LVDT线性位移传感器地设计.docx
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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ΔlMAX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
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ΔlMAX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ΔlMAX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
般衔铁长度lc与衔铁半径rc之比可取为
骨架外径R与内径r之比可取为
在设计骨架内径r与衔铁半径rc应尽量取得相近，即r=rc，这样可简化
计算工作量由为lc=10.05，求得为rc=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
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）
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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SM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。
面利用这三个条件来确定N1和N21）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
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；
RM--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。
2AD698的工作原理
2.1AD698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
2.2AD698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。
当IREF=500μA时，其传递函数如下：
VOUT=×A/B×R2
3AD698的参数计算
AD698单电源供电时的外围电路如图7所示。
图7、AD698测量电路图
外部无源元件的参数设置包括激励信号的频率和有效幅值、AD698输入信号的频率和比例因子（V/inch）。
下面就以最为常用的单电源供电方式为例，说明元器件选择及其参数设置的主要步骤。
（1）选择激励信号频率来决定C1
C1=35μFHz/。
（2）依据激励信号的电压幅值来决定VR1
通常根据下表确定VR1：
VEXC≥24V
10Ω≤R1≤100Ω
12V≤VEXC≤24V
0.1kΩ≤R1≤1kΩ
5V≤VEXC≤12V
1kΩ≤R1≤10kΩ
0V≤VEXC≤5V
10kΩ≤R1≤100kΩ
（3）C2、C3和C4是根据AD698位移测量系统所要求带宽fSUBSYSTEM的函数确定。
原则上它们的电容值应该相等，即：
C2=C3=C4=FHz/fSUBSYSTE。
M比如，系统要求带宽为250Hz，则C2=C3=C4=FHz/250Hz=0.4。
（4）VR2用来设定AD698的增益和满量程时的输出范围
计算VR2需要以下相关参数：
a.LVDT的敏感度S：
它的值可以在生产厂家目录手册中查到，单位是V/V/mile，其物理意义是每英寸的位移每伏特的输入对应的电压输出伏特。
b.LVDT的磁芯从零位到满量程的位移d。
在S和d确定后，VR2的计算公式如下：
R2=VOUT（/S×d×500μA）
其中，VOUT是相对于参考信号（引脚21）的输出。
（5）R3、R4可实现正、负输出电压补偿调节。
如果不需要补偿调节，R3、R4应被开路。
其阻值可由下述公式推算得出：
Vos=1.2V×R2×{[1/（R3+2kΩ）-1/（R4+2kΩ）]}
其中Vos是正或负输出电压补偿值。
五、数据采集与处理分析
1数据采集通过对差动变压器传感器理论分析，得出位移量x与测量电路输出电压U近似成线性关系。
于是采用MSP430F149低功耗型单片机进行AD电压
采集，并把采集处理后的信号通过串口发送到计算机进行显示，具体框图
如下：
图8、数据采集及处理框图
传感器经过测量电路得出的模拟信号接到单片机，单片机经过AD电压
采集处理，通过串口传给计算机，利用VB便也界面（如图9），人性化显示数据结果。
图9、VB数据采集窗口
通过上述方法采集的数据列表如下：
正向采集
位移（mm）
5
6
7
8
9
10
11
12
13
电压（v）
7.45
6.85
6.09
5.40
4.63
3.82
2.84
1.85
0.93
位移（mm）
14
15
16
17
18
19
20
21
22
电压（v）
0.06
-0.85
-1.8
-2.74
-3.78
-4.53
-6.40
-7.23
-7.4
5
5
逆向采集
位移（mm）
22
21
20
19
18
17
16
15
14
电压（v）
-7.50
-7.24
-6.26
-5.50
-4.53
-3.64
-2.62
-1.74
-0.7
1
位移（mm）
13
12
11
10
9
8
7
6
5
电压（v）
0.39
1.34
2.32
3.15
4.11
4.51
5.82
6.58
7.05
2.数据分析
通过MATLAB对上述数据进行拟合处理得出位移、电压特性图，如图10
所示。
图10、位移x（mm）、电压U（V）特性图
由图4，对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。
由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。
当衔铁移向二次绕组Ls1一边，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组
Ls1内感应电动势大于二次绕组Ls2内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。
在传感器的是量程内，衔动移越大，差动输出电动势就越大。
同样道理，当衔铁向二次绕组Ls2一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。
因此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量的大小和方向。
3.实验小结
通过此次课程设计，我们设计了LVDT线性位移传感器，并将其与AD698芯片设计的电路连接，设计制作了一个线性位移传感器。
通过此次设计，我学到了三节式螺线管以及AD698芯片的相关知识;了解了传感器从设计、制作、焊接再到标定的全过程;锻炼了自己的动手实践能力及对各种软件、硬件的应用能力以及团队协作的能力。
这次实践也让我认识到了自己在实践方面的欠缺（在焊接过程中出现一些小错误，尽管不影响测试，但也添加了不少麻烦，得到了教训），并让我在今后的学习中有所注重。
六、参考文献
[1]刘迎春、叶湘滨《传感器原理设计与应用》国防科技大学出版社，2002：
117-123
[2]单成详《传感器的理论与设计基础及其应用》国防工业出版社，1999：
185-206
[3]强锡富《传感器》机械工业出版社2004：
62-105
[4]张国雄《测控电路》机械工业出版社2009：
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