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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上采用差動(dòng)變壓器式電感傳感器設(shè)計(jì)一套位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案1.差動(dòng)變壓器式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的, 并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接, 故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙式、 變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。非電量測(cè)量中, 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器, 它可以測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移, 并具有測(cè)量精度高, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。2.工作原理差動(dòng)變壓器是一種線圈互感隨銜鐵位移而變化的轉(zhuǎn)換器。差動(dòng)變壓器等效電路如圖1所示。圖1

2、差動(dòng)變壓器等效電路其磁路是開放的, 次級(jí)的2 個(gè)線圈連接成差動(dòng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖1可以推算差動(dòng)變壓器輸出電壓的有效值為 (1)式中 M1, M2 分別為初級(jí)線圈L1 與次級(jí)線圈L 21, L22的互感, H; R1 為初級(jí)線圈的電阻, 8 ; Ui 為初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓, V。差動(dòng)變壓器的互感量與其內(nèi)部的磁場(chǎng)變化相關(guān)聯(lián),而磁場(chǎng)的變化又取決于銜鐵在開磁路中的位置。因此, 在一定范圍內(nèi), 只要銜鐵位移, 差動(dòng)變壓器的輸出電壓就產(chǎn)生相應(yīng)的變化, 近似線性關(guān)系, 輸出電壓Uo 是銜鐵位移量x 的單值函數(shù)。銜鐵在差動(dòng)變壓器的幾何中心位置時(shí), 如次級(jí)的2個(gè)線圈的參數(shù)和磁路尺寸相等, 則M 1 = M2, 參照式

3、( 1)運(yùn)算, 此時(shí), 差動(dòng)變壓器的輸出電壓為零。但實(shí)際制作時(shí), 次級(jí)2個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸存在一定的差異, 所以, 當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí), 定有不平衡輸出, 即存在零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓包含基波和高次諧波。基波的正交分量使輸出信號(hào)產(chǎn)生相移, 相移跟隨輸出信號(hào)的大小而變化。高次諧波分量是磁性材料磁化曲線的非線性引起的。零殘電壓的存在造成極大的負(fù)面效應(yīng), 使傳感器在零點(diǎn)附近測(cè)量時(shí)靈敏度大大降低, 分辨力變差, 測(cè)量誤差增大。為了最大限度地消除零殘電壓, 首要條件是保證次級(jí)2個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸的一致性和磁路的對(duì)稱性。在此基礎(chǔ)上, 選擇適宜的補(bǔ)償電路亦是至關(guān)重要的, 可進(jìn)一步減小零

4、殘電壓。本方案使用圖2的補(bǔ)償電路, 電路中增加了反饋支路。圖2 差動(dòng)變壓器零殘電壓補(bǔ)償電路3. 差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓, 若用交流電壓表測(cè)量, 只能反映銜鐵位移的大小, 而不能反映移動(dòng)方向。另外, 其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電壓的目的, 實(shí)際測(cè)量時(shí), 常常采用相敏檢波電路。 (1)相敏檢波電路電路如圖 3所示。VD1、VD2、VD3、 VD4 為四個(gè)性能相同的二極管, 以同一方向串聯(lián)成一個(gè)閉合回路, 形成環(huán)形電橋。 輸入信號(hào)u2(差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓)通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個(gè)對(duì)角線。 參考信號(hào)u0通過

5、變壓器T2加入環(huán)形電橋的另一個(gè)對(duì)角線。 輸出信號(hào)uL從變壓器1與2的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用, 避免二極管導(dǎo)通時(shí)變壓器T2的次級(jí)電流過大。RL為負(fù)載電阻。u0的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)u2的幅值, 以便有效控制四個(gè)二極管的導(dǎo)通狀態(tài), 且u0和差動(dòng)變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電, 保證二者同頻、同相(或反相)。 圖 3 相敏檢波電路由波形圖(a)、(c)、 (d)可知, 當(dāng)位移x > 0時(shí), u2與u0同頻同相, 當(dāng)位移x< 0時(shí), u2與u0 同頻反相。 x> 0時(shí), u2與u0為同頻同相, 當(dāng)u2與u0均為正半周時(shí), 見圖 3(a), 環(huán)形電橋中二極管VD

6、1、D4截止, VD2、VD3導(dǎo)通, 則可得圖 3(b)的等效電路。 圖3波形圖根據(jù)變壓器的工作原理, 考慮到O、M分別為變壓器T1、 T2的中心抽頭, 則有 u01= u02= (4 - 29) u21= u22=(4 - 30) 式中 n1, n2為變壓器T1、T2的變比。采用電路分析的基本方法, 可求得圖 3(b)所示電路的輸出電壓uL的表達(dá)式: 同理當(dāng)u2與u0均為負(fù)半周時(shí), 二極管VD2、VD3截止, VD1、 VD4導(dǎo)通。 其等效電路如圖 3(c)所示, 輸出電壓uL 表達(dá)式與式(4 -31)相同, 說明只要位移x>0, 不論u2與u0是正半周還是負(fù)半周,負(fù)載RL兩端得到的電

7、壓uL始終為正。當(dāng)x<0時(shí),u2與u0為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當(dāng)x<0時(shí), 不論u2與u0是正半周還是負(fù)半周, 負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓uL表達(dá)式總是為所以上述相敏檢波電路輸出電壓uL的變化規(guī)律充分反映了被測(cè)位移量的變化規(guī)律, 即uL的值反映位移x的大小, 而uL的極性則反映了位移x的方向。 振蕩器RC選頻網(wǎng)絡(luò)和同相比例運(yùn)算電路所構(gòu)成的RC橋式正弦波振蕩電路。電路中負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的R1,Rf以及正反饋網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的R和C,并聯(lián)的R和C各為一臂構(gòu)成橋路。集成運(yùn)放的輸出端和“地接橋路的兩個(gè)頂點(diǎn)作為電路的輸出;集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端接另外兩個(gè)頂點(diǎn),是集成運(yùn)放的凈輸入電壓。RC橋式正弦波振蕩電路具有大的輸入電阻和小的輸出電阻,減小放大電路對(duì)選頻特性的影響,使振蕩頻率幾乎僅由選頻網(wǎng)絡(luò)決定。壓控低通濾波器放大器與電阻R2,R3構(gòu)成同相放大器,稱為壓控電壓源。電路中既引入了負(fù)反饋,又引入了正反饋。當(dāng)信號(hào)頻率趨于零時(shí),由于C的電抗趨于無(wú)窮大,因而正反饋很弱;當(dāng)信號(hào)頻率趨于無(wú)窮大時(shí),由于C的電抗趨于零,因而V0趨于零。所以只要正反饋引入得當(dāng),就既能在f=f0時(shí)使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大,又不會(huì)因正反饋過強(qiáng)而產(chǎn)生自激振蕩。壓控電壓源可由任何增益有限的電壓放大器實(shí)現(xiàn),壓控增益為Kf=1

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