LVDT线性位移传感器的设计
基于单片机的LVDT位移测量传感器设计说明书
之江学院基于单片机的LVDT位移测量传感器设计说明书项目类型：测试技术课程设计指导老师：朱根兴作者：张建中班级：机自401联系电话： 13989466***电子信箱： zjz012@（2007-7-23）目录第一章总体方案设计 (3)1.1设计目的 (4)1.2总体方案设计 (4)第二章硬件电路设计 (5)2.1传感器的选择 (5)2.2差动变压器传感器安装 (6)2.3放大电路的设计 (7)2.4采集电路的设计 (7)2.5输入通道设计 (8)2.6显示电路的设计 (9)第三章软件的设计 (10)3.1数据处理子程序的设计 (10)3.2数据采集子程序的设计 (10)3.3数据显示子程序的设计 (11)3.4地址空间的分配的设计 (11)第四章设计总结 (12)参考文献 (13)附总电路图 (13)附总程序 (13)随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。
常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。
本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用汇编语言进行软件设计，硬件则以差动变压器式(LVDT)位移传感器为主,测量0～10mm。
传感器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到A/D转换接收的电压范围。
所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。
然后，A/D转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。
第一章总体方案设计1.1设计目的差动变压器式(LVDT)位移传感器广泛应用于工业现场和测试领域，如过程检测和自动控制、形变测量等，适用于油污、光照等恶劣环境。
这种传感器可靠而耐用，但选用它监控机械位移量，还需设计与传感器配套的测量装置研制开发的位移测量装置适用于工业现场和多种测试领域。
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 。
LVDT线性位移传感器地设计
标准合用LVDT线性位移传感器的设计一、序言差动变压器式传感器的特点是矫捷度高、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，在必然位移范围内，输出特点的线性度好，并且比较牢固，所以广泛应用于压力、位移传感器的设计制造中，特别在航空、航天等环境恶劣、环境温度高的压力测量方面，也获取了广泛的应用。
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〕矫捷度不小于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.方案谈论依照给定技术要求选择电感变换元件的种类及测量电路的形式，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种类的选择〔1〕测量范围小，如位移从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照选定的电感变换器的种类、用途、矫捷度、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 E = jωI1(M1-M2) = jωI1M = f M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。
螺管型差动变压器结构复杂，常用二节式、三节式、一节式的矫捷度高，但三节式的零点较好。
差动变压器的工作原理近似变压器的作用原理。
这种种类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搬动而变化，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，平时简称差动变压器。
图 2 为三节式螺管型差动变压器的表示图。
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。
LVDT位移传感器可靠设计分析技术
LVDT位移传感器可靠设计分析技术发布时间：2022-06-13T06:24:36.786Z 来源：《中国科技信息》2022年第2月4期作者：邹金海[导读] 文章论述了可靠性的重要性，提出了基于 LVDT型位移传感器的可靠性设计与分析，为其提供了一种新的理论依据邹金海中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司贵州贵阳 550009【摘要】:文章论述了可靠性的重要性，提出了基于 LVDT型位移传感器的可靠性设计与分析，为其提供了一种新的理论依据。
【关键词】：LVDT位移传感器;设计分析技术引言：随着科技的进步，传感系统得到了更多的运用。
