LVDT線性位移傳感器的設計

1、LVDT線性位移傳感器的設計一、引言 差動變壓器式傳感器的特點是靈敏度高、分辨力大，能測出0.1um更小的機械位移變化;傳感器的輸出信號強，有利于信號的傳輸；重復性好，在一定位移范圍內，輸出特性的線性度好，并且比較穩(wěn)定，因此廣泛應用于壓力、位移傳感器的設計制造中，尤其在航空、航天等環(huán)境惡劣、環(huán)境溫度高的壓力測量方面，也得到了廣泛的應用。二、方案論證1.參數(shù)要求給定原始數(shù)據(jù)及技術要求1）.最大輸入位移為100mm2）靈敏度不小于80V/m3）非線性誤差不大于10%4）零位誤差不大于1mv5）.電源為9v，400HZ6）.最大尺寸結構為160mmX21mm2.方案討論根據(jù)給定技術要求選擇電感變換元

2、件的類型及測量電路的形式，如圖1所示圖1、傳感器的組成框圖1）傳感器電感變換元件類型的選擇 （1）測量范圍小，如位移從零點幾微米至數(shù)百微米，且當線性范圍也小時，常用E形或II形平膜硅鋼片疊成的電感式傳感器或差動變壓器。 (2) 螺線管，常用于測量1mm以上至數(shù)百毫米的大位移，其線性范圍也較大。2）測量電路的選擇測量電路主要依據(jù)選定的電感變換器的種類、用途、靈敏度、精度及輸出形式等技術要求來確定。3.螺管型差動變壓器的工作原理差動輸出電動勢為 E = jI1(M1-M2) = jI1M = fM所以,差動變壓器輸出電動勢為兩副邊線圈互感之差M的函數(shù)。螺管型差動變壓器結構復雜，常用二節(jié)式、三節(jié)式、

3、一節(jié)式的靈敏度高，但三節(jié)式的零點較好。差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。這種類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。圖2為三節(jié)式螺管型差動變壓器的示意圖。圖2 三節(jié)式差動變壓器的結構形式三螺管型差動變壓器的參數(shù)計算現(xiàn)以三節(jié)式螺管型差動變壓器式傳感器為例來說明參數(shù)的設計計算方法，其結構如圖3。由推導的數(shù)學模型可知：所推導處的各種公式是設計螺管型差動變壓器式傳感器的主要依據(jù)。1.激磁繞組

4、長度的確定通常是在給定非線性誤差及最大動態(tài)范圍lMAX的條件下來確定值b，即聯(lián)立以上各式解得 （3-1）2.銜鐵的長度的確定由結構圖3的幾何尺寸關系可知，鐵芯的長度為：式中、l1,l2 -銜鐵在兩個副邊繞組m中的長度； d-初次線圈間骨架厚度；b-原邊線圈的長度；m-兩副邊繞組長度。初始狀態(tài)時有l(wèi)1=l2=l0，則銜鐵的長度由圖3的幾何尺寸有 （3-2）設計時，一般取l0=b，故有l(wèi)c=3b+2d，通常取db，則lc=3b由式（3-1）求得為b=2.24cm，求得為lc=6.72cm。3.副邊線圈長度的確定設：（1）銜鐵插入到兩個副邊繞組的長度分別為l1、l2，且在初始狀態(tài)時：l1=l2=l0

5、； （2）最大動態(tài)范圍lMAX為已知給定值。則應該成立，才能保證銜鐵工作時不會超出線圈以外。一般取l0=b，則 （3-3）式中，保證在最大動態(tài)范圍lMAX時銜鐵仍不會超出線圈之外的保險余量。一般取=210mm ，在b值較小時，值可取大一些。此處取為=10mm，求得m=5.85mm。4.經(jīng)驗數(shù)據(jù)一般銜鐵長度lc與銜鐵半徑rc之比可取為 骨架外徑R與內徑r之比可取為R / r = 28在設計骨架內徑r與銜鐵半徑rc應盡量取得相近，即r=rc，這樣可簡化計算工作量。由為lc=10.05，求得為rc=0.5cm，R為1cm（取R / r = 2）。圖3、螺管差動變壓器式結構以及磁場分布圖5.激磁電壓頻

