差动变压器式位移测量系统设计制作及其精度分析.docx

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差动变压器式位移测量系统设计制作及其精度分析

哈尔滨理工大学

学年设计

题目：

差动变压器式位移测量系统设计制作及其精度分析

班级：

测控10-5

哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告

第1章绪论1矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

1.1课程设计目的意义1聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

1.2课程设计任务1残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

1.3课程设计时间安排2..

第2章总体方案设计3..

2.1工作原理3...

2.2系统组成7...

第3章硬件电路设计8..

3.1传感器设计8...

3.2转换电路设计9..

3.3振荡电路设计1..2

3.4仿真实验13

酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

第4章系统标定、测试与精度分析17彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

4.1传感器参数设计1..7

4.2实验数据1..8.

4.3数据处理1..8.

结论1..9.

致谢2..0.

参考文献2..1.

心得体会2..2.

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绪论

课程设计目的意义

这门课程是在测控技术专业学生学习了误差理论、测控电路和传感技术课程之后开设的综合性的实践课程，通过本课程的训练，除了使学生掌握误差理论、传感技术和测控电路的基本理论，主要致力于培养学生综合运用误差理论、测控电路和传感技术相关理论知识，合理地选择、使用、设计、制作、调试传感器以及变送电路的能力，尤其是培养学生建立测量误差存在于测量全过程的概念，掌握测试结果数据处理方法、误差分析方法以及精度评定方法。

采用异步教学方法组织实践教学，培养学生自主学习能力、动手能力与创新能力。

厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

课程设计任务

1、设计传感器根据传感器的工作原理，设计差动变压器式电感传感器。

包括传感器参数设计和架构设计。

2、测绘传感器

对给定的差动变压器式电感传感器进行结构尺寸测绘，包括初级线圈，次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部分。

3、画出传感器的结构图。

4、采用分立元件设计差动变压器式电感传感器的转换及调理电路，给出各元器件参数，并画出电路的原理图。

5、设计并加工制作PCB板。

焊接电路板，并完成电路板的调试，输出要求的直流信号。

6、对所设计的位移测量系统进行标定。

对该系统给定标准位移输入信号，测出系统输出信号，并对所获得数据进行数据处理，建立回归方程，进行方差分析及显著性检验，给出回归精度估计。

茕桢广鳓鯡选块网羈泪。

7、用所设计位移测量系统对某一位移量进行测量，给出测量结果及其测量不确定度。

8、撰写课程设计报告,内容包括：

目录、设计题目、方案讨论、设计计算

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课程设计时间安排

课程实践学时2周，主要内容及时间安排可大致分配如表1

表1学年设计内容及时间分配

阶段

实践内容

时间（天）

第一阶段

选题、查阅资料、不同方案分析与比对，最优方案确定；传感器设计及变送电路设计，调试解调电路设计；Multisim绘制电路原理图及仿真实验

3（15-17日）

第二阶段

调制解调电路调试；转换电路及放大电

路调试

4（18-21日）

第三阶段

测试系统标定实验；相应参数测量实验

及精度分析

2（24-25日）

第四阶段

答辩

1（26日）

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总体方案设计

工作原理

差动变压器式位移传感器（简称LVDT）由于具有工作可靠度，输出电压精度高，线性度好，结构简单，使用寿命长，环境适应性强等优点而较其他传感器得到更广泛的应用，它的工作原理类似于变压器，不同的是变压器是闭合磁路，而LVDT是开磁路。

按磁路几何参数变化形成的不同可将LVDT分为变气隙式，变截面式，螺管式3种。

变气隙式的优点是灵敏度高，缺点是测量范围小，非线性严重，由于这些缺点，近年来很少使用；螺管式的灵敏度较低，但其示值范围大，自由行程可以任选安排。

制造装配也较方便，因而有着最广泛的应用。

螺管式差动变压器式位移传感器按线圈排列形成不同主要有二段型，三段型，四段型和五段型等。

三段型的零点电压较小，二段型比三段型灵敏度高，线性范围大，四段型和五段型都是为了改善传感器的线性度而采用的结构。

鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。

重点讨论2.1图，由图可知LVDT主要包括铁心，骨架，激磁绕组，2个对称分布的输出绕组及外壳等，它是将被测位移量的变化转换成磁路磁阻变化引起线圈互感M变化的一种装置。

