差动变压器式位移传感器的设计过程
LVDT式位移传感器的原理
LVDT式位移传感器的原理Linearity Variable Differential Transducers简称 LVDT,中文译名为差动变压器式位移传感器,在世界范围内盛销数十年而不衰,足以看出它的各项性能在当前工业过程检测与试验领域中的适应性;随着系统对检测元件提出越来越高的要求同时,它的技术性能在不断的完善与发展,应用领域也在不断地更新与扩大;差动变压器LVDT的原理比较简单;它就是在一个线圈骨架1上均匀绕制一个一次线圈2作励磁;再在两侧绕制两个二次线圈3与4,与线圈同轴放置一个铁芯5,通过测杆6与可移动的物体连接;线圈外侧还有一个磁罩7作屏蔽,如图1－1示;在未引入铁芯以前,一次线圈通入交流电流后产生一个左右对称的沿轴向分布的交变磁场;交变磁场在两个对称放置的二次线圈上产生的感应电动势当然相等,引入铁芯后,铁芯在一次交变磁场的激励下,产生沿铁芯中心轴当然也是线圈的中心轴分布并与铁芯对称的交变磁场;这样,线圈中心轴上的磁感应强度就成为铁芯位置的轴向分布函数,于是两个二次线圈的感应电动势Es1与Es2也成了铁芯位置的函数;如果设计得当,两者可成为线性函数关系;将两个二次线圈差接后,即可获得与铁芯位移成线性关系的二次输出:Es=Es1-Es2;这就是LVDT的简单工作原理如图1-2示;LVDT式位移传感器的原理二差动变压器式位移传感器LVDT为电磁感应原理,其结构示意见图一;图一：LVDT工作原理图采用环氧树脂,不锈钢等材料作为线圈骨架,用不同线径的漆包线在骨架上绕制线圈;与传统的电力变压器不同;LVDT是一种开磁路弱磁耦合的测量元件;在骨架上绕制一组初级线圈,两组次级线圈,其工作方式依赖于在线圈骨架内磁芯的移动,当初级线圈供给一定频率的交变电压激励电压时,铁芯在线圈内移动就改变了空间磁场分布从而改变了初,次级线圈之间的互感量,次级线圈就产生感应电动势,随着铁芯位置的不同,互感量也不同,刺激产生的感应电动势也不同,这样就将铁芯的位移量实际的铁芯是通过测杆与被测物保持相接触,也就是被测物体的位移量变成电压信号输出,由于两个次级线圈电压极性相反,所以传感器的输出是两个次级线圈电压之差,其电压差值与位移量成线性关系图二LVDT电原理图当铁芯处在线圈正中间位置时两次级线圈感应电压相等但相位相反,其电压差值为零,当铁芯往右移动时,右边的次级线圈感应的电压大于左边;两线圈输出的电压差值大小随铁芯位移而成线性变化第一象限的实线段部分,这是LVDT有效的测量范围一半;当铁芯继续往右移动时两级线圈输出电压的差值不与铁芯位移成线性关系,此为缓冲,非测量区虚线段;反之,当铁芯自线圈中间位置向左边移动亦然;零点两边的实线段一般是对称的测量范围,只不过两者都是交流信号而相位差180″;。
实验二 差动变压器式电感传感器的静态位移性能
实验二差动变压器式电感传感器的静态位移性能一、实验目的1、通过实验，掌握差动变压器式电感传感器的基本工作原理。
二、实验原理差动变压器式电感传感器是利用感应电动势的方法，将物理量（如位移、压力、力等）转换为电信号的电子传感器。
差动变压器式电感传感器的基本组成为：主变压器、感应线圈和吸引式铁芯。
其中主变压器的主要作用是调制、解调信号，感应线圈是感应位移的探头，吸引式铁芯则用于传递感应力或位移作用。
当感应线圈产生了位移时，感应线圈中的磁通量随之变化，从而产生了感应电动势。
通过差动测量，可以得到感应线圈中的感应电动势。
差动变压器式电感传感器在运转中，其电感值随着位移的变化而变化。
最终，差动变压器式电感传感器可以将位移信号转化为电信号，并将转化后的电信号输出。
差动变压器式电感传感器相对于其他传感器的优势在于，其精确度比较高，线性度良好，同时具有较高的抗干扰能力和稳定性，适用于许多高精度位移测量场合。
三、实验器材与仪器2、数字万用表3、直流稳压电源4、温度控制器5、实验样品四、实验步骤1、连接实验装置：将差动变压器式电感传感器、数字万用表、直流稳压电源和温度控制器按照电路线路图连成一整个电路。
待连接完毕后，检查各个实验器材连接是否牢固且正确。
2、打开电源：将直流稳压电源和温度控制器的电源开关打开。
3、调节电源电压：调节直流稳压电源输出电压为3V并固定。
4、测量初始电压：将数字万用表的测量回路连接至差动变压器式电感传感器的输出端口，调节温度控制器以达到室温环境下的温度值。
在测定之前，需要先将应变计（或激光信号测试仪等测试仪器）分别置于初态位置和终态位置，然后测量出其初始电压值和终态电压值，并记录下来。
5、应变测试：通过手动控制实验样品位移并使实验样品进行定量的变化，此时差动测量器的输出电压值也会相应变化。
根据变化的大小，对应获取测量结果，并记录下差动测量器的输出电压值。
6、数据分析：在完成实验测量之后，需要对实验测量数据进行分析，并得到本次实验的相关结论。
