差动变压器式位移测量系统设计制作及其精度分析.docx

1、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 1.23.4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

2、度分析 17彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。4.1 传感器参数设计 1.74.2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.哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告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

3、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、

4、 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、设计计算哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告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

5、 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）哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告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

6、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

7、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。哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告在理想情况下（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

8、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：哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告由于 I1 的存在，在线圈中产生磁通 N1I1/ Rm1， N1I 1/ Rm2Rm1， 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 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告输出阻抗为：Z=（R21+R22）+j（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）

9、，若 2 个输出绕组线圈参数 和磁路尺寸相等，则 M1=M+ M1 ，M2=M- M2.铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。当铁心偏离中间位置时（即 x 0）,M1 M 2.由于 LVDT 差动工作， 有 ， 。在一定范围内， ，差值（）与铁心 位移成比例，但铁心位移量和输出电压之间不是线性关系。此 外，为交流输出信号，其输出的交流电压只能反映位移大小，不能 反映位移方向，故一般输出特性为型曲线，如图，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。哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告系统组成- 7 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告硬件电路设计灵敏度不小于 50v

10、/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。哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告转换电路设计XSC1调制电路VCC反相电路哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告VSS过零比较电路XFG1VCC12VVDD-12V放大电路R1020k3kR3kk23RR3k3GND- 10 -XSC2B+Ext Trig_+哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告开关相敏检波电路低通滤波器- 11 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告振荡电路设计R210k

11、Key=AR111.71k D21N4D11481N4148R6R310k10kVDD12V50%C15nFR48k8R58kC25nFGND正弦波震荡电路- 12 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告仿真实验正弦波信号仿真波形- 13 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告调制仿真电路开关式相敏检波电路- 14 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告相敏检波仿真XFG1D21N4D1148C41VDR20.02F7 U1N33710k10k=A2N38212N382107AH3kQ12N337036R21 7 1 8 OP07AHQ3 50k 1kVCCR1700k

12、R2832R2315V420kR294 -15OVP07AH8XSC1整体电路- 15 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告整体仿真波形- 16 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告系统标定、测试与精度分析传感器参数计算A，激磁绕组长度 bB, 衔铁的长度通常 db ，因此 =3b=20.13cm C, 副边线圈长度 m取 =10mm ， m=10.70cmD, 衔铁半径 与骨架半径 R 经验数据 =20 ，则 =1.0cm- 17 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告3激磁电压频率的选定 f=4khz4灵敏度的确定蟺渭5原边与副边绕组匝数的确定即 N1=540N

13、2=1080实验数据位移 . .电压. .-.- .-.-.- .- 18 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告位移. .电压. . . . .数据处理理论电压输出公式转换电路灵敏度 = 鈭哃- 19 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告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

14、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。- 20 -

15、哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告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。- 21 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告参考文献12011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- 22 -哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告心得体会在为期 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

16、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。- 23 -