我们不但需要这些感应器的性能优良，还需要它们能够持久、无事故或极少数的损坏。
它的持久性能，决定了它的质量。
设计阶段是产品可靠度的基础阶段，制造阶段是可靠度保障阶段，应用阶段是可靠性维护阶段，测试分析和信息反馈阶段是对产品可靠性进行改善的阶段。
产品的内在可靠度由可靠度设计确定。
若在设计时，若因产品的结构不够好、安全因素过低、检验及维护不方便等问题而导致的，则不论日后如何精心制作、精心使用、加强管理，都很难确保其可靠度。
所以，在整个使用过程中，只要在设计过程中，通过改进，使其具有较低的成本和较好的性能[1]。
一、线性范围（一）无摩擦测量LVDT的活动磁芯与绕组一般不存在物理触点，即 LVDT为无摩擦力元件。
该产品适用于能够经受较轻的磁芯负载，但是不能经受住摩擦力的测试。
比如，用于检测精密材质的弯曲或震动，对光纤或其他弹性物质进行的抗张或蠕变性试验[2]。
（二）无限的机械寿命因为 LVDT的绕组和磁芯没有摩擦力，所以没有磨损。
从原理上讲， LVDT的机械使用年限是无穷大。
这是用于材料和构件的耐久性试验的关键技术。
而且，在飞机、导弹、航天器和关键的工业设备中，无限的机械寿命对于高可靠的机器也很关键[3]。
（三）无限的分辨率LVDT的非摩擦力运行和其感应机理，使得 LVDT具有两大特点。
解读苏州位移传感器lvdt工作原理
解读苏州位移传感器lvdt工作原理【1】苏州位移传感器LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是一种常见的位移传感器，它用于测量物体的线性位移。
LVDT传感器由一个主线圈和两个从线圈组成。
物体的位移会影响LVDT传感器中的感应电磁场，通过检测感应电磁场的变化，可以测量物体的位移。
【2】LVDT传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。
当交流电通过主线圈时，在传感器中产生一个感应电磁场。
当物体相对于传感器移动时，这个感应电磁场的强度和方向会发生变化。
这个变化会导致两个从线圈中感应产生电动势的差异。
【3】主线圈和两个从线圈的设计使得LVDT传感器对外界磁场的影响较小。
通过将主线圈和从线圈串联，可以消除外界磁场对传感器的影响。
LVDT传感器具有较高的抗干扰能力。
【4】当物体相对于传感器发生线性位移时，主线圈和从线圈中感应产生的电动势差异将经过处理电路，转换成电压输出。
输出的电压与物体的位移呈线性关系。
【5】LVDT传感器的应用非常广泛。
它可以用于测量机械运动、液位、形变等。
在工业领域中，LVDT传感器常用于位移的实时监测与控制。
在科学研究中，LVDT传感器也被广泛应用于实验数据的采集与分析。
【6】总结来说，苏州位移传感器LVDT的工作原理是基于电磁感应定律。
通过检测主线圈和从线圈中感应产生的电动势差异，可以测量物体的线性位移。
LVDT传感器具有较高的抗干扰能力，被广泛应用于工业控制和科学研究领域。
【7】个人观点：苏州位移传感器LVDT是一种非常有效的位移测量工具。
其简单的结构和可靠的性能使得它在工业领域得到广泛应用。
我认为LVDT传感器以其高精度、高灵敏度和抗干扰能力，为各种行业的位移测量提供了可靠的解决方案。
随着科技的不断进步，LVDT传感器的应用前景将更加广阔。
【8】通过对苏州位移传感器LVDT工作原理的解读，相信你对该传感器的工作原理有了更深入的理解。
《LVDT位移传感器》
您现在的位置：首页>产品系列>传感器GA系列GA系列产品均为LVDT与变送器电路分开的产品。
通过屏蔽电缆与变送器电路相连，传感器壳体的长度可以缩短，可直接将变送器电路裸板安装于二次仪表内，也可选变送器盒独立安装。
对多点测量，配我公司的5CB-10C型精密数字内带振幅和频率均很稳定，且输出功率强大的激励信号源。
位移计且可实现多达30支传感器的同时测量。
特点：坚固耐用、可靠性高应用：安装空间狭小的场合、便于多测点同时测量、检测仪器、工件定位、冶金化工行业、普通温湿度环境环境参数：以下测试结果环境为：温度20℃±2℃，湿度60%±10%，电源噪声<10mV，输出信号类型为0~5V时；您现在的位置：首页>产品系列>传感器DA系列DA系列产品均为将差动变压器（LVDT）与变送器电路统一封装在一个金属壳体里的机电一体化产品。
其高导磁性不锈钢外壳有效的使LVDT内部形成封闭而均衡的电磁场，对外界各种电磁干扰形成屏蔽变送器电路与LVDT直接在壳体内部连接，避免了交流小信号通过电缆线时的衰减和空间电磁干扰。
变送器电路多样化就能获得模拟量输出，可直接接各类数显或数采设备。
特点：抗干扰能力强、可远距离传输、安装使用简便、可长期连续工作应用：适合于工矿环境、流水线在线测量、通用试验室环境、普通温湿度环境环境参数：以下测试结果环境为：温度20℃±2℃，湿度60%±10%，电源噪声<10mV，输出信号类型为0~5V时；您现在的位置：首页>产品系列>传感器MA系列MA系列产品均为LVDT与变送器电路分开的产品。
使用很细微的漆包线绕制而成，传感器壳体部分外径只有8mm，有效的缩减了径向安装空间，通过屏蔽电缆与变送器电路相连，可直接将变送器裸板安装与二次仪表内，也可选配变送器盒独立安装。