6、率的選定電源電壓的頻率會影響到靈敏度鐵損和耦合電容以及線圈阻抗的損耗等。其結果都將影響輸出電壓的大小，所以對電源頻率的選擇也是一個非常重要的參數(shù)，由于上述原因，電源頻率需要根據(jù)頻率特性來選取。 在忽略傳感器的渦流損失，鐵損失和耦合電容等影響，其等效電路如圖4所示。圖4、差動變壓器式傳感器等效電路設：1. Ep、I-初級線圈激磁電壓及電流；2. L1、Rp-初級線圈電感及電阻3.M1、M2-初級與次級線圈間互感4. Ls1、Ls2、Rs1、Rs2-次級線圈的電感與電阻值5. E0 -兩個次級差動電勢由等效電路有以下各式成立：聯(lián)立以上各式 解得： （3-4）令 ，則上式變?yōu)?由此式（3-4）可知1

7、. ，即增加，也增加2.當時，則，此時輸出與頻率無關3.當超出某一值（取決于銜鐵材料），則集膚效應增加，使鐵損等增大，輸出減小而使靈敏度 減小。4.靈敏度與間特性曲線如圖5所示，其靈敏度為圖5、激磁電壓頻率與靈敏度關系曲線由圖5知1電源頻率應選在曲線中間平坦區(qū)域，保證頻率變化時電壓保持不變。2根據(jù)鐵芯使用的磁性材料來確定最高頻率，以保證靈敏度不會變，這樣既可以放寬對頻率穩(wěn)定性的要求，又可以在一定電壓下減小磁通或安匝數(shù)。從而減小傳感器的尺寸。6.靈敏度的確定靈敏度為 （3-5）7.原邊與副邊繞組匝數(shù)的確定由式(3-5)可知：當安匝數(shù)IN1增加時，可使靈敏度SM增加，但IN1的增加將受到線圈導線允

8、許電流密度、導線散熱面積以及磁飽和等因素的限制。下面利用這三個條件來確定N1和N2。1）按允許的電流密度計算安匝數(shù)由電流密度的定義和窗口面積容納線圈的約束條件，有以下各式成立：聯(lián)立上述兩式解得故得 （3-6）式中， jg-電流密度，??； q-導線截面積； Q-骨架窗口截面積； kc-填充系數(shù)，；又Q=7.525cm2 求得 .由式（3-6）可見，Q增大，IN數(shù)增加，但受幾何尺寸限制。2）按線圈發(fā)熱計算IN值因為線圈有銅損耗電阻，所以要消耗一定的功率而轉換為熱量，為了保證線圈不被燒壞，必須滿足以下條件。設：為每瓦功率所需要的散熱面積，為線圈外表散熱面積，則應滿足聯(lián)立上述各式，解得 （3-7）式中

9、-導線電阻率，取銅導線在室溫下的電阻率，為-每匝平均長度，求得為4.7124cm取求得 ，代入求得IN356由式（3-7）可知：要使IN增加，則必使Q和So增大，同時使減小，所以決定了傳感器為細長形狀的結構。3）按磁飽和計算安匝數(shù)因為磁路中由激磁電流確定的磁通量為 所以得 （3-8）為使工作在磁化曲線的線性段，需要滿足一下條件：式中 Bc-基本磁化曲線飽和點的磁感應強度；材料為坡莫合金，取; A-導磁體截面積；計算得10.05cm； RM-材料磁阻，計算為 ;求得IN為; 。綜合三者，取最小值為IN=356A工程設計時，常利用式（3-6）式（3-7）和式（3-8）三個公式，采用試探法來確定值，