动态自稳定高精度差动变压器式位移传感器设计
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度差 动变 Ａ 文章编号 ：１０ — ８ Ｘ ２ １）６ ０ ０ — ３ ０ ６ ８ ３ （０ ０ － ０ ９ ０ ０
摘要 ：本文根据 作者对数 控车床 转塔型 电动刀架 控制系统 的改进 实践 ，总结 设计 了全新控制 系统 ， 彻底解 决刀架上 的刀位开 关的可 靠性和 控制板 电路 的可靠 性的问 题。该系 统经长期 实践验证 ，具有
法 ，实现无接触 高精度 测量 的一种装置 。
以直 螺管形差 动变压器 为例 ，直螺 管形差动 变压器 的结构如 图１（ ） ａ 所示 。 由初级线 圈 Ｌ ， 它
两 个 次 级 线 圈 Ｌ 、Ｌ 、插 入 线 圈 中 央 的 圆柱 形 铁 ２ ３
芯 Ｔ和非导磁 触杆 Ｇ 组成 。初级线 圈 Ｌ均 匀分
的基本结 构和工作 原理 。 差动变 压器式位 移传感 器的工作 原理 ，是利
用 次 级 线 圈 与 初 级 线 圈 的 互 感 量 随 线 圈 中 铁 芯 位 移 的 变 化 而 变 化 的 原 理 ，并 通 过 对 称 式 两 个 线
圈 以差 动 方 式连 接 ，以实 现 消 除静 态偏 差 的方
要的 ，最 理想 的负 反馈信 号是 铁芯在 最左侧 或者 最右侧
位 置 时 的输 出 电压 己 。 ＾ 但 传 感 器 的 工 作 往 往 是 铁 芯 位 置 不 定 ， 也 可 能 长 期 没 有 机 会 在 最 左 或 者 最 右 ， 工 作 中也 可 能 不 允 许 出 现 在 最 左 或 者 最 右 ， 所 以 ，铁 芯 在 最 左 侧 或 者 最 右 侧 位 置 时
芯的移动越敏 感 。误 差大小 与偏离标准 工作条件
实验2 差动变压器位移性能实验
差动变压器位移性能实验一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。
二、基本原理：差动变压器如图（3-1），由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。
在传感器的初级线圈上接入高频交流信号，当初、次中间的铁芯随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感磁通量发生变化促使两个次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级线圈反向串接(同名端连接)，在另两端就能引出差动电势输出，其输出电势的大小反映出被测体的移动量。
图（3-1）三、需用器件与单元：差动变压器、差动变压器实验模块、测微头、双踪示波器、音频振荡器、直流稳压电源、数字电压表。
四、实验步骤：1、根据图（3-2），将差动变压器装在差动变压器实验模块上。
2、在模块上如图（3-3）接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率旋钮，输出频率为4～5KHz(可用主控箱的数显频率表来监测)，调节幅度旋钮使输出幅度为Vp-p=2V—5V 之间(可用示波器监测)，模块上L1表示初级线圈,L2、L3表示两个次级线圈且同名端相连。
图（3-2）差动变压器/电容传感器安装示意图图（3-3）3、将测微头旋至10mm处，，调整测微头的左右位置，使之与差动变压器活动杆吸合并且使示波器第二通道显示的波形值Vp-p为最小，然后将测量支架顶部的镙钉拧紧固定住测微头；这时就可以进行位移性能实验了，假设其中一个方向为正位移，则另一方向为负位移。
4、从Vp-p最小处开始旋动测微头，每隔0.2或0.5mm从示波器上读出电压Vp-p值并填入表(3-1)，直到测微头旋至20mm处。
4、测微头旋回到Vp-p最小处并反向旋转测微头，隔0.2或0.5mm从示波器上读出电压Vp-p值并填入表(3-1)，在实验过程中注意观察两个不同方向位移时初、次级波形的相位关系。
表(3-1)：差动变压器位移ΔX值与输出电压Vp-p数据表5、实验过程中差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压。
差动变压器式大量程精密角位移传感器的设计
差动变压器式大量程精密角位移传感器的设计
柏受军;张荣标;胡海燕;尹成竹
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2006(25)11
【摘要】设计了一种基于差动变压器原理的大量程精密角位移传感器.阐述了差动变压器式角位移传感器的工作原理,指出了传统传感器的不足.通过衔接法,既扩大了传感器的量程,又提高了传感器的精度.最大量程为±145°,精度可达1 % .同时,采用多种温度补偿措施,改善了传感器的工作特性.