特点:体积小重量轻、可轴向或侧向出线应用：安装空间狭小的场合、便于多测点同时测量、普通温湿度环境环境参数：以下测试结果环境为：温度20℃±2℃，湿度60%±10%，电源噪声<10mV，输出信号类型为0~5V时；您现在的位置：首页>产品系列>传感器SMA系列SMA系列产品均为LVDT与变送器电路分开的产品。
LVDT位移传感器的原理、特点及常见故障处理
LVDT位移传感器的原理、特点及常见故障处理
随着LVDT位移传感器不断发展，LVDT位移传感器的也应用于越来越广泛的领域，那么，LVDT位移传感器究竟有哪些要点呢？今天我们就一起来了解关于LVDT 位移传感器的四大要点。
LVDT位移传感器
一、LVDT位移传感器的原理
LVDT的结构由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成，如右图所示，初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。
当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0;当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。
为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。
LVDT工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT均有一个线性范围。
二、LVDT位移传感器的主要特点
（1）原理直观、结构简单、工作可靠、使用寿命长；
（2）灵敏度高、线性范围宽、重复性好；
（3）分辨率高、应用广、适合于不同的应用；
（4）结构对称、零位可恢复；
（5）应用于小型制冷剂，如自由活塞式斯特林制冷机时，受到安装空间的限制。
三、LVDT位移传感器的优点
1.无摩擦测量。
LVDT 的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，也就是说LVDT 是没有摩擦的部件。
它被用于可以承受轻质铁芯负荷，但无法承受摩擦负荷的重要测量。
例。
lvdt位移传感器电压电流转换电路的设计
lvdt位移传感器电压电流转换电路的设计LDVT位移传感器是一种用于测量位移的新型传感器，它通过将位移转换为线性变化的电压量来实现测量。
LDVT位移传感器电压电流转换电路通常由放大器、运算放大器，限流电路和传感器组成，它可以将位移传感器输出电压转换为输出电流，用于外部控制或仪表计量。
本文将介绍LDVT位移传感器的电压电流转换电路的设计原理，包括电路的基本原理、部件构成和连接方式。
LDVT位移传感器电压电流转换电路有一个放大器元件，它可以将位移传感器输出的小信号转换为可控制或仪表计量的电流信号。
该电路的基本结构如下图所示：该电路由放大器、运算放大器、限流电路以及负反馈限制电路组成。
电路的工作原理可大致分为三个部分：1、第一部分是采用标准运算放大器放大位移传感器输出电压，即将位移传感器输出电压（Vin）通过两个电阻（R1和R2）放大，将放大后的电压（Vout）输入到运算放大器（OP）的输入电压1 （V1）中，通过减算放大器运算后，将放大电压（Vout）转换成电流。
2、第二部分是采用恒流电路（I）检测输出电流的大小，通过对收到的输出电流信号进行测量，对输出电流进行控制和限流。
3、第三部分是采用反馈限制电路（FBL）使输出电流上限受到限制，从而减小输出电流的有效值，保证电路的耐用性。
为了实现LDVT位移传感器电压电流转换电路，采用部件构成如下：（1）运算放大器：采用 LM358 运算放大器作为电路的运算放大器组件，该电路通过两个运算放大器（OP-A和OP-B）实现电压电流转换，OP-A作为放大器，OP-B作为减放大器。
（2）限流电路：采用LM317稳压电路作为电路的限流电路，实现输出电流的控制和限流。
（3）负反馈限制电路：采用LM741反馈放大器来实现负反馈限制，当输出电流超出设定的上限时，反馈放大器来限制放大器的输出，从而减小输出电流。
LVDT工作原理
LVDT工作原理引言概述：线性可变差动变压器（Linear Variable Differential Transformer，简称LVDT）是一种常用的位移传感器，广泛应用于工业自动化、航空航天等领域。
本文将详细介绍LVDT的工作原理及其应用。
一、LVDT的基本结构1.1 主体结构LVDT主要由三个部分组成：一个中央的铁芯和两个对称的次级线圈。
中央铁芯通常为圆柱形，由磁性材料制成，可以在轴向方向上自由运动。
次级线圈分别位于中央铁芯的两侧，与铁芯相对，通过电缆与外部电路连接。
1.2 次级线圈的设计次级线圈通常由多层绕组组成，绕组的导线绝缘良好，以避免电流泄漏。
为了提高线圈的灵敏度，绕组通常采用多层绕制，以增加线圈的电感。
1.3 中央铁芯的特点中央铁芯的特点是具有磁导率高、饱和磁感应强的磁性材料制成，以便在外部磁场的作用下产生较大的磁感应强度。
二、LVDT的工作原理2.1 基本原理LVDT利用电磁感应原理实现位移测量。
