fā)。另外，可能還需要一個相位補償網(wǎng)絡(luò)給A通

38、道增加一個相位超前或滯后量，比此來補償LVDT初級對次級的相位偏移。</p><p>　　一旦二次通道信號被解調(diào)和濾波后，再通過一個除法電路來計算比率A/B，除法器的輸出是一個矩波信號。當A/B等于1時，矩形波的占空比為100%。輸出放大器測量500μA的參考電流并把它轉(zhuǎn)化成一個電壓值。當IREF=500μA時，其傳遞函數(shù)如下：</p><p>　　VOUT=×A/B×

39、R2</p><p>　　3 AD698的參數(shù)計算</p><p>　　AD698單電源供電時的外圍電路如圖7所示。</p><p>　　圖7、AD698測量電路圖</p><p>　　外部無源元件的參數(shù)設(shè)置包括激勵信號的頻率和有效幅值、AD698輸入信號的頻率和比例因子（V/inch）。</p><p>　　下面就以

40、最為常用的單電源供電方式為例，說明元器件選擇及其參數(shù)設(shè)置的主要步驟。</p><p>　?。?）選擇激勵信號頻率來決定C1</p><p>　　C1=35μFHz/。</p><p>　　（2）依據(jù)激勵信號的電壓幅值來決定VR1</p><p>　　通常根據(jù)下表確定VR1：</p><p>　?。?）C2、C3和C4是

41、根據(jù)AD698位移測量系統(tǒng)所要求帶寬fSUBSYSTEM的函數(shù)確定。原則上它們的電容值應(yīng)該相等，即：C2=C3=C4=FHz/fSUBSYSTEM。比如，系統(tǒng)要求帶寬為250Hz，則C2=C3=C4=FHz/250Hz=0.4。</p><p>　　(4)VR2用來設(shè)定AD698的增益和滿量程時的輸出范圍</p><p>　　計算VR2需要以下相關(guān)參數(shù)：</p><p&

42、gt;　　a. LVDT的敏感度S：它的值可以在生產(chǎn)廠家目錄手冊中查到，單位是V/V/mile，其物理意義是每英寸的位移每伏特的輸入對應(yīng)的電壓輸出伏特。</p><p>　　b. LVDT的磁芯從零位到滿量程的位移d。</p><p>　　在S和d確定后，VR2的計算公式如下：</p><p>　　R2=VOUT/（S×d×500μA）</

43、p><p>　　其中，VOUT是相對于參考信號（引腳21）的輸出。</p><p>　　（5）R3、R4可實現(xiàn)正、負輸出電壓補償調(diào)節(jié)。如果不需要補償調(diào)節(jié)，R3、R4應(yīng)被開路。其阻值可由下述公式推算得出：</p><p>　　Vos=1.2V×R2×{[1/(R3+2kΩ)-1/(R4+2kΩ)]}</p><p>　　其中Vo

44、s是正或負輸出電壓補償值。</p><p>　　五、數(shù)據(jù)采集與處理分析</p><p><b>　　1數(shù)據(jù)采集</b></p><p>　　通過對差動變壓器傳感器理論分析，得出位移量x與測量電路輸出電壓U近似成線性關(guān)系。于是采用MSP430F149低功耗型單片機進行AD電壓采集，并把采集處理后的信號通過串口發(fā)送到計算機進行顯示，具體框圖如下：&

45、lt;/p><p>　　圖8、數(shù)據(jù)采集及處理框圖</p><p>　　傳感器經(jīng)過測量電路得出的模擬信號接到單片機，單片機經(jīng)過AD電壓采集處理，通過串口傳給計算機，利用VB便也界面（如圖9），人性化顯示數(shù)據(jù)結(jié)果。</p><p>　　圖9、VB數(shù)據(jù)采集窗口</p><p>　　通過上述方法采集的數(shù)據(jù)列表如下：</p><p>

46、;<b>　　正向采集</b></p><p><b>　　逆向采集</b></p><p><b>　　2.數(shù)據(jù)分析</b></p><p>　　通過MATLAB對上述數(shù)據(jù)進行擬合處理得出位移、電壓特性圖，如圖10所示。</p><p>　　圖10、位移x（mm）、電壓U（V

47、）特性圖</p><p>　　由圖4，對于差動變壓器，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互相同，因而由一次側(cè)激勵引起的感應(yīng)電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。</p><p>　　當銜鐵移向二次繞組Ls1一邊，這時互感M1大，M2小，因而二次繞組Ls1內(nèi)感應(yīng)電動勢大于二次繞組Ls2內(nèi)感應(yīng)電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的是量程內(nèi)，銜動移越大，差動輸出電動

48、勢就越大。</p><p>　　同樣道理，當銜鐵向二次繞組Ls2一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。</p><p>　　因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。</p><p><b>　　3.實驗小結(jié)</b></p><p>　　通過此次課程設(shè)計，我

49、們設(shè)計了LVDT線性位移傳感器，并將其與AD698芯片設(shè)計的電路連接，設(shè)計制作了一個線性位移傳感器。通過此次設(shè)計，我學(xué)到了三節(jié)式螺線管以及AD698芯片的相關(guān)知識;了解了傳感器從設(shè)計、制作、焊接再到標定的全過程;鍛煉了自己的動手實踐能力及對各種軟件、硬件的應(yīng)用能力以及團隊協(xié)作的能力。這次實踐也讓我認識到了自己在實踐方面的欠缺（在焊接過程中出現(xiàn)一些小錯誤，盡管不影響測試，但也添加了不少麻煩，得到了教訓(xùn)），并讓我在今后的學(xué)習(xí)中有所注重。&l

50、t;/p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉迎春、葉湘濱《傳感器原理設(shè)計與應(yīng)用》 國防科技大學(xué)出版社，2002：117-123</p><p>　　[2] 單成詳《傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用》 國防工業(yè)出版社，1999：185-206</p><p>　　[3] 強錫富 《傳感器》