LVDT线性位移传感器地设计.docx

1、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 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

2、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 = j I 1(M1-M2) = j I1M = f M 所以,

3、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

4、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及最大动态范围 l 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 、 l 1,l 2 - 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 l 1=l 2=l 0，则衔铁的长度由图 3 的几何尺寸有设计时，一般取 l 0=b，故有 lc=3b+2d ，通常取 d b，则lc=3b由式（ 3-1

5、 ）求得为 b=2.24cm，求得为 lc=6.72cm3.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 l 1、l 2，且在初始状态时： l 1=l 2=l 0；2）最大动态范围 l 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 l 0=b，则3-3)式中，保证在最大动态范围 l MAX时衔铁仍不会超出线圈之外的保险余量。一般取 =210mm，在 b 值较小时， 值可取大一些此处取为 =10mm，求得 m=5.85mm。4.经验数据般衔铁长度 l c 与衔铁半径 r c 之比可取为骨架外径 R 与内径 r 之比可取为在设计骨架内径 r

6、 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.L 1、Rp- 初

7、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.E 0 - 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.，即增加， 也增加2.当 时，则 ，此时 输出与频率无关3.当超出某一值（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，

8、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 ）文案大全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 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kc-填充系数， ；又 Q=7.525cm2 求得 .由式（ 3-6 ）可见， Q增大， IN 数增加，

9、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

10、 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

11、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

12、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 20Hz20kHz，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

13、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

14、 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 2V24V 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

15、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

16、 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 500A 的参考电流并把它转化成一个电压值。当 IREF=500 A时，其传递函数如下：VOUT= A/B R23 AD698 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

17、、 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 C1C1=35 FHz/ 。（ 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：VEXC24V10 R110012VVEXC24V0.1k R11k5VVEXC12V1kR110k0VVEXC5V10k R1 100k(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

18、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 d500A)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。

19、其阻值可由下述公式推算得出：Vos=1.2V R21/(R3+2k )-1/(R4+2k )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

20、的数据列表如下：正向采集位移（ mm）5678910111213电压（v）7.456.856.095.404.633.822.841.850.93位移（ mm）141516171819202122电压（v）0.06-0.85-1.8-2.74-3.78-4.53-6.40-7.23-7.455逆向采集位移（ mm）222120191817161514电压（ v）-7.50-7.24-6.26-5.50-4.53-3.64-2.62-1.74-0.71位移（ mm）1312111098765电压 （v）0.391.342.323.154.114.515.826.587.052. 数据分析通过 M

21、ATLAB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

22、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： 117-1232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， 1999：185-2063强锡富 传感器 机械工业出版社 2004 ：62-1054张国雄 测控电路 机械工业出版社 2009 ：