当LVDT的中央铁芯在外部磁场的作用下发生位移时，磁通经过次级线圈会发生变化，从而在次级线圈中感应出电动势。
根据法拉第电磁感应定律，电动势的大小与磁通变化率成正比。
2.2 工作过程当中央铁芯处于零位时，两个次级线圈中感应出的电动势大小相等，相位相反，相互抵消。
当中央铁芯发生位移时，两个次级线圈中感应出的电动势大小和相位将发生变化，通过电路处理可以得到位移的大小和方向。
2.3 优势与应用LVDT具有精度高、灵敏度高、线性度好等优点。
它广泛应用于位移测量、位移控制、力学振动测量等领域。
在工业自动化中，LVDT常用于机械臂的位移控制、液压缸的行程测量等。
三、LVDT的特点和局限性3.1 特点LVDT具有非接触式测量、高精度、长寿命等特点。
由于没有摩擦和磨损，因此具有较长的使用寿命。
3.2 局限性LVDT对外部磁场的干扰比较敏感，需要采取屏蔽措施以减小干扰。
此外，LVDT的工作范围受限于线圈的尺寸和铁芯的位移范围。
LVDT线位移传感器测量电路设计与非线性问题研究
LVDT线位移传感器测量电路设计与非线性问题研究LVDT线位移传感器测量电路设计与非线性问题研究摘要：本文研究了LVDT（线性变差互感器）的线位移传感器测量电路设计及其在非线性问题上的研究。
首先介绍了LVDT的基本原理和特点，然后详细讨论了LVDT测量电路的设计要点，包括放大器的配置、滤波和增益调节等。
接着，对于LVDT的非线性问题进行了深入研究，分析了由于磁饱和、温度变化和非理想性等因素引起的非线性误差，并提出了相应的补偿方法。
最后，通过实验验证了所设计的LVDT线位移传感器测量电路的效果，并对非线性补偿方法的有效性进行了验证。
关键词：LVDT；线位移传感器；测量电路设计；非线性问题；非线性误差；补偿方法1. 引言LVDT是一种常用的线位移传感器，具有精度高、测量范围广和稳定可靠等优点，被广泛应用于工业自动化、航天航空等领域。
然而，由于外界干扰和设备老化等原因，LVDT的测量精度可能会受到一定程度的影响。
因此，对于LVDT的测量电路设计和非线性问题的研究具有重要意义。
2. LVDT的基本原理和特点LVDT是一种基于互感效应的传感器，其结构包括一个主线圈和两个从线圈。
当主线圈中通过交流电流时，会在两个从线圈中感应出信号电压，根据从线圈中的信号电压的大小和相位差，可以确定物体的线位移大小。
LVDT具有以下特点：（1）测量范围广：LVDT的测量范围可以达到几微米到几毫米，并且可以实现双向测量。
（2）精度高：LVDT的测量精度可达到亚微米级别。
（3）稳定可靠：LVDT的结构简单、稳定性好，并且不易受到外界环境的干扰。
3. LVDT测量电路的设计要点LVDT测量电路的设计要点包括以下几个方面：（1）放大器的配置：选择合适的放大器，以保证LVDT信号的放大和增益的稳定性。
（2）滤波：采用低通滤波器对信号进行滤波，去除高频噪声干扰。
（3）增益调节：根据测量范围和精度要求，调节放大器的增益，以保证信号的有效测量。
LVDT式位移传感器的原理
L V D T式位移传感器的原理The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020LVDT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。
LVDT位移传感器
LVDT位移传感器LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是线性可变差动变压器缩写，简单地说是铁芯可动变压器。
所以，LVDT位移传感器也可称之为LVDT差动变压器式位移传感器，它由一个初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部件组成。
当铁芯由中间向两边移动时，次级两个线圈输出电压之差与铁芯移动成线性关系。
构成原理：LVDT的结构由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成，当初级线圈P1，P2 之间供给一定频率的交变电压时，铁芯在线圈内移动改变了空间的磁场分布，从而改变了初、次级线圈之间的互感量，次级线圈S11，S22 之间就产生感应电动势，随着铁心的位置不同，互感量也不同，次级产生的感应电动势也不同，这样就将铁芯的位移量变成了电压信号输出，由于两个次级线圈电压极性相反, ,输出电压为差动电压。
当铁芯往右移动时，次级线圈 2 感应的电压大于次级线圈1;当铁芯往左移动时，次级线圈 1 感应的电压大于次级线圈2，两线圈输出的电压差值大小随铁芯位移而成线性变化。
初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。
当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0;当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。
为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。
