差动变压器位移传感器

课程设计任务书

目录

1摘要 (2)

2引言 (4)

3.螺线管式差动变压器传感器 (4)

3.1差动变压器式传感器简介 (4)

3.2 工作原理 (4)

4.差动变压器的测量电路及其仿真 (6)

4.1差动整流电路 (7)

4.2相敏检波电路： (9)

4.3零点残余误差补偿 (13)

5.差动变压器位移传感器的改进 (14)

5.1差动电压接放大器电路及其仿真 (14)

5.2整流信号接滤波电路 (15)

6.使用器件清单 (17)

7 总结 (17)

1.摘要

------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

2引言

随着社会科技进步，人们生活水平不断提高，人们对生活的追求也在日新月异，在满足人们需求的同时，对距离的测量也在提升，为了节省人力资源，传感器是最佳选择，它可以让人们方便地测出两地位移，并通过检测技术来精确信息。而差动变压器位移传感器便能精确的测得位移。

3.螺线管式差动变压器传感器

3.1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

3.2 工作原理

图1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。输出特性曲线如图2所示:

图1差动变压器等效电路图2 差动变压器的输出特性曲线

图3

4.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。

4.1差动整流电路

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。差分整流电路如图4所示：

图4差分整流电路

衔铁向上运动转换电路及仿真图如图5和图6所示：

图5衔铁向上运动的转换电路

仿真波形如下:

图6衔铁向上运动的仿真图

衔铁向下运动的转换电路及仿真波形如图7和图8所示：

图7衔铁向下运动的转换电路

波形如下：

图8衔铁向下运动的仿真图

4.2相敏检波电路：

在动态测量时，假定位移是正弦波，即z=Asinwt，则动态测量时，衔铁在零位以上移动和零位以下移动时，二次绕组输出电压的相位发生180度的变化，因此判别相位的变化就可以判别位移的极性。相敏检波电路正是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小又反映位移极性的测量信号。

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

D1~D4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。

衔铁向下运动的转换电路及仿真波形如图9和图10所示：