【总页数】3页(P63-65)
【作者】柏受军;张荣标;胡海燕;尹成竹
【作者单位】江苏大学,电气学院,江苏,镇江,212013;江苏大学,电气学院,江苏,镇江,212013;江苏大学,电气学院,江苏,镇江,212013;安徽省传感器厂,安徽,无
为,238300
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.差动变压器式角位移传感器的应用 [J], 胡彦萍
2.一种大量程比高精度差动变压器式位移传感器设计 [J], 刘书选;李文璋;任海燕;余菲
3.差动变压器式角位移传感器的应用 [J], 苗伟
4.关于差动变压器式大量程位移传感器的探讨 [J], 魏淑贤;沈跃;黄延军
5.差动变压器式大量程精密角位移传感器的设计 [J], 苗伟
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差动变压器式位移传感器的设计与实现
差动变压器式位移传感器的设计与实现陈贞;李晓虹;张键【摘要】分析了LVDT的工作原理、结构组成及特点,和LVDT信号处理芯片AD598的工作原理,重点分析了使用AD598芯片设计的应用电路的调试过程.在传统位移传感器上使用AD598芯片,提高了测量精度且功耗小,工作可靠性高,在测试过程中电压和位移基本上符合比例关系.【期刊名称】《武汉工程职业技术学院学报》【年(卷),期】2011(023)004【总页数】4页(P34-36,68)【关键词】差动变压器;AD598芯片;位移传感器【作者】陈贞;李晓虹;张键【作者单位】武汉工程职业技术学院,湖北武汉 430080;武汉工程职业技术学院,湖北武汉 430080;武汉工程职业技术学院,湖北武汉 430080【正文语种】中文【中图分类】TN750 引言位移是与物体的位置在运动过程中的移动有关的量，目前测量位移的方式相当多，小位移通常使用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔等位移传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等位移传感技术来测量。
位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
在电感式传感器中，差动变压器（1inear variable diferential transformer，LVDT）式位移传感器，因其结构简单、测量线性范围大、测量电路可靠、具有较高的分辨力和灵敏度以及价格低廉等优点，在许多行业的位移测量系统中得以广泛应用。
但由于传统的的直流位移传感器对工作电源的稳定性和精度要求较高，而位移传感器的电路板大都由分立元件焊接而成，极易产生焊点松脱和受潮变质的现象，从而影响了传感器的使用寿命和整体性能。
因此，本文在传统LVDT式位移传感器的基础上，使用AD598（一种单片式线位移LVDT信号调节系统）芯片来设计位移传感器。
1 差动变压器式位移传感器（LVDT）的工作原理及特点差动变压器式传感器也称为互感式传感器，把被测的位移量转化为传感器线圈的互感变化，由于次级线圈绕组采用差动式结构，故称为差动变压器式传感器。
差动变压器式位移传感器lvdt设计原理
[8] ANALOG DEVICES. LVDTsignal conditioner AD598.一、引言差动变压器式传感器的特点是灵敏度高、分辨力大，能测出0.1um更小的机械位移变化;传感器的输出信号强，有利于信号的传输；重复性好，在一定位移范围内，输出特性的线性度好，并且比较稳定，因此广泛应用于压力、位移传感器的设计制造中，尤其在航空、航天等环境恶劣、环境温度高的压力测量方面，也得到了广泛的应用。
二、方案论证1.参数要求给定原始数据及技术要求1）.最大输入位移为100mm2）灵敏度不小于80V/m3）非线性误差不大于10%4）零位误差不大于1mv5）.电源为9v，400HZ6）.最大尺寸结构为160mmX21mm2.方案讨论根据给定技术要求选择电感变换元件的类型及测量电路的形式，如图1所示图1、传感器的组成框图1）传感器电感变换元件类型的选择（1）测量范围小，如位移零点几微米至数百微米，且当线性范围也小时，常用E形或II形平膜硅钢片叠成的电感式传感器或差动变压器。
(2) 螺线管，常用于测量1mm以上至数百毫米的大位移，其线性范围也较大。
2）测量电路的选择测量电路主要依据选定的电感变换器的种类、用途、灵敏度、精度及输出形式等技术要求来确定。
3.螺管型差动变压器的工作原理差动输出电动势为。
所以，差动变压器输出电动势为两副边线圈互感之差的函数。
螺管型差动变压器结构复杂，常用二节式、三节式、一节式的灵敏度高，但三节式的零点较好。
差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。
这种类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。
一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
图2为三节式螺管型差动变压器的示意图。
图2 三节式差动变压器的结构形式三．螺管型差动变压器的参数计算现以三节式螺管型差动变压器式传感器为例来说明参数的设计计算方法，其结构如图3。
差动变压器测位移实验
实验十四差动变压器测位移实验一、实验目的：了解差动变压器测位移时的应用方法二、基本原理：差动变压器的工作原理参阅实验十一（差动变压器性能实验）。
差动变压器在应用时要想法消除零点残余电动势和死区，选用合适的测量电路，如采用相敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）方向又可改善输出特性，消除测量范围内的死区。
图14—1是差动变压器测位移原理框图。
图14—1差动变压器测位移原理框图三、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器、电压表；差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板；测微头、双踪示波器。