LVDT工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT均有一个线性范围。
1,无摩擦测量LVDT 的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，也就是说LVDT 是没有摩擦的部件。
它被用于可以承受轻质铁芯负荷，但无法承受摩擦负荷的重要测量。
基于AD698的线性差动式位移传感器解码电路设计
计算机测量与控制.2017. 25 (3 )Computer Measurement & Control • 169 •文章编号：1671 - 4598(2017)03- 0169 - 03 D O I: 10. 16526/j. cnki. 11 — 4762/tp. 2017. 03. 046 中图分类号：丁N98 文献标识码：A基于AD698的线性差动式位移传感器解码电路设计i宽，官海波(中国飞行试验研究院，西安710089)摘要：线性差动式位移传感器（L V D T)由于其灵敏度高、线性度好、分辨率高、寿命长、可靠性高等优点，已广泛应用于机载测试系统中；为了设计出精度高，稳定性好，能够满足机载测试需求的L V D T传感器解码电路，分析了L V D T传感器磁芯位移与输出电压信号的关系，研究了A D698的内部解调原理，设计出了基于A D698的信号解码电路；该电路通过外围元器件产生传感器所需的激励信号，并对激励信号和传感器输出信号进行解调得到与传感器磁芯位移成正比的直流电压；最后通过实验验证该电路具有结构简单、稳定性高、精度高的优点，能够满足机载测试的要求，且该电路已经过高低温和振动试验，并成功应用于机载测试采集系统中。
关键词：线性差动；L V D T; A D698;解码电路Decoding Circuit Design of Linear Variable DifferentialTransformer Based on AD698W ang K u an, Gong Haibo(Chinese Flight Test Establishment,X i’an710089，China)A bstract：T h e L in ear differen tial displacem ent sen so r (L V D T) has been w idely used in airb o rn e te stin g sy ste m, due to its high sen sitiv ity ,good lin e a rity, high re so lu tio n, long service life and high reliability. In o rd er to design an L V D T decoding circuit th a t have a high accu racy, good stab ility and can m eet th e dem and of airb o rn e te stin g, th e relatio n sh ip betw een core d isplacem ent and th e o u tp u t voltage signal of an L V D T sen so r has been analyzed, th e in tern al AD698 d em odulation principle has been stu d ie d, th e n an signal decoding circuit based on A D698 has been designed. T h e circuit produces th e ex citation signal by p erip h eral co m p o n en ts, and gets th e DC voltage th a t is p ro p o rtio n al to th e m agnetic core displacem ent by d em odulating th e excitation signal and th e o u tp u t signal. T h e n, th e precision and stab ility of th e decoding circuit has been v erified, it's show th a t th e circuit can m eet th e req u irem en ts of airb o rn e te s t, now th e circuit has been com pleted gen tle v ib ration te st and successfully used in airb o rn e te stin g system.K eywords：lin ear d iffe re n tia l；L V D T；A D698；decoding circuit〇引言线性差动式位移传感器（L V D T)能够将机械位移转换成电信号，具有灵敏度高、线性度好、分辨率高等诸多优点[1_3]，已广泛应用于机载测试中，其作用是采集驾驶杆、方 向舵、脚蹬、舱门变形等位移信号[4_5]。