当激磁绕组接入激励电源后，输出绕组将产生感应电压，互感变化时，输出电压将做相应的变化，又因2个输出绕组接成差动形式，即2个感应电动势反向串接，故常称为差动变压器式位移传感器籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。

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在理想情况下（不计线圈寄生电容及铁心损耗），LVDT等效电路如图2.3所示：

其中，e1为激磁绕组激励电压；L1，R1为激磁绕组电感值和电阻值；L21，L22为左右输出绕组的电感值；R21，R22为左右输出绕组的电阻值；M1，M2分别为激磁绕组与左右绕组间的互感值預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。

根据图2.3可知，激磁绕组的复数电流值为：

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由于I1的存在，在线圈中产生磁通N1I1/Rm1，N1I1/Rm2

Rm1，Rm2分别为通过激磁绕组和2个输出绕组的磁阻，N1为激磁绕组匝数。

于是在输出绕组中感应出电压e21，e22即：

渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

-5-

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输出阻抗为：

Z=（R21+R22）+jω（L21+L22）

LVDT的输出电压e2与铁心位移x关系如图2.4，其中x表示铁心偏离中心位置的距离。

由图可知，当铁心在中间位置时（即x=0），若2个输出绕组线圈参数和磁路尺寸相等，则M1=M+ΔM1，M2=M-ΔM2.铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。

当铁心偏离中间位置时（即x0）,M1M2.由于LVDT差动工作，有Ｍ１＝Ｍ＋Ｍ１，Ｍ２＝Ｍ－Ｍ２。

在一定范围内，Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍ，差值（Ｍ１－Ｍ２）与铁心位移ｘ成比例，但铁心位移量ｘ和输出电压ｅ２之间不是线性关系。

此外，ｅ２为交流输出信号，其输出的交流电压只能反映位移ｘ大小，不能反映位移方向，故一般输出特性为Ｖ型曲线，如图２．４，为了反映铁心移动方向，需要采用相敏检波电路。

擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。

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系统组成

-7-

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硬件电路设计

灵敏度不小于50v/m，电源为5v，4khz.贓熱俣阃

传感器设计给定原始数据及技术要求：

最大输入位移30mm非线性误差不大于10%，灵位误差不大于1mv，歲匱阊邺镓騷。

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转换电路设计

XSC1

调制电路

VCC

反相电路

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VSS

过零比较电路

XFG1

VCC

12V

VDD

-12V

放大电路

R10

20kΩ

Ω

3k

R3k

Ω

k

23

R

Ω

R3k

3

GND

-10-

XSC2

B

++

ExtTrig_+

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开关相敏检波电路

低通滤波器

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振荡电路设计

R2

10kΩKey=A

R1

11.71kΩ

D2

1N4D1148

1N4148

R6

R3

10kΩ

10kΩ

VDD

12V

50%

C1

5nF

Ω

R48k

8

R5

8kΩ

C2

5nF

GND

正弦波震荡电路

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仿真实验

正弦波信号仿真波形

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调制仿真电路

开关式相敏检波电路

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相敏检波仿真

XFG1

D2

1N4D1148

C4

1

VD

R2

0.02μF

7U1

N337

10kΩ

10kΩ

=A

2N3821

2N3821

07AH

3kΩ

Ω

Q1

2N3370

36

R21718OP07AH

Q350kΩ1kΩ

VCC

R17

00k

R28

3

2

R23

15V

4

20kΩ

R294-15OVP0

7AH

8

XSC1

整体电路

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整体仿真波形

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系统标定、测试与精度分析

传感器参数计算

A，激磁绕组长度b

B,衔铁的长度

通常d《b，因此=3b=20.13cmC,副边线圈长度m

取=10mm，m=10.70cm

D,衔铁半径与骨架半径R经验数据=20，则=1.0cm

-17-

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3激磁电压频率的选定f=4khz

4灵敏度的确定

蟺渭

5原边与副边绕组匝数的确定

即N1=540

N2=1080

实验数据

位移ｍｍ

８７.