10、其步驟如下：1.先由式計算出一個IN值2.將計算出的IN值代入式（3-7）和式（3-8）中進行驗算，經(jīng)過反復修正后得到滿意的IN值。3.再由，算出N值，從而得到的I值（）。取;8.差動變壓器變壓比的確定由式（3-5）得， （3-9）若使次級繞組增加，將會造成零漂移且電阻增加造成銅損增大，并易受到干擾。因此，一般設計時，當初級線圈的匝數(shù)為N1=500匝1500匝時，常取。要求；求得;取N1=8275; N2=16548四、測量電路的設計測量電路的功能是對傳感器的輸出信號進行處理，差動變壓器型位移傳感器的測量通常采用AD698芯片進行采集處理。AD698與LVDT配合，能夠高精確和高再現(xiàn)性地將LV

11、DT的機械位移轉換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698具有所有必不可少的電路功能，只要增加幾個外接元源元件來確定激磁頻率和增益，就能把LVDT的次級輸出信號按比例地轉換成直流信號。1. AD698的特點（1）AD698提供了用單片電路來調理LVDT信號的完整解決方案，它含有內部晶振和參考電壓源，只需附加極少量的無源元件就可實現(xiàn)位置的機械變量到直流電壓的轉換，并且無需校準。其單極性或雙極性直流電壓輸出正比于LVDT的位移變化。（2）驅動LVDT的激磁信號頻率為20Hz20kHz，它取決取于AD698的一個外接電容器。AD698的輸出電壓有效值達24V，能夠直接驅動LVDT的初級激磁線圈，LVD

12、T的次級輸出電壓有效值可以低于100mV。（3）振蕩器的幅值隨溫度變化不會影響電路的整體性能。AD698采用比率譯碼方案，即通過計算次級電壓與初級電壓的比率來確定LVDT的位置和方向，無需整定。2 AD698的工作原理2.1 AD698與LVDT的連接LVDT是一種機械-電子傳感器，其輸入是磁芯的機械移動，輸出是與磁芯位置成正比的交流電壓信號。LVDT由一個初級線圈和二個次級線圈組成，初級線圈由外部參考正弦波信號源激勵，二個次級線圈反向串聯(lián)?；顒哟判镜囊苿涌筛淖兂跫壘€圈之間的耦合磁通，從而產(chǎn)生二個幅值不同的交流電壓信號。串聯(lián)次級線圈的輸出電壓隨著磁芯移離中心位置升高，通過測量輸出電壓的相位可以

13、判斷磁芯移動的方向。AD698與LVDT連接的功能框圖如圖6所示。圖6、AD698和LVDT連接圖2.2 AD698的工作原理AD698首先驅動LVDT，然后讀出LVDT的輸出電壓并產(chǎn)生一個與磁芯位置成正比的直流電壓信號。AD698用一個正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器來驅動LVDT，并用二個同步解調級來對初級和次級電壓進行解碼，解碼器決定了輸出電壓與輸入驅動電壓的比率（A/B）。濾波級和放大器可按比較整輸出結果。振蕩器中包含一個多諧振蕩器，該多諧振蕩器產(chǎn)生一個三角波，并驅動正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一個低失真的正弦波，正弦波的頻率和幅值由一個電阻器和一個電容器決定。輸出頻率在20Hz20kHz可調，輸出有

14、效幅值在2V24V可調。總諧波失真的典型值是50dB。AD698通過同步解調輸入幅值A（次級線圈側）和一個固定的參考輸入B（初級線圈側或固定輸入）。早期解決方案的共同問題是驅動振蕩器幅值的任何漂移都會直接導致輸出增益的錯誤。AD698通過計算LVDT輸出與輸入激勵的比率消除了所有的偏移影響，從而避免了這些錯誤。AD698不同于AD598型的LVDT信號調理器，因為它實現(xiàn)了一個不同的電路傳遞函數(shù)，并且不要求LVDT次級線圈（A+B）是一個隨行程長度而定的常量。AD698的輸入包括二個獨立的同步解調通道A和B。B通道用來監(jiān)測驅動LVDT的激勵信號，A通道的作用與之相同，但是它的比較器引腳是單獨引出

