wolf sdungeon:LVDT线性位移传感器数据检测技术 及测控电路课程设计
来源:百度文库 编辑:偶看新闻 时间:2024/04/28 21:40:26
LVDT线性位移传感器数据检测技术
及测控电路课程设计
姓名:吕国强
学号:0905010306
班级: 测控09-3班
学校: 哈尔滨理工大学
第一章
一、设计目的
1、根据LVDT线性位移传感器的工作原理,设计差动变压器电感式位移传感器(包括传感器参数设计和架构设计)。
2、学习集成芯片AD698工作原理以及与LVDT的连接的应用。
3、学习分析设计电路、AltiumDesigner绘制原理图及PCB图。
4、学习焊接电路板并完成电路板的调试。
5、了解传感器标定方法,并计算传感器的相关参数。
6、运用所学习的理论知识解决实际问题。
第二章
一、 原始数据及技术要求
1、 最大输入位移为1cm;
2、 灵敏度不小于1v/mm;
3、 非线性误差不大于10%;
4、 电源为直流30v;
二、 传感器原理设计
2-1.差动变压器的工作原理
因为差动输出电动势为
所以差动变压器输出电动势为两副边线圈互感之差
2-2.螺管型差动变压器的结构设计
螺管型差动变压器结构复杂,常用二段式、三段式、一节式的灵敏度高,但三节式的零点较好,如图一所示为三种形式的示意图。
1. 激磁绕组长度的确定
通常是在给定非线性误差
联立以上各式解得
取
2. 衔铁的长度
由结构图二的几何尺寸关系可知,铁芯的长度为
式中
初始状态时有
设计时,一般取
由一中式求得为b=2.24cm,求得为
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
②最大动态范围
式中,
求得m=3.34 cm。
4. 经验数据
一般衔铁长度
骨架外径
在设计骨架内径
由为
5. 原边与副边绕组匝数的确定
由6中式可知:当安匝数
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
故得
式中,
Q=(R-
求得IN=1.12896X102 A≈113A;
由式可见,
2)按线圈发热计算
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:
联立上述各式,解得
式中
取
求得IN2≤1.99957×105 A2
代入求得
由式可知:要使
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
为使工作在磁化曲线的线性段,需要满足一下条件:
式中
求得
综合三者,取最小值为
工程设计时,常利用式式和式三个公式,采用试探法来确定值,其步骤如下:
1先由式计算出一个
2将计算出的
3再由
4)确定导线的直径d
选用QZ型高强度漆包线,取线径d=0.24mm;
Q=(R-
导线截面积
N=837,I=0.135 A;
5)差动变压器变压比的确定
若使次级绕组
因此,一般设计时,当初级线圈的匝数为
6. 灵敏度的确定
灵敏度为
取激励电压频率f=500HZ,坡莫合金1j50 u=4pi×10-7 H/m。
则
7. 初级线圈电阻、电感的确定
L=
L=0.4646mH;
8. 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,其等效电路如图三所示。
设:1
2
3
4
5
由等效电路有以下各式成立:
联立以上各式 解得:
令
由此式可知
1
2当
3当
4灵敏度与
由图四知
1电源频率应选在曲线中间平坦区域,保证频率无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,又可以在一定能够电压下减小磁通或安匝数。从而减小传感器的尺寸。
由
2-4.差动变压器的误差
1. 非线性误差
差动螺线管式的输出电压为
若略去二次项,则得
则非线性误差为
2. 电源幅值和频率稳定度造成的误差
由式有
式中
差动变压器可采用的频率
3. 温度误差
1. 温度变化将使传感器的结构尺寸参数变化,而引起灵敏度变化。
由式有
式中:
2. 温度变化引起线圈电阻变化造成的输出电压误差。
一般铜导线电阻温度系数为
由式可知:
1. 在低频工作时,线圈的品质因数
2. 可采用补偿电路和恒流源电源等方法减小温度误差,如图所示。
图所示为使用稳压源时,可在初级回路中串联一个高阻值的降压电阻
当取
差动变压器一般使用温度可达
4. 电磁吸力误差
差动变压器的衔铁工作在磁场中,在各个不同的位置上都要受到电磁吸力,其大小为
式中
当衔铁运动时,若位移
电磁力
由可知:减小激励电流
5. 零位误差
1) 零位误差
指当输入为0时,其输出电压
由式有
可知,若
2) 减小零位电压
1. 提高加工精度等级要求:尽可能保证传感器几何尺寸,线圈电气参数和磁路的对称性,结构上可采用磁路调节机构-可调节端盖,来提高磁路的对称性,如图所示。
采用电路补偿
第三章
一、硬件电路部分设计
1、HLDT电路:由芯片AD698,差动传感器组成。完成了测量位移变化与输出电压的关系。其功能框图如下:
2、外围电路图设计如下:
甚低频滤波电路
放大电路
3、外围电路相关参数的确定:
1)依据激励信号VEXC,R1选取100k电位器;
2)依据激励信号频率的选择C1=0.07uf;
3)依据带宽选取C2=C3=C4=0.1uf;
4)依据灵敏度要求S=1v/mm则vout=10v,
R2=vout/(s*d*500uA)=4.158KΩ
第四章
测量电路的调试
第五章
实验总结