５

８７

８６.

５

８６

８５.

５

８５

８４.

５

８４

８３.

５

８３

８２.

５

电压

－５.

－４.

－４.

－３.

－３.

-２.

-２.

-１.

-１.

-０.

０

-18-

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ｖ

４９

９９

４８

９６

３８

８４

２８

７

２

１５

５８

位移

７７.

７８

７８.

７９

７９.

８０

８０.

８

１

８１.

８２

ｍｍ

５

５

５

５

５

电压

５.５

５.０

４.５

３.９

３.４

２.８

２.３

１

.７

１.１

０.５

ｖ

５

４

２

９

４

８

１

４

７

８

数据处理

理论电压输出公式

转换电路灵敏度=鈭哃

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结论

这次传感器课程设计我的题目是“差动变压器位移传感器”，从理论设计方案及论证到传感器结构设计、理论分析、参数计算，测量电路设计、分析、参数计算，再到传感器的静态、动态性能实验的测试分析、实验设计，使我对传感器知识有了更深一层的理解和掌握，尤其是带有相敏检波电路的差动式传感器，对其中差动电桥、运算放大器、相敏检波器、低通滤波器的结构原理及参数选择有了更进一步的了解。

这些都培养了我独立工作、动脑思考、动手操作、认真严谨、一丝不苟的好习惯，锻炼并提升了我的实际操作能力，使我所学的理论知识有了实用的价值，得以与实践操作充分结合。

在设计过程中，我遇到了不少困难，但通过请教老师同学、仔细分析理解，都逐一得到了解决。

我发现只有细心、耐心、恒心才能将事情做好，设计方案中一个小小的数字错误，简单的一个器件的选择错误，都有可能对设计方案造成巨大的影响。

我还意识到我的实验能力有所不足，在理论上也有很多的缺陷。

所以，在以后的学习生活中，我需要更努力地学习理论知识，同时注重理论和实践的结合。

坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

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致谢

衷心感谢学院给我们提供这次宝贵的机会，感谢各位老师在课程设计过程中的耐心指导，使我们提升了专业技能，为以后的工作做准备，使我们能够更好地为社会服务。

蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

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参考文献

1

2011年

2011年

周真，苑慧娟等传感器原理与应用清华大学出版社

2张国雄测控电路第四版机械工业出版社2011年

3费业泰误差理论与数据处理第六版机械工业出版社

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心得体会

在为期2周的课程设计中，我受益匪浅，收获颇丰。

这次传感器课程设计我的题目是“差动变压器位移传感器”，从理论设计方案及论证到传感器结构设计、理论分析、参数计算，测量电路设计、分析、参数计算，再到传感器的静态、动态性能实验的测试分析、实验设计，使我对传感器知识有了更深一层的理解和掌握，尤其是带有相敏检波电路的差动式传感器，对其中差动电桥、运算放大器、相敏检波器、低通滤波器的结构原理及参数选择有了更进一步的了解。

这些都培养了我独立工作、动脑思考、动手操作、认真严谨、一丝不苟的好习惯，锻炼并提升了我的实际操作能力，使我所学的理论知识有了实用的价值，得以与实践操作充分结合。

在设计过程中，我遇到了不少困难，但通过请教老师同学、仔细分析理解，都逐一得到了解决。

我发现只有细心、耐心、恒心才能将事情做好，设计方案中一个小小的数字错误，简单的一个器件的选择错误，都有可能对设计方案造成巨大的影响。

我还意识到我的实验能力有所不足，在理论上也有很多的缺陷。

所以，在以后的学习生活中，我需要更努力地学习理论知识，同时注重理论和实践的结合。

買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。

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