线性位移传感器设计报告
线性位移传感器设计报告姓名：班级：学号：辅导教师：目录一、方案讨论 (3)二、设计计算 (4)三、设计结果 (9)四、设计小结 (10)五、参考文献 (10)六、设计图纸 (10)一、方案讨论AD698是美国Analog Devices公司生产的单片式线性位移差分变压器（LVDT）信号调理系统。
AD698与LVDT配合，能够高精确和高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。
AD698具有所有必不可少的电路功能，只要增加几个外接无源元件来确定激磁频率和增益，就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号。
与传统模拟电路相比，AD698芯片有以下特点：Ⅰ.AD698提供了用单片电路来调理LVDT信号的完整解决方案，它含有内部晶振和参考电压源，只需附加极少量的无源元件就可实现位置的机械变量到直流电压的转换，并且无需校准。
其单极性或双极性直流电压输出正比于LVDT的位移变化。
Ⅱ.驱动LVDT的激磁信号频率为20Hz～20kHz，它取决取于AD698的一个外接电容器。
AD698的输出电压有效值达24V，能够直接驱动LVDT的初级激磁线圈，LVDT的次级输出电压有效值可以低于100mV。
Ⅲ.AD698能够适用于多个不同类型的LVDT。
因为AD698的输入电压、输出电压及频率适应范围都很宽，其电路的优化设计，使得它与任何类型的LVDT配合使用都能获得理想效果。
Ⅳ.振荡器的幅值随温度变化不会影响电路的整体性能。
AD698采用比率译码方案，即通过计算次级电压与初级电压的比率来确定LVDT的位置和方向，无需整定。
Ⅴ.只要电源不过载，一个AD698可以串联或并联驱动多个LVDT。
其激励输出具有热保护功能。
LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是线性可变差动变压器缩写，属于直线位移传感器。
工作原理简单地说是铁芯可动变压器。
它由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。
浅谈LVDT位移传感器可靠设计分析技术
• 186•本文阐述了可靠性设计的必要性，介绍了可靠性设计的原则，给出了LVDT 位移传感器可靠性设计分析的方法，对机电一体化类传感器类的可靠性设计分析有一定的指导意义。
随着科学技术的发展，传感器应用越来越广泛。
我们不仅要求传感器有良好的功能，而且希望它经久耐用，不发生或很少发生故障。
这种经久耐用能力，就是产品的可靠性。
如图1所示，设计阶段是产品可靠性的奠基阶段，生产阶段是产品可靠性的保证阶段，使用阶段是产品可靠性的维持阶段，试验、分析与信息返馈阶段是产品可靠性的改进提高阶段。
环节，为系统可靠性指标分配提供依据。
1.2 可靠性设计原则在可靠性设计过程中应遵循以下原则：（1）可靠性设计应有明确的可靠性指标和可靠性评估方案；（2）可靠性设计须贯穿于功能设计各个环节，在满足基本功能同时，要全面考虑影响可靠性的各种因素；（3）应针对故障模式进行设计，最大限度地消除或控制产品在寿命周期内可能出现的故障（失效）模式；（4）在设计时，继承以往成功经验基础上，积极采用先进浅谈LVDT位移传感器可靠设计分析技术沈阳仪表科学研究院有限公司 彭春文 李永清 刘 妍 张 建 李广恒 高 跃 纪晓雪图1 产品可靠性与产品质量关系图可靠性设计决定产品的固有可靠性。
如果在设计阶段产品结构设计不合理，安全系数太低，检查维修不便等问题，在以后的各个阶段中，无论怎么认真制造，精心使用、加强管理也难以保证产品可靠性的要求。
因此，在产品的全寿命周期中，只有在设计阶段采取措施，提高产品的可靠性，耗资最少，效果最佳。
1 系统可靠性设计1.1 可靠性设计任务系统可靠性设计的主要任务是通过设计，基本实现系统的固有可靠性，预测和预防产品所有可能发生的故障，挖掘产品潜在的隐患和薄弱环节，通过设计预防和设计改进，有效地消除隐患和薄弱的设计原理和可靠性设计技术。
但在采用新技术、新型元器件、新工艺、新材料之前，必须经过试验，并严格论证其对可靠性的影响；（5）在进行产品可靠性的设计时，权衡产品的性能、可靠性、费用、时间等，以便做出最佳设计方案。
LVDT原理分类和特点
直流LVDT分类 直流LVDT按性能分为以下几种： 电压输出 A. 输入±15V电压，输出0～±5V或0～±10V B. 输入±8.5～±28V电压，输出0～5V或0～10V 三线制4～20mA电流输出 输入24V电压，输出为4～20mA电流，接线图如图1-3。 二线制4～20mA电流输出 输入12.75V～28VDC电压，输出4～20mA电流上，接线图如图1-4所示。
航空传感器 大行程高稳定性LVDT 外形图见图1-17，CW-HKAC20-384，行程与体长之比为78%。
图1-17
