LVDT线性位移传感器地设计

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100mm

2）灵敏度不小于80V/m

3）非线性误差不大于10%

4）零位误差不大于1mv

5）.电源为9v，400HZ

6）.最大尺寸结构为160mmX21mm

2.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）