1、課程設計任務書分院(系)機械工程專業機械設計制造及其自動學生姓名陳雪松學號201207024134設計題目差動變壓器位移傳感器內谷及要求：(1)利用差動變壓器設計位移傳感器(2)利用給定的數據設計電路圖，并解釋清楚原理(3)根據設計的電路進行改進提高測量精度(4)測位移的傳感器用差動變壓器要求在課程設計報告中給出：1)簡述元器件裝置的結構和電路原理圖。2)調試過程，說明發現的向題及處理過程。3)系統調試并寫出測試結果。4)總結結論。進度安排：2014年11月10日一2012年12月5日根據設計要求和內容查閱參考文獻或資料，提出設計方案，進行原理設計。2014年12月6日一2014年12月20日

2、根據設計方案，進行調試，測試，撰寫課程設計報告。目錄1摘要22引言43,螺線管式差動變壓器傳感器41.1 差動變壓器式傳感器簡介41.2 工作原理4.差動變壓器的測量電路及其仿真6差動整流電路7相敏檢波電路：9零點殘余誤差補償13.差動變壓器位移傳感器的改進14差動電壓接放大器電路及其仿真14整流信號接濾波電路15.使用器件清單177總結171.摘要差動變壓器位移傳感器的基本知識介紹傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置。在有些學科領域，傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉換器等。通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被

3、測量的部分；轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號的部分。由于傳感器的輸出信號一般都很薄弱，因此需要有信號調理與轉換電路對其進行放大等。電感式傳感器是利用電磁感應原理，將被測非電量的變化轉換成線圈的自感或互感變化的機電轉換裝置。它也常用來檢測位移、振動、力、應變、流量、比重等物理量。電感式傳感器的種類很多。根據傳感器轉換原理不同，可分為自感式、互感式、渦流式、壓磁式和感應同步器等。根據結構形式不同，可分為氣隙式和螺管式兩種。根據改變的參數不同，又可分為變氣隙厚度式、變氣隙面積式、變鐵芯導磁率式三種。電感傳感器具有以下優點：結構簡單，工作可靠，壽命長；靈敏度

4、高，分辨率高；測量精度高，線性好；性能穩定，重復性好；輸出阻抗小，輸出功率大；抗干擾能力強，適合在惡劣環境中工作。電感傳感器的缺點是：頻率低，動態響應慢，不宜作快速動態測量；存在交流零位信號；要求附加電源的頻率和幅值的穩定度高；其靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，測量范圍越大，靈敏度越低。關鍵字：相敏檢波轉換電路差動變壓器2引言隨著社會科技進步，人們生活水平不斷提高，人們對生活的追求也在日新月異，在滿足人們需求的同時，對距離的測量也在提升，為了節省人力資源，傳感器是最佳選擇，它可以讓人們方便地測出兩地位移，并通過檢測技術來精確信息。而差動變壓器位移傳感器便能精確的測得位移。3.螺線管式差動變壓

5、器傳感器差動變壓器式傳感器簡介把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結構形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等，下圖為差動變壓器的結構示意圖。在非電量測量中，應用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優點工作原理圖1中，R琲口Lp分別為初級線圈的損耗電阻和自感，Rs1和Rs勸兩個次級線圈的電阻，Ls1和Ls2表示兩個次級線圈的自感，M洋口M2為初級線圈與兩個次級線圈的互感系數，Ep為加在初級線圈上的

6、激勵電壓，Es1和Es2為兩次級線圈上產生的感應電動勢，Es為Es1和Es2形成的差動輸出電壓。根據變壓器的工作原理，當在初級線圈上加上適當頻率的激勵電壓時，在兩個次級線圈上就會產生感應電動勢。若變壓器的結構完全對稱，當鐵心處于初始平衡位置時，差動變壓器輸出為0.當鐵心偏離平衡位置時，兩個次級線圈的互感系數發生極性相反的變化，互感M#Mb,兩次級繞組的互感電勢Es1正s2,輸出電壓Es=Es1-Es"Q即差動變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小使得差動變壓器輸出不為0,并且輸出電壓Es隨著鐵心偏離中心位置將逐漸加大。差動變壓器輸出電壓與鐵心位移成正比，即可根據電壓