15、來的。因為在LVDT處于零位的時候，A通道可能達到0V，所以A通道解調器通常由初級電壓（B通道）觸發(fā)。另外，可能還需要一個相位補償網(wǎng)絡給A通道增加一個相位超前或滯后量，比此來補償LVDT初級對次級的相位偏移。一旦二次通道信號被解調和濾波后，再通過一個除法電路來計算比率A/B，除法器的輸出是一個矩波信號。當A/B等于1時，矩形波的占空比為100%。輸出放大器測量500A的參考電流并把它轉化成一個電壓值。當IREF=500A時，其傳遞函數(shù)如下：VOUT=×A/B×R23 AD698的參數(shù)計算AD698單電源供電時的外圍電路如圖7所示。圖7、AD698測量電路圖外部無源元件的參數(shù)

16、設置包括激勵信號的頻率和有效幅值、AD698輸入信號的頻率和比例因子（V/inch）。下面就以最為常用的單電源供電方式為例，說明元器件選擇及其參數(shù)設置的主要步驟。（1）選擇激勵信號頻率來決定C1C1=35FHz/。（2）依據(jù)激勵信號的電壓幅值來決定VR1通常根據(jù)下表確定VR1：VEXC24V10R110012VVEXC24V0.1kR11k5VVEXC12V1kR110k0VVEXC5V10kR1100k（3）C2、C3和C4是根據(jù)AD698位移測量系統(tǒng)所要求帶寬fSUBSYSTEM的函數(shù)確定。原則上它們的電容值應該相等，即：C2=C3=C4=FHz/fSUBSYSTEM。比如，系統(tǒng)要求帶寬為

17、250Hz，則C2=C3=C4=FHz/250Hz=0.4。(4)VR2用來設定AD698的增益和滿量程時的輸出范圍計算VR2需要以下相關參數(shù)：a. LVDT的敏感度S：它的值可以在生產(chǎn)廠家目錄手冊中查到，單位是V/V/mile，其物理意義是每英寸的位移每伏特的輸入對應的電壓輸出伏特。b. LVDT的磁芯從零位到滿量程的位移d。在S和d確定后，VR2的計算公式如下：R2=VOUT/（S×d×500A）其中，VOUT是相對于參考信號（引腳21）的輸出。（5）R3、R4可實現(xiàn)正、負輸出電壓補償調節(jié)。如果不需要補償調節(jié)，R3、R4應被開路。其阻值可由下述公式推算得出：Vos=1.

18、2V×R2×1/(R3+2k)-1/(R4+2k)其中Vos是正或負輸出電壓補償值。五、數(shù)據(jù)采集與處理分析 1數(shù)據(jù)采集通過對差動變壓器傳感器理論分析，得出位移量x與測量電路輸出電壓U近似成線性關系。于是采用MSP430F149低功耗型單片機進行AD電壓采集，并把采集處理后的信號通過串口發(fā)送到計算機進行顯示，具體框圖如下：圖8、數(shù)據(jù)采集及處理框圖傳感器經(jīng)過測量電路得出的模擬信號接到單片機，單片機經(jīng)過AD電壓采集處理，通過串口傳給計算機，利用VB便也界面（如圖9），人性化顯示數(shù)據(jù)結果。圖9、VB數(shù)據(jù)采集窗口通過上述方法采集的數(shù)據(jù)列表如下：正向采集位移（mm）5678910111

19、213電壓（v）7.456.856.095.404.633.822.841.850.93位移（mm）141516171819202122電壓(v)0.06-0.85-1.85-2.74-3.78-4.53-6.40-7.23-7.45逆向采集位移（mm）222120191817161514電壓（v）-7.50-7.24-6.26-5.50-4.53-3.64-2.62-1.74-0.71位移（mm）1312111098765電壓(v)0.391.342.323.154.114.515.826.587.052.數(shù)據(jù)分析通過MATLAB對上述數(shù)據(jù)進行擬合處理得出位移、電壓特性圖，如圖10所示。圖10、位移x（mm）、電壓U（V）特性圖由圖4，