四、实验步骤：1、相敏检波器电路调试：将主机箱的音频振荡器的幅度调到最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将±2V～±10V可调电源调节到±2V档，再按图14—2示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器测量。
提示：正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它设置，触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS～10µS范围内选择、触发方式选择AUTO ；垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V～5V范围内选择。
当CH1、CH2输入对地短接时移动光迹线居中后再去测量波形。
）。
调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形。
到此，相敏检波器电路已调试完毕，以后不要触碰这个电位器钮。
关闭电源。
图14—2相敏检波器电路调试接线示意图1、调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度值与轴套上的10mm刻度值对准。
按图14—3示意图安装、接线。
将音频振荡器幅度调节到最小（幅度旋钮逆时针轻转到底）；电压表的量程切换开关切到20V档。
差动变压器式位移传感器的设计与实现
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｖｏｌ ２ Ｎ ０． ３ ４
Ｄｅ ｅ ｅ ０ｌ ｃ ｍｂ ｒ ２ ｌ
差 动 变 压 器 式位 移 传 感 器 的设 计 与 实现
陈 贞 李 晓虹 张 键
所示 ， 由一个 初级 线 圈、 个 次级 线 圈 、 自 由移 它 两 可
动的杆状铁 芯、 心线 圈骨架、 壳等部 件组成 。 空 外
Ｌ Ｔ工作 过程 中， 心 的运 动 不 能超 出线 圈的线 ＶＤ 铁
应 变式 、 电感 式 、 差动 变压 器式 、 涡流 式 、 尔等 位移 霍
传 感器 来检 测 ， 的位 移 常 用 感应 同步 器 、 栅 、 大 光 容
确定 ， 因此 ＡＤ ９ ５ ８既 可驱 动 高 达 ２ Ｖ、 率 范 围 为 ４ 频
２ Ｈｚ ０ｋ ０ ￣２ Ｈｚ的 Ｌ Ｔ 原 边 线 圈 ， 可 接 受 最低 ＶＤ 又 为 １ ０ｍＶ 的次 级 输 入 ， 以 适 用 于许 多不 同类 型 ０ 所 的 Ｌ ＶＤＴ。 除 此 之 外 还 有 输 出 放 大 器 和 接 收 Ｌ ＤＴ 次 级 输 出 的两 个 正 弦 信 号 的输 出 级 、 法 Ｖ 除 器、 滤波 器及其 输 出放大 器 。在 Ａ ９ Ｄ５ ８芯 片 的除法
以获得一 个 与 铁 芯 位 移 成 线 性 函数 关 系 的特 征 曲 线 。当铁 芯处 于两 个 二 次 线 圈 中 间位 置 时 ， 两个 次 级线 圈产 生 的感应 电 动 势相 等 ， 一Ｅ 一０ 输 Ｅ一 。 ，
１ 差 动 变压 器 式位 移 传 感 器
（ Ｉ ＶＤＴ） 的工 作 原 理 及 特 点
差动变压器式传感器
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U 2 U 24 U 68
2021年3月14日星期日
差动整流的特点
电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输 出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映 位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的 方向。 上图中的R0是用来微调电路平衡的，VD1~VD4、 VD5~VD8组成普通桥式整流电路。
差动变压器的结构原理如图3-10所示。在线框上绕有一组输入线 圈（称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对 称的线圈（称二次线圈），它们反向串联，组成差动输出形式。 理想差动变压器的原理如图3-11。图中标有黑点的一端称为同名 端，通俗说法是指线圈的“头”。
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图3-10 差动变压器式传感器的结构
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2. 相敏检波电路
2021年3月14日星期日
图3-14 相敏检波电路
谢谢观看！
从电图位3，-1这2中个可电看压出就，是当零衔点铁残位余于电中压心U位它• 置x的，存输在出使电差压动U变• 压2并器不式是传零
感器的输出特性曲线不经过零点，造成实际特性和理论特性不完 全一致。
2021年3月14日星期日
1.2 差动变压器式传感器的测量转换电路
1.差动整流电路
（a）半波电流输出电路 （b）全波电流输出电路 图3-13 差动整流电路
差动变压器式传感器
差动变压器式传感器
电源中用到的单相变压器有一个一次线圈（又称为初级线 圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈加 上交流激磁电压Ui后，将在二次线圈中产生感应电压UO。 在全波整流电路中，两个二次线圈串联，总电压等于两个二 次线圈的电压之和。
请将单相变压
差动变压器式电感传感器的静态位移性能实验实验报告
差动变压器式电感传感器的静态位移性能实验实验报告差动变压器式电感传感器的静态位移性能实验实验报告实验三电感式传感器实验传感器实验三、电感传感器实验——差动变压器性能实验(一)实验内容1.项目一、差动变压器式电感传感器性能实验2.项目二、差动螺管式电感传感器的静态位移性能实验 (二)实验目的1.了解差动变压器式电感传感器的原理和工作情况2.了解差动螺管式电感传感器测量系统的组成和工作情况 (三)实验原理螺旋测微器产生位移，经弹性梁带动衔铁在线圈中移动，交流电源激励，数字电压表显示数字，计算机自动生成示波器显示波形。
(四)实验操做步骤实验项目一、1.将音频振荡器LV输出接至数字频率计和数据采集CH1，由频率计显示频率，计算机自动生成示波器显示波形，调节音频振荡器频率为4kHz，峰峰值为5V。
