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

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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、Altium Designer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

一、 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; 二、 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)()(1211M f M I j M M I j E S ∆=∆=-=•

•

ωω 所以差动变压器输出电动势为两副边线圈互感之差M ∆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。

二节式

一节式

三节式

图一 差动变压器的结构形式

2-3．螺管型差动变压器的参数计算 1. 激磁绕组长度的确定

通常是在给定非线性误差γ及最大动态范围max l ∆的条件下来确定值b ，即

⎪⎪

⎩

⎪

⎪

⎨⎧∆=∆=∆-=max 2

22221l

l b k l k r 联立以上各式解得

γ

2max l b ∆=

取max l ∆=1cm ，则缘边线圈长度b=2.24 cm, 2k =997 2. 衔铁的长度c l 的确定

由结构图二的几何尺寸关系可知，铁芯的长度为

212l b d l l c +++=

式中1l 、2l --衔铁在两个副边绕组m 中的长度；

d --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021l l l ==，则衔铁的长度由图二的几何尺寸有

b d l l b d l l

c ++=+++=)(22000

设计时，一般取b l =0，故有d b l c 23+=，通常取b d <<，则

b l

c 3=

由一中式求得为b=2.24cm ，求得为c l =6.72cm 。 3. 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1l 、2l ，且在初始状态时：

21l l l ==；

②最大动态范围max l ∆为已知给定值。则δ+∆+=max 0l l m 应该成立，才能保证衔铁工作时不会超出线圈以外。一般取b l =0，则

δ+∆+=max l b m

式中，δ--保证在最大动态范围max l ∆时衔铁仍不会超出线圈之外的保险余量。一般取mm mm 10~2=δ，在b 值较小时，δ值可取大一些。此处取为10mm δ=， 求得m=3.34 cm 。 4. 经验数据

一般衔铁长度c l 与衔铁半径c r 之比可取为

20=c c r l

骨架外径R 与内径r 之比可取为

8~2=r R

在设计骨架内径r 与衔铁半径c r 应尽量取得相近，即c r r ≈，这样可简化计算工作量。

由为c l =6.72，求得为c r =0.336cm ，R 为0.672cm （取/2R r =）。

初级线圈

图二 螺管差动变压器式磁场分布图

三段式螺管差动变压器式结构

磁通分布

)

(b )

(a

5. 原边与副边绕组匝数的确定

由6中式可知：当安匝数1IN 增加时，可使灵敏度M S 增加，但1IN 的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。下面利用这三个条件来确定1N 和2N 。 1）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：

⎪⎪⎩

⎪

⎪⎨

⎧≤=N Qk q q I j c g 联立上述两式解得

N

Qk j q j I c

g

g =≤ 故得

c g Qk j IN ≤

式中，g j --电流密度，取3×106A/ m 2

q --导线截面积； Q --骨架窗口截面积；

c k --填充系数，（c k =0.3~0.7，取0.5）；

Q=(R- c r )×b =0.75264 cm 2

求得IN=1.12896X102 A ≈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：n S 为每瓦功率所需要的散热面积，0S 为线圈外表散热面积，则应满足

⎪

⎪⎪

⎩

⎪

⎪

⎪⎨⎧

=⋅==⋅≥N k A q N q l R S R I S P S c c cp c

c n c n ρ20 联立上述各式，解得

n

cp c c c S l S k A N I ⋅⋅≤

ρ022

式中c ρ--导线电阻率，取铜导线在室温下的电阻率，为

20.0178/mm m Ω•

cp l --每匝平均长度，求得为

3.167cm

取c K =0.5， 0S =9.458 cm 2 ，n S =10×10-4 m 2/w ；

c A =0.75264 cm 2

.

求得IN 2≤1.99957×105 A 2 代入求得IN ≤447 A

由式可知：要使IN 增加，则必使Q 和0S 增大，同时使cp l 减小，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

M

R IN A B =

⋅=Φ 所以得

M R A B IN ⋅⋅=