7、大小可判斷位移大小。輸出特性曲線如圖2所示：圖1差動變壓器等效電路圖2差動變壓器的輸出特性曲線2.基本特性分析(1)輸出特性初級線圈的復數電流值為二_E尸衣尸+JcoLp輸出電壓工及ES1=AZ一M、$刈以-dt-dt【形式:將電流I嚴寫成復指則dip_j(ix-j-兒學="八聲w=-j%dt則輸出電壓為:Es=-W(M)/p=-j叭M-MQE士93/%(1)磁芯處于中間平衡位置時，互感此二叫=M,貝旭廣0:(2)磁芯上升時，此=M+AM,4=M-4M則E&=2twAAffip/Jr尸+(虹尸)(3)磁芯下降時，叫=M-AM,3=M+4M,則E§=2(oXfEp!J

8、.一+(gL尸產4.差動變壓器的測量電路及其仿真差動變壓器輸出的是交流電壓，若要用交流模擬或者數字電壓表測量，只能反映鐵芯位移的大小，不能反映移動的方向。另外其測量值必定含有零點殘余電壓。為了達到能判別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際應用中，常采用的測量電路主要有差動整流電路和相敏檢波電路。一般經過相敏檢波和差動整流輸出地信號，還需經過低通濾波電路，把調制時引入的高頻信號濾掉，只讓鐵芯運動產生的有用信號通過。差動整流電路根據半導體二級管單向導通原理進行解調的。如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，在f點為“+”，e點為，則電流路徑是fgdche。反之，如f點為，e點為“+”，則電流路

9、徑是ehdcgf。可見，無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個次級線圈的輸出情況。差分整流電路如圖4所示：銜鐵向上運動轉換電路及仿真圖如圖5和圖6所示:圖5銜鐵向上運動的轉換電路仿真波形如下:圖6銜鐵向上運動的仿真圖銜鐵向下運動的轉換電路及仿真波形如圖7和圖8所示:圖7銜鐵向下運動的轉換電路波形如下:LL.圖8銜鐵向下運動的仿真圖相敏檢波電路:在動態測量時，假定位移是正弦波，即z=Asinwt,則動態測量時，銜鐵在零位以上移動和零位以下移動時，二次繞組輸出電壓的相位發生180度的變化，因此判別相位的變化就可以判別位移的極性。相敏檢波電路正是通過鑒別相

10、位來辨別位移的方向，即差分變壓器輸出的調幅波經相敏檢波后，便能輸出既反映位移大小又反映位移極性的測量信號。相敏檢波器的電路原理如圖所示。它由四個特性相同的二極管D1D4&同一方向串聯成一個橋式電路，各橋臂上通過附加電阻將電橋預調平衡。比較電壓Ek與差動變壓器輸出電壓具有相同的頻率。經過相敏檢波電路調理后，其直流輸出電壓信號的極性反映鐵芯位移的方向。銜鐵向下運動的轉換電路及仿真波形如圖9和圖10所示：圖9銜鐵向下運動的轉換電路22E示漉器-XSC1nsikaR21k圖10銜鐵向下運動的仿真圖銜鐵向上運動的轉換電路及仿真波形如圖11和圖12所示:圖12銜鐵向上運動的仿真圖所以由以上仿真結果

11、可得：當銜鐵在零點以下移動時，不論載波是正半周還是負半周，在負載電阻上得到的電壓始終是負電壓；當銜鐵在零點以上移動時，不論載波是正半周還是負半周，負載電阻上得到的電壓始終是正電壓。所以差分變壓器經相敏檢波后，正位移輸出正電壓，負位移輸出負電壓，電壓值的大小表明位移的大小，電壓的正負表明位移的方向，因此原來的V字型輸出的特性曲線變成了過零點的一條直線，相敏檢波前后的輸出特性曲線如圖13和圖14所示：但是動態測量信號經相敏檢波后，輸出波形中仍含有高頻分量，因而必須通過低通濾波器濾除高頻分量取出被測信號，這樣鄉民檢波和低通濾波器電路互相配合，才能取出被測信號，即起了相敏解調的作用相敏檢波電路是具有鑒