2.将音频振荡器LV输出接差动变压器一次绕组，输出接CH1。
3.调螺旋测微器使衔铁处于中心位置(输出为零)，向下每1mm读一个数。
实验项目二、1.按图接线2.将音频振荡器输出接至CH1，调节峰峰值为2V。
3.V/F表调至20V档。
4.接好电桥平衡网络、放大器、相敏检波器、LPF、V/F表、示波器。
5.将螺旋测微器与梁脱离，使梁处于自由状态;调节W1、W2，使输出最小(灵敏度最大)。
6.将螺旋测微器与梁相吸，调节螺旋测微器使输出最小(CH1示)，再向上移2.5mm。
7.调节移相器使输出最大(CH2示);观察检波器波形，若两半波不对称，则微调放大器调零电位器。
8.向下每0.5mm读一个数。
项目一数据表第 1 页共 1 页项目二数据表篇二:传感器与检测技术实验报告准考证号:100214101370 姓名:倪帅彪院校:河南科技大学专业名称:080302机械制造及自动化(独立本科段)《传感器与检测技术》实验报告实验一常用传感器(电感式、电阻式或电容式)静态性能测试一、实验目的:1(进一步认识电阻式、电感式、电容式传感器的工作原理、基本结构、性能与应用。
差动变压器式传感器
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。因这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且 其二次绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感器， 简称差动变压器。
有变隙式、变面积式和螺线管式等
在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差动变压器，它可 以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵 敏度高、结构简单、性能可靠等优点。
5
测量电路
差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量， 只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。另外， 其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动 方向及消除零点残余电动势目的，实际测量时，常常采 用差动整流电路和相敏检波电路。
2020/11/30
6
1．差动整流电路
是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流 的差值作为输出，这样二次电压的相位和零点残余电压都不必考虑。
一般经相敏检波和差动整流后的输出信号还必须经过低通滤波器，把调制 的高频信号衰减掉，只允许衔铁运动产生的有用信号通过。
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典型电路
差动整流电路
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8
2．差动检波电路
2020/11/30
差动相敏检波电路
等效电路
9
（2）工作原理
传感器衔铁上移
uL
RLu2 n1(R 2RL )
12
差动变压器式传感器的应用
差动变压器式 加速度传感器 是由悬臂梁和 差动变压器构 成，其结构如 图所示。
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振动传感器及其测量电路 压器式传感器的应用
力平衡式差压计
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差动变压器式位移传感器静态特性验证实验报告
差动变压器式位移传感器静态特性验证实验报告实验目的：本实验旨在验证差动变压器式位移传感器的静态特性，包括灵敏度、线性度和稳定性等方面。
实验器材：1.差动变压器式位移传感器2.信号发生器3.示波器4.多用表实验步骤：1.将差动变压器式位移传感器连接至信号发生器和示波器。
确保连接正确并稳定。
2.设置信号发生器的频率为固定值，如100Hz，并逐步增加信号幅度，记录传感器输出电压与输入电压的关系。
3.根据记录的数据绘制传感器的灵敏度曲线。
计算并记录不同输入电压下的输出电压变化率，即灵敏度。
4.改变输入电压的频率，如50Hz、200Hz等，重复步骤2和3，以验证传感器在不同频率下的灵敏度变化情况。
5.将输入信号的幅度设置为固定值，如2V，并逐步改变输入信号的频率，记录传感器输出电压与频率的关系。
6.根据记录的数据绘制传感器的频率响应曲线。
计算并记录不同频率下的输出电压变化率。
7.通过对比不同频率下的输出电压变化率，评估传感器的线性度。
8.持续输入相同信号，观察传感器输出电压的稳定性。
记录并分析传感器输出的波动情况。
实验结果与讨论：根据实验数据绘制的灵敏度曲线表明，在不同输入电压和频率下，差动变压器式位移传感器的灵敏度基本保持稳定。
通过对比不同频率下的输出电压变化率，可以得出传感器具有较好的线性度。
此外，传感器在持续输入相同信号的情况下，输出电压波动较小，表现出较好的稳定性。
结论：差动变压器式位移传感器在静态条件下表现出良好的特性，包括稳定的灵敏度、良好的线性度和稳定性。
这些特性使其在位移测量等领域具有广泛的应用前景。
实验二差动变压器式电感传感器的静态位移性能
实验二差动变压器式电感传感器的静态位移性能一、实验目的1、了解差动变压器式电感传感器的基本原理及工作情况。
2、了解差动变压器式电感传感器测量系统的组成和作用。
二、基本原理差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。
差动变压器器的结构如图2-1所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。
差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的变化而变化。
由于把二次绕组反相串接（同名端相接），以差动电势输出，所以称为差动变压器式电感传感器。
图2-1 差动变压器结构示意图图2-2 差动变压器等效电路图当差动变压器工作在理想状态下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图2-2所示。
