课程设计差动变压器位移传感器

         ------差动变压器位移传感器的基本知识介绍

     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。

     关键字：相敏检波 转换电路 差动变压器

第1章 螺线管式差动变压器传感器---------------------3

     1）工作原理-------------------------------------------3

     2)特性分析---------------------------------------------4

第二章 差动变压器的测量电路---------------------- ---5

    1）差动整流电路及其仿真--------------------------5

    2）相敏检波电路及其仿真--------------------------7

    3）零点残余误差补偿--------------------------- ----9

第三章 差动变压器的改进-------------------------------10

    1)接放大器---------------------------------------------10

    2)接低通滤波器---------------------------------------11

第四章 设计总结------------------------------------- -----13

       参考文献------------------------------------- -----13

     第一章 螺线管式差动变压器传感器

差动变压器式传感器简介

 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。

 差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，下图为差动变压器的结构示意图。在非电量测量中， 应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点

 1. 工作原理

 图中，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Ma≠Mb，两次级绕组的互感电势Es1≠Es2，输出电压Es=Es1-Es2≠0，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。

 差动变压器等效电路 差动变压器的输出特性曲线

   第二章 差动变压器的测量电路及其仿真

 差动变压器输出的是交流电压，若要用交流模拟或者数字电压表测量，只能反映铁芯位移的大小，不能反映移动的方向。另外其测量值必定含有零点残余电压。为了达到能判别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际应用中，常采用的测量电路主要有差动整流电路和相敏检波电路。一般经过相敏检波和差动整流输出地信号，还需经过低通滤波电路，把调制时引入的高频信号滤掉，只让铁芯运动产生的有用信号通过。

1）差动整流电路

  衔铁向上运动转换电路及仿真图

 根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“＋”，e点为“–”，则电流路径是fgdche。反之，如f点为“–”，e点为“＋”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。

衔铁向下运动转换电路及仿真图

2）相敏检波电路

    相敏检波器的电路原理如图所示。它由四个特性相同的二极管~沿同一方向串联成一个桥式电路，各桥臂上通过附加电阻将电桥预调平衡。比较电压Ek与差动变压器输出电压具有相同的频率。经过相敏检波电路调理后，其直流输出电压信号的极性反映铁芯位移的方向。

衔铁向下运动转换电路及仿真图

衔铁向上运动转换电路及其仿真图

3）零点残余误差补偿

 （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2，从而消除了零点残余电压。

采用补偿线路

      第三章差动变压器位移传感器的改进

1)差动电压接放大器电路及其仿真

2）整流信号接滤波电路

低通滤波器容许低频信号通过，但减弱或减小频率高于截止频率的信号的通过。RC滤波器具有电路简单、抗干扰性能强，有较强的低频性能，电阻、电容元件标准、易于选择的特点。因此，在测试系统中，选用一阶RC低通滤波器。

滤波电路图

整流信号接滤波电路

由RC低通滤波截至频率f=1/2RC*3.14

可计算得截至频率为1000/2*2.5*3.14=Hz

故该滤波器可将高频干扰信号滤掉，而且不影响有用信号。

 第四章  设计总结

    在为期2周的课程设计中，我受益匪浅，收获颇丰。

这次传感器课程设计我的题目是“差动变压器位移传感器”，从理论设计方案及论证到传感器结构设计、理论分析、参数计算，测量电路设计、分析、参数计算，再到传感器的静态、动态性能实验的测试分析、实验设计，使我对传感器知识有了更深一层的理解和掌握，尤其是带有相敏检波电路的差动式传感器，对其中差动电桥、运算放大器、相敏检波器、低通滤波器的结构原理及参数选择有了更进一步的了解。这些都培养了我工作、动脑思考、动手操作、认真严谨、一丝不苟的好习惯，锻炼并提升了我的实际操作能力，使我所学的理论知识有了实用的价值，得以与实践操作充分结合。在设计过程中，我遇到了不少困难，但通过请教老师同学、仔细分析理解，都逐一得到了解决。我发现只有细心、耐心、恒心才能将事情做好，设计方案中一个小小的数字错误，简单的一个器件的选择错误，都有可能对设计方案造成巨大的影响。我还意识到我的实验能力有所不足，在理论上也有很多的缺陷。所以，在以后的学习生活中，我需要更努力地学习理论知识，同时注重理论和实践的结合。