特种LVDT 高温LVDT 主要技术指标： 输入电压和频率：3Vrms 2.5KHz 行程：±25mm 线性度：0.25% 灵敏度：18mV/V/mm 工作温度：-50℃ ～ +300℃ 输入阻抗：600 OHMS ±20% 骨架用Φ12.7x 1.6 x 164mm陶瓷 管，绝缘垫片是可承受800℃的 HP6M-3无机胶白云母垫片。 高精度高稳定性防幅射LVDT 主要技术指标： 激励频率：2.5KHz 激励电压：3Vrms (5 Vrms Max) 行程：±40mm 机械行程：±50mm 线性度：≤0.1%FS 灵敏度：>15mV/V/mm 工作温度：0℃ ～ 155℃ 温漂：≤0.01%/℃ (+10℃～+70℃) 抗辐射：>50 M Gray 外形图见图1-18
航空传感器 航空传感器的特点： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 应用于恶劣环境。温度范围-55℃—150℃ 非常高的稳定性。温漂0.01%1℃ 非常高的一致性。灵敏度一致性±0.5%，Schaevitz产品为±5% 交叉干扰小于0.5%F.S 空间位置限制。要求行程/体长>0.6，最高达78% 要求比例输出：= 0.5±0.004 承受压力 10—15MPa 交流单行程输出
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LVDT线性位移传感器的设计一、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，如位移从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 E = jωI1(M1-M2) = jωI1ΔM = fΔM所以,差动变压器输出电动势为两副边线圈互感之差ΔM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。
由推导的数学模型可知：所推导处的各种公式是设计螺管型差动变压器式传感器的主要依据。
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Δl MAX的条件下来确定值b，即联立以上各式解得（3-1）2.衔铁的长度的确定由结构图3的几何尺寸关系可知，铁芯的长度为：式中、l1,l2 --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l1=l2=l0，则衔铁的长度由图3的几何尺寸有（3-2）设计时，一般取l0=b，故有lc=3b+2d，通常取d＜＜b，则lc=3b由式（3-1）求得为b=2.24cm，求得为lc=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l1、l2，且在初始状态时：l1=l2=l0；（2）最大动态范围Δl MAX为已知给定值。
则应该成立，才能保证衔铁工作时不会超出线圈以外。
一般取l0=b，则（3-3）式中，δ—保证在最大动态范围Δl MAX时衔铁仍不会超出线圈之外的保险余量。
一般取δ=2～10mm，在b值较小时，δ值可取大一些。
此处取为δ=10mm，求得m=5.85mm。
4.经验数据一般衔铁长度l c与衔铁半径r c之比可取为骨架外径R与内径r之比可取为R / r = 2～8在设计骨架内径r与衔铁半径r c应尽量取得相近，即r=r c，这样可简化计算工作量。
由为lc=10.05，求得为r c=0.5cm，R为1cm（取R / r = 2）。
图3、螺管差动变压器式结构以及磁场分布图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4所示。
图4、差动变压器式传感器等效电路设：1. Ep、I--初级线圈激磁电压及电流；2. L1、Rp--初级线圈电感及电阻3.M1、M2--初级与次级线圈间互感4. Ls1、Ls2、Rs1、Rs2--次级线圈的电感与电阻值5. E0 --两个次级差动电势由等效电路有以下各式成立：联立以上各式解得：（3-4）令，则上式变为由此式（3-4）可知1. ，即ω增加，也增加2.当时，则，此时输出与频率无关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，输出减小而使灵敏度减小。
4.灵敏度与间特性曲线如图5所示，其灵敏度为图5、激磁电压频率与灵敏度关系曲线由图5知1电源频率应选在曲线中间平坦区域，保证频率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，又可以在一定电压下减小磁通或安匝数。
从而减小传感器的尺寸。
6.灵敏度的确定灵敏度为（3-5）7.原边与副边绕组匝数的确定由式(3-5)可知：当安匝数IN1增加时，可使灵敏度S M增加，但IN1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N1和N2。