12、別調制信號相位和選頻能力的檢波電路。包絡檢波有兩個問題：一是解調的主要過程是對調幅信號進行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調制信號的相位。第二，包絡檢波電路本身不具傳感器課程設計有區分不同載波頻率的信號的能力。對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復調制信號，這就是說它不具有鑒別信號的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。相敏檢波電路的選頻特性是指它對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞特性。以參考信號為基波，所有偶次諧波在載波信號的一個周期內平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號的幅值相應

13、衰減為基波的1/n,即信號的傳遞系數隨諧波次數增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用。如果輸入信號us為與參考信號uc（或Uc）同頻信號，但有一定相位差，這時輸出電壓uo=Usm/2cos爐，即輸出信號隨相位差步的余弦而變化。由于在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數關系，可以根據輸出信號的大小確定相位差的值，相敏檢波電路的這一特性稱為鑒相特性。零點殘余誤差補償圖15輸出特性曲線(1)零點殘余電壓，又稱為零位電壓。差動式變壓器傳感器的銜鐵處于中間平衡位置時輸出的微小電壓，如圖15所示。同時零點電壓的存在使得傳感器輸出特性在零點附近的范圍內不靈敏，限制了分辨力

14、的提高。零點殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至會使放大器飽和，堵塞有用信號通過，致使儀器不再反映被測量的變化。因此對零點殘余電壓認真分析找出減小的方法是很重要的。(2)消除零點殘余電壓方法：從設計和工藝上保證結構對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調節結構。其次，應選高磁導率、低矯頑力、低剩磁感應的導磁材料。并應經過熱處理，消除殘余應力，以提高磁性能的均勻性和穩定性。由高次諧波產生的因素可知，磁路工作點應選在磁化曲線的線性段。選用合適的測量線路采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除

15、掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2,從而消除了零點殘余電壓。采用補償線路如圖16所示:<sr?電位器調零點殘余電壓補償電路圖165.1差動電壓接放大器電路及其仿真電路及仿真如圖17和18所示：2RJ-cWCHHI5.差動變壓器位移傳感器的改進圖17差動電壓接放大器電路仿真如圖所示:4=-圖18差動電壓接放大器的仿真圖由原理圖和仿真圖可以看出，輸入信號經差分放大器之后波形幅度變大。5.2整流信號接濾波電路低通濾波器容許低頻信號通過，但減弱或減小頻率高于截止頻率的信號的通過。RC濾波器具有電路簡單、抗干擾性能強，有較強的低頻性能，電阻、電容元件標準、易于選擇的特點。因此

16、，在測試系統中，選用一階RC低通濾波器。濾波電路圖和仿真圖如圖19和圖20所示：圖20濾波電路圖的仿真圖將整流信號接濾波器后的電路圖如圖21所示：BYV27-5CO53luF-D4:.節：fi¥V?-50BYV27-5fl2r&07UIC3oc10帖£白圖21整流信號接濾波器后的電路圖由RC低通濾波截至頻率f=1/2RC*3.14可計算得截至頻率為1000/2*2.5*3.14=64Hz故該濾波器可將高頻干擾信號濾掉，而且不影響有用信號6.使用器件清單:如表1所下:元件序號元件型號主要參數數量備注1電阻1K2電壓源10V,6V,15V,22V3示波器4二極管BYV27-505電壓表DC6電容1uf表1器件清單7總結：這次傳感器課程設計我的題目是“差動變壓器位移傳感器”，從理論設計方案及論證到傳感器結構設計、理論分析、參數計算，測量電路設計、分析、參數計算，再到傳感器的靜態、動態性能實驗的測試分析、實驗設計，使我對傳感器知識有了更深一層的理解和掌握，尤其是帶有相敏檢波電路的差動式傳感器，對其中差動電橋、運算放大器、相敏檢波器、低通濾波器的結構原理及參數選擇有了更進一步的了解。鍛煉并提升了我的實際操作能力，使我所學的理論知識有了實用的價值，得以與實踐操作充分結合。但同時這次課設也遇到了平時理論課遇不到的問題，例如做仿真