当衔铁处于中间位置，两个次级线圈互感相同，因而产生的感应电势相同。
由于二次绕组反相串接，所以差动输出电势为零。
当衔铁移向一侧，这时输出电势不为零，位移越大，输出电动势越大。
当衔铁移向另一侧，由于移动方向改变，所以输出电动势反相。
因此，可以通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移的大小和方向。
差动变压器的输出特性曲线如图2-3所示。
图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2 为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。
E2的实线表示理想的输出特性，虚线为实际的输出特性。
E0为零点残余电势。
图2-3 差动变压器输出特性三、所需单元和部件差动变压器式电感传感器、音频振荡器、电桥、差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器、V/F表、测微器、双线示波器。
四、注意事项1．音频振荡器的信号必须从“LV”输出端输出。
2．差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式。
3．为了便于观察，实验中需要调节示波器的灵敏度。
4．检查所有处理电路单元的开关按钮在释放位（关状态）；5．根据图2-4连接好测量电路后，经同伴检查确认，才可打开电源进行调整及测量工作，以免烧毁仪器元件。
2024年浅谈差动变压器式传感器及其应用
2024年浅谈差动变压器式传感器及其应用差动变压器式传感器，又称差动电感式传感器，是一种广泛应用于非电量电测技术中的重要元件。
其基于电磁感应原理，将非电量的位移、振动等物理量转换成电信号输出，具有测量精度高、响应速度快、稳定性好等优点。
本文将对差动变压器式传感器的基本原理、结构特点、应用领域、信号处理与电路设计、性能指标与评估方法、应用案例分析以及技术发展趋势与挑战进行详细的探讨。
1. 差动变压器式传感器概述差动变压器式传感器主要由原边线圈、副边线圈和铁芯组成。
当铁芯发生位移时，会改变原边线圈与副边线圈之间的互感量，进而产生差动电势。
这种电势的大小与铁芯的位移量成正比，因此可以通过测量电势来推算出铁芯的位移量。
差动变压器式传感器通常用于测量微小的位移和振动，具有灵敏度高、线性度好等特点。
2. 工作原理与结构特点差动变压器式传感器的工作原理基于法拉第电磁感应定律。
当原边线圈通电时，会产生磁场，铁芯在磁场中受到力的作用发生位移，进而改变副边线圈的磁通量，产生感应电势。
由于差动结构的设计，使得传感器对铁芯的位移量具有较高的灵敏度。
此外，差动变压器式传感器还具有结构简单、制造方便、可靠性高等特点。
3. 差动变压器式传感器应用差动变压器式传感器在工业生产、科学实验和日常生活中具有广泛的应用。
例如，在机械工程中，可以用于测量机床的振动、轴承的位移等；在航空航天领域，可用于监测飞行器的姿态变化和结构变形；在医疗设备中，可用于测量人体的生理参数，如心跳、呼吸等。
4. 信号处理与电路设计差动变压器式传感器输出的信号通常为微弱的模拟信号，需要经过信号处理与电路设计才能转换成可供后续处理的数字信号。
常见的信号处理方法包括滤波、放大、模数转换等。
在电路设计中，需要考虑到信号的噪声抑制、线性度提高以及抗干扰能力等因素。
5. 性能指标与评估方法评估差动变压器式传感器的性能通常需要考虑以下几个指标：灵敏度、线性度、稳定性、重复性等。
差动电感式位移传感器调理电路设计
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ
ｆｏｒ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ
ＺＨＡＮＧ ＨａｉｆｅｉꎬＬＥＩ Ｘｉａｏｊｕａｎ
(Ｘｉ’ ａｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ＆ ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔꎬＸｉ’ ａｎ ７１０１００ꎬＣｈｉｎａ)
作可靠、寿命长等优点ꎮ 其作为一种精密的位移检测
部件ꎬ在航空、航天、兵器、精密测量等领域有着广泛的
应用
[２]
ꎮ
变差动变压器分为两种ꎬ一种是测量直线位移的
线 性 可 变 差 动 变 压 器 ( ｌｉｎｅａｒ ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ
收稿日期:２０１８￣１２￣２８
调理电路的解决方案ꎮ ＬＩＮＥＡＲ 公司采用信号发生器
ＡＤ６９８ 芯片的单芯片解决方案的调理电路ꎮ 该电路采用比例输出ꎬ可有效提高调理电路的准确度和抗干扰能力ꎮ 其输出采用电压隔
离芯片 ＩＳＯ１２４ꎬ可实现隔离度达 １ ５００ Ｖ 有效值电压的隔离ꎬ减少了不同系统间的传输干扰ꎮ 设计了变送器输出模块ꎬ可通过选择电
流输出方式提高长距离传输的可靠性ꎮ 通过对电路的测试和分析ꎬ证明其满足使用单通道 ＬＶＤＴ 高精度测量的需求ꎮ 该电路设计方
ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤ６９８ ｃｈｉｐ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ. Ｔｈｅ ａｄｏｐｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｏｕｔｐｕｔ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ａｎｔｉ￣
ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ. Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｃｈｉｐ ＩＳＯ１２４ ｆｏｒ ｉｔｓ ｏｕｔｐｕｔꎬｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｕｐ ｔｏ １ ５００ Ｖ