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：联立上述两式解得故得（3-6）式中，j g--电流密度，取；q--导线截面积；Q--骨架窗口截面积；kc--填充系数，；又Q=7.525cm2 求得.由式（3-6）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：为每瓦功率所需要的散热面积，为线圈外表散热面积，则应满足联立上述各式，解得（3-7）式中--导线电阻率，取铜导线在室温下的电阻率，为--每匝平均长度，求得为4.7124cm取求得，代入求得IN≤356由式（3-7）可知：要使IN增加，则必使Q和So增大，同时使减小，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所以得（3-8）为使工作在磁化曲线的线性段，需要满足一下条件：式中Bc-基本磁化曲线饱和点的磁感应强度；材料为坡莫合金，取;A--导磁体截面积；计算得10.05cm；R M--材料磁阻，计算为;求得IN为; 。
综合三者，取最小值为IN=356A工程设计时，常利用式（3-6）式（3-7）和式（3-8）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（3-7）和式（3-8）中进行验算，经过反复修正后得到满意的IN值。
3.再由，算出N值，从而得到的I值（）。
取;8.差动变压器变压比的确定由式（3-5）得，（3-9）若使次级绕组增加，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N1=500匝~1500匝时，常取。
要求；求得;取N1=8275; N2=16548四、测量电路的设计测量电路的功能是对传感器的输出信号进行处理，差动变压器型位移传感器的测量通常采用AD698芯片进行采集处理。
AD698与LVDT配合，能够高精确和高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。
AD698具有所有必不可少的电路功能，只要增加几个外接元源元件来确定激磁频率和增益，就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号。
1. AD698的特点（1）AD698提供了用单片电路来调理LVDT信号的完整解决方案，它含有内部晶振和参考电压源，只需附加极少量的无源元件就可实现位置的机械变量到直流电压的转换，并且无需校准。
其单极性或双极性直流电压输出正比于LVDT的位移变化。
（2）驱动LVDT的激磁信号频率为20Hz～20kHz，它取决取于AD698的一个外接电容器。
AD698的输出电压有效值达24V，能够直接驱动LVDT 的初级激磁线圈，LVDT的次级输出电压有效值可以低于100mV。
（3）振荡器的幅值随温度变化不会影响电路的整体性能。
AD698采用比率译码方案，即通过计算次级电压与初级电压的比率来确定LVDT的位置和方向，无需整定。
2 AD698的工作原理2.1 AD698与LVDT的连接LVDT是一种机械-电子传感器，其输入是磁芯的机械移动，输出是与磁芯位置成正比的交流电压信号。
LVDT由一个初级线圈和二个次级线圈组成，初级线圈由外部参考正弦波信号源激励，二个次级线圈反向串联。
活动磁芯的移动可改变初级线圈之间的耦合磁通，从而产生二个幅值不同的交流电压信号。
串联次级线圈的输出电压随着磁芯移离中心位置升高，通过测量输出电压的相位可以判断磁芯移动的方向。
AD698与LVDT连接的功能框图如图6所示。
图6、AD698和LVDT连接图2.2 AD698的工作原理AD698首先驱动LVDT，然后读出LVDT的输出电压并产生一个与磁芯位置成正比的直流电压信号。
AD698用一个正弦波函数振荡器和功率放大器来驱动LVDT，并用二个同步解调级来对初级和次级电压进行解码，解码器决定了输出电压与输入驱动电压的比率（A/B）。
滤波级和放大器可按比较整输出结果。
振荡器中包含一个多谐振荡器，该多谐振荡器产生一个三角波，并驱动正弦波发生器产生一个低失真的正弦波，正弦波的频率和幅值由一个电阻器和一个电容器决定。
输出频率在20Hz～20kHz可调，输出有效幅值在2V～24V可调。
总谐波失真的典型值是50dB。
AD698通过同步解调输入幅值A（次级线圈侧）和一个固定的参考输入B（初级线圈侧或固定输入）。
早期解决方案的共同问题是驱动振荡器幅值的任何漂移都会直接导致输出增益的错误。
AD698通过计算LVDT输出与输入激励的比率消除了所有的偏移影响，从而避免了这些错误。
AD698不同于AD598型的LVDT信号调理器，因为它实现了一个不同的电路传递函数，并且不要求LVDT次级线圈（A+B）是一个随行程长度而定的常量。
AD698的输入包括二个独立的同步解调通道A和B。
B通道用来监测驱动LVDT的激励信号，A通道的作用与之相同，但是它的比较器引脚是单独引出来的。
因为在LVDT处于零位的时候，A通道可能达到0V，所以A通道解调器通常由初级电压（B通道）触发。
另外，可能还需要一个相位补偿网络给A通道增加一个相位超前或滞后量，比此来补偿LVDT初级对次级的相位偏移。
一旦二次通道信号被解调和滤波后，再通过一个除法电路来计算比率A/B，除法器的输出是一个矩波信号。
当A/B等于1时，矩形波的占空比为100%。
输出放大器测量500μA的参考电流并把它转化成一个电压值。