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、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 222221ll b k l k r 联立以上各式解得γ2max 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 lc ++=+++=)(22000设计时，一般取b l =0，故有d b l c 23+=，通常取b d <<，则b lc 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 )(a5. 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NQk j q j I cgg =≤ 故得c g Qk j IN ≤式中，g j --电流密度，取3×106A/ m 2q --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 cc n c n ρ20 联立上述各式，解得ncp 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MR IN A B =⋅=Φ 所以得M R A B IN ⋅⋅=为使工作在磁化曲线的线性段，需要满足一下条件：M c R A B IN ⋅⋅≤式中 c B --基本磁化曲线饱和点的磁感应强度；材料为坡莫合金，取B c =0.5T ；A --导磁体截面积；计算得4.52cm 2； M R --材料磁阻，计算为36.39810/H ⨯;求得IN 为1.445×103A;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：○1先由式计算出一个IN 值○2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。

○3再由c K Q N =，算出N 值，从而得到的I 值（计I N NI I ==）。

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- c r )×b =0.75264 cm 2 导线截面积ε=0.00045 cm 2 N=837，I=0.135 A ； 5）差动变压器变压比的确定若使次级绕组2N 增加，将会造成零漂移且电阻增加造成铜损增大，并易受到干扰。

因此，一般设计时，当初级线圈的匝数为5001=N 匝~1500匝时，常取3~1/12=N N 。

1N =837，取1/12=N N ，求的2N =8736. 灵敏度的确定灵敏度为rRbInm b N IN f S M ⋅=38221μπ取激励电压频率f=500HZ ，坡莫合金1j50 u=4pi ×10-7 H/m 。

则 M S =481v/m=0.481v/mm; 7. 初级线圈电阻、电感的确定Nq l R cp cp ⋅=ρc ρ=20.0178/mm m Ω•，q =0.00045 cm 2,cp l =3.167cm;N=837p R =10.5ΩL=lAN 2μL=0.4646mH; 8. 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。

L 1M1图二 差动变压器式传感器等效电路设：○1p E •、•I --初级线圈激磁电压及电流； ○21L 、p R --初级线圈电感及电阻 ○31M 、2M --初级与次级线圈间互感 ○41s L 、2s L 、1s R 、2s R --次级线圈的电感与电阻值 ○5•0E --两个次级差动电势 由等效电路有以下各式成立：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧-=-=-=+=•••••••••21021111s s s s p pEE E I M j E I M j E L j R E I ωωω 联立以上各式 解得：1210)(L j R E M M j E p pωω+--=••令21M M M -=∆，则上式变为M L j R E j E p p ∆+-=••10ωω由此式可知○1常数=∆•=∆=M f M f E )()(10ωω，即ω增加，•0E 也增加 ○2当p R L >>1ω时，则10L M E E p ∆=••，此时0•E 输出与频率无关 ○3当ω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，•0E 输出减小而使灵敏度1L E M E S p ••=∆=减小。

○4灵敏度与f πω2=间特性曲线如图四所示，其灵敏度为 2120)(2L R E f ME S p pM ωπ+=∆=f图三激磁电压频率与灵敏度关系曲线由图四知○1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。

○2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2120)(2L R E fMES p pM ωπ+=∆=p E =2v2-4．差动变压器的误差 1. 非线性误差差动螺线管式的输出电压为)1(2212l k l k U ∆-∆=若略去二次项，则得l k U ∆=1'2则非线性误差为%100%100||%100|)1(|%100||2max 2max1max 321max11221'2'22⨯∆=⨯∆∆-=⨯∆∆-∆-∆=⨯-=l k l k l l k l k l k l k l k U U U γ2k =997, max l ∆=0.01m ，求得 γ=9.97%，符合要求。

2. 电源幅值和频率稳定度造成的误差 由式有)(10M f M L j R E j E p p ∆=∆+-=••ωω式中•p E --电源电压，t E E m p ωsin =•。

f πω2=所以),,(0M f E f E m ∆=，当有m E ∆、f ∆时，输出电压),,(0M f E f E m ∆∆∆=，所以电源电压幅值的变化m E ∆和频率的变化f ∆将对0E 有影响。

因此，设计时，要采取稳压，稳频措施。