传感器原理与检测技术差动变压器：位移测量实验
当铁芯左右移动时观察示波器中显示的初级线圈波形次级线圈波形当次级波形输出幅值变化很大基本上能过零点而且相位与初级线圈波形音频信号vpp4vpp波形比较能同相或反相变化说明已连接的初次级线圈及同名端是正确的否则继续改变连接再判别直到正确为止
实验报告书
课程名：《传感器原理与检测技术》
题目：实验八差动变压器：位移测量实验
4、实验步骤
1、差动变压器安装在位移测量实验模块上。
2、根据上图接线，音频振荡器信号从实验台中0°或180°端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为5KHZ（可用实验台的频率表监测）。调节输出幅度4Vp-p（可用示波器监测：X轴为0.2ms/div,Y轴A通道为1V/div，B通道为20mV/div）。图中初级线L1，次级L2,L3,都为连接线插座的对应编号。在线圈端点有一点表示的为同名端(出厂时已连接好)。接线时，也可以判别初级线圈及次级同名端。判别初级线圈及次级线圈同名端其它方法如下：L1(TP1,TP2)为初级线圈，并设另外两个线圈L2、L3的任一端为同名端。当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与初级线圈波形（音频信号Vp-p=4Vp-p波形）比较能同相或反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。
差动变压器式传感器
差动变压器式传感器的应用
Hale Waihona Puke 差动变压器式电感测微仪2019/2/28
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3.3 电涡流传感器
根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变 化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导 体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡 流，这种现象称为电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感 器。按照电涡流在导体内的贯穿情况， 此传感器 可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本 工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最 大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外 还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点， 应用极其广泛。
当差动式传感器的 活动铁芯处于中间 位置时，传感器两 个差动线圈的阻抗 Z1=Z2=Z0，其 等效电路如图所示。
铁芯处于初始平衡位置时的等效电路
2019/2/28
21
（2）活动铁芯向一边移动时
当活动铁芯向 线圈的一个方 向移动时，传 感器两个差动 线圈的阻抗发 生变化，等效 电路如图4-9 所示。
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2019/2/28
典型电路
差动整流电路
2019/2/28 37
2．差动检波电路
差动相敏检波电路
等效电路
2019/2/28
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（2）工作原理
传感器衔铁上移
RL u2 uL n1 ( R 2 RL )
传感器衔铁下移
RL u2 uL n1 ( R 2 RL )
2019/2/28
1、2—L1、L2的特性 3—差动特性
2019/2/28
13
差动变压器式位移传感器
差动变压器式位移传感器简介差动变压器式位移传感器是用来测量物体位移的一种传感器，其原理是通过差动变压器电路来实现。
它是工业测量和控制领域中常用的一种传感器，用于测量机械或结构的位移变化。
差动变压器电路差动变压器电路由两个相等的线圈组成，它们共同构成了感知单元。
一个线圈通入交流电源，另一个线圈和感测器构成一个变压器，它的输出电压随感知单元的位移发生变化。
当这两个线圈处于相等且相位相同的条件下，恰好产生同相的电磁场；当物体发生位移后，感知单元距离两个线圈都有所改变，会使得线圈的感应电动势发生变化，从而使两个电动势差生变化，也就是常说的“差模信号”。
这个信号可以通过测量来确定物体的位移。
应用领域差动变压器式位移传感器的应用领域非常广泛，常用于测量结构振动、温度变化以及力学变形等物理量。
它也被广泛应用于高精度工具的制造及人工智能领域的机器人和自动化设备中。
工业制造在工业制造中，差动变压器式位移传感器可以用于检测机器的精度和稳定性，比如进行机床的重量平衡和精度调整。
此外，它也广泛用于非接触式测量机器的运动和振动，比如检测振动传感器和运动控制器等。
人工智能在人工智能和机器人领域，差动变压器式位移传感器也具有重要的应用价值。
例如，在机器人领域，它可以用于控制机器人的运动和位置，提高机器人的各项性能指标，如协作、灵活性和精度。
医疗保健此外，差动变压器式位移传感器还可以应用于医疗保健领域。
它可以用来测量患者的呼吸和心跳等生理指标，以帮助医疗保健机构更好地监护患者的健康状况。
总结差动变压器式位移传感器是一种应用非常广泛的传感器，其原理是通过差动变压器电路来实现对物体位移的测量。
在工业制造、人工智能和医疗保健领域中，它都有着很重要的应用价值。
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1. 基磁绕组长度b 的确定 由于⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∆=∆=∆-=max 222221ll b k l k r有 b=γ2max l ∆ （2-2）取非线性误差 1.5%=γ; 最大动态范围max l ∆=4mm;由式2-2求得激励绕组长度b=23.09mm; 2k =9.38410-⨯。
2. 衔铁长度c l 的确定212l b d l l c +++= （2-3）式2-3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c l 为b d l l b d l lc ++=+++=)(22000 （2-4）设计时，一般取b =0l ，故有d b l 23+=，通常取b d <<，则有式2-5b lc 3= （2-5）求得c l =69.27mm; 取骨架厚度d=1.5mm 。
3. 副边线圈m 的确定假设：（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：021l 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，则有式2-6δ+∆+=max l b m （2-6）式2-5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mm 10=δ，求得m =37.09mm 。
4. 衔铁半径c r 和骨架外径R 的确定 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 (2-7)骨架外径R 与内径r 之比可取为8~2/=r R (2-8)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c l =69.27mm ，求得为mm c 46.3r =，R 为10.38mm （取3/=r R ）。
5. 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2-3所示。
图2-3 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•E --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 (2-9) 联立以上各式 解得：1210)(L j R E M M j E p pωω+--=••(2-10)令21M M M -=∆，则式2-10变为2s E •E M 1M L j R E j E p p ∆+-=••10ωω(2-11)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2-4所示，其灵敏度为 2120)(2L R E f ME S pp M ωπ+=∆=（2-12）图2-4 激磁电压频率与灵敏度关系曲线由图2-4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。
6. 原边与副边绕组匝数的确定当安匝数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 qIc z j （2-13） 联立上述两式解得NQk j q j I cgg =≤ （2-14） 故得c g Qk j IN ≤（2-15）式2-15中，g j --电流密度，取25/A mm ；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0.4）；选取直径为0.4mm 的导线作为变压器线圈导线，则导线截面积q=0.12562mm ; Q=338.32mm 2 求得IN=676.64A ；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 （2-16） 联立上述各式，解得（2-17）式中c ρ--导线电阻率，取铜细丝的直径为0.4mm,取铜导线在室温下的电阻率，为c ρ=20.0178/mm m Ω•cp l --每匝平均长度，求得为43.46mm （π)(2r R l cp -⨯=） 取5.0=c k W m S n /101024⨯=; q=0.12562mm ; i=0.628A;Rc=6.64Ω206865.283mm S =2210525.7mm A c ⨯= 求得IN 2≤27102725.1mm ⨯ 代入求得IN ≤356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 INA B =⋅=Φ （2-18） 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 ⋅⋅≤ （2-19）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10.05mm ；M R --材料磁阻，计算为36.39810/H ⨯;求得IN 为43.21510A ⨯;综合三者，取最小值为IN =356A ，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 ==）。
有 237.59mm Q =;3104.1⨯=N ;I=0.25A 。
7. 差动变压器变压比的确定22183Ibf r RmIn S N N M μπ=（2-20） 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 。
要求M S 80V /M =；求得612214.564010,/2N N N N =⨯=取。
得到2800;140021==N N 。
8．变压器各部分材料的确定1） 线圈骨架的确定a.骨架材料常用酚醛。
陶瓷。
四氯乙烯等材料制线圈的骨架。
b.线圈内外径比的确定rRbInm b N IN f S M⋅=38221μπ (2-21)MbS m b N IN f r R In ⋅⋅⋅=38221μπ (2-22) 由式2-21和式2-22可知：○1r R In 增大，MS 灵敏度减小。
○2r R 的增大，可使线圈的工作线性度增加。
○3以上两点是矛盾的，可根据设计要求来确定。
2） 铁芯材料的确定通常根据采用的电源频率来确定铁芯的材料。
1. 在低频时，可采用工业纯铁;2. 频率较高时，采用硅钢片;3. 高频时，采用坡莫合金;4. 最高频时，可采用铁 钛氧;3） 传感器线性工作范围的确定传感器的线性工作范围一般取为总长度的1/4-1/5。
4） 屏蔽措施为防止干扰信号的影响，传感器要采用屏蔽措施，一般传感器的外层用电工钢做屏蔽层，内层用高导材料的坡莫合金作屏蔽层，屏蔽条件要求高的可采用多层屏蔽。