LVDT設計方案

1、LVDT設計方案1、LVDT等效電路 （1） （2） （3） （4）由式（1-4）可得： （5）其有效值為： （6）為初級線圈激勵電壓；初級線圈有效電阻；初級線圈電感; 初級線圈與次級線圈1間互感；初級線圈與次級線圈2互感；次級線圈1感生電動勢；次級線圈2感生電動勢；空載時次級線圈合成感生電動勢；初級勵磁電流；有效值；激磁電壓頻率；銜鐵向次級線圈1一邊移動時： （7） （8）輸出阻抗： （9）阻抗模為： （10）為銜鐵處于中間平衡位置時初次級線圈間互感；銜鐵處于中間平衡位置時，單個次級線圈的感生電勢；次級線圈1有效電阻；次級線圈1電感；次級線圈2有效電阻；次級線圈2電感。2、螺管型差動變壓器輸

2、出特性螺管型差動變壓器按繞組排列方式有一節(jié)式；兩節(jié)式；三節(jié)式等，一節(jié)式靈敏度較高，三節(jié)式零點誤差較小。其主要結(jié)構由三部分組成：線圈繞組、可移動銜鐵、導磁外殼。線圈繞組由初、次級繞組和骨架組成。三節(jié)式輸出特性： （11） （12） （13） （14） （15） （16） （17） （18）初級線圈長度；一個次級線圈長度；初級線圈匝數(shù)；次級線圈匝數(shù)；螺管線圈內(nèi)徑；螺管線圈外徑；銜鐵長度；銜鐵進入次級線圈1內(nèi)的長度；銜鐵進入次級線圈2中長度；銜鐵左端面到初級線圈左1端長度；銜鐵右端面到初級線圈2右端面的長度；次級線圈1以中磁感應強度；次級線圈2磁感應強度；初級激勵電流；為銜鐵位移量；為在中間平衡位置

3、時，銜鐵進入次級線圈內(nèi)長度；時，傳感器全長最小，假定最大位移時銜鐵不露出次級線圈，忽略，可得： （19）有上述公式可得三節(jié)式差動變壓器相關結(jié)構尺寸為：初級線圈長度： （20）次級線圈長度： （21）銜鐵長度： （22）兩段式差動變壓器輸出特性：原邊繞組建立磁場處于有損耗的均勻介質(zhì)中的螺線管軸線中某點所產(chǎn)生磁感應強度為： （23）為介質(zhì)磁導率，為單位螺線管長度上匝數(shù)，為螺線管電流，為螺線管半徑，為螺線管長度，為由于介質(zhì)損耗引起與 相位差。原邊繞組中包含鐵芯的那部分線圈近似地看作處于均勻鐵磁介質(zhì)中螺線管。穿過固定于鐵芯中坐標截面磁通量為： （24）在貼心長度遠大于直徑時，鐵心中磁感應強度可認為與無

4、關，假定鐵芯向右移動了，有： （25）為鐵芯半徑，為鐵芯材料導磁率，為單位長度原邊繞組上匝數(shù)，為激磁電流，為原邊繞組平均半徑。兩副邊繞組單位長度上匝數(shù)為，副邊繞組1和2所鏈磁通量及感應電動勢分別為： （26） （27） （28） （29）兩副邊繞組反接串聯(lián)總感應電動勢為： （30）在副邊繞組負載阻抗無限大時，輸出電壓為： （31） （32） （33） （34）線性化處理可得輸出特性為： （35）由上述公式可得其靈敏度系數(shù)為： （36）非線性誤差為： （37）有上述公式可得兩段式差動變壓器相關結(jié)構尺寸為：根據(jù)最大測量范圍，原邊繞組平均半徑及誤差，由上述公式可得鐵芯長度，上述分析均設定鐵芯移動時磁

5、場分布不變。根據(jù)實際情況中，鐵芯端部與原邊繞組端部相距小于時，鐵芯移動對磁場分布影響不可忽視問題。原邊繞組長度為： （38）3、差動變壓器特性參數(shù)靈敏度從靈敏度公式中可得傳感器結(jié)構對靈敏度的影響，在一定頻率范圍內(nèi)，靈敏度隨激勵頻率增加而提高。但高頻時，由于渦流損耗、磁滯損耗等因素，靈敏度反而下降。當負載阻抗遠大于差動變壓器內(nèi)阻時，粗選激勵頻率為： （20）出次級線圈匝數(shù)比；由式還可看出：靈敏度隨次級線圈匝數(shù)增加而增加，并呈線性關系，但次級線圈匝數(shù)的增加同時使傳感器體積和零點殘余電壓增加。此外，提高激勵電壓；提高線圈Q值；增大銜鐵直徑使其接近線圈繞組內(nèi)側(cè)，但不觸及線圈骨架；選用導磁性能好、鐵損小

6、、渦流損耗小的導磁材料等均可提高靈敏度。線性度及線性量程差動變壓器計算輸出特性為： （21）理想輸出特性為： （22）其線性度為輸出特性曲線和理想直線間最大偏差： （23）其線性度隨測量位移增大而增大，滿量程時最大。確定差動變壓器，線性度為常量，差動變壓器次級線圈兩端部和外層結(jié)構是靈敏度下降、線性度變壞的重要原因。最佳線性度時激勵頻率因銜鐵長度不同而不同，一般采用400HZ10KHZ。在滿足一定線性度要求情況下，線性范圍一般約為線圈骨架長度的1/101/4。激勵頻率差動變壓器激勵頻率對其靈敏度、線性度及銜鐵運動的可測信號頻率等均有影響，因此選擇合適激勵頻率對提高差動變壓器性能有重要作用。激磁頻

7、率選擇至少大于銜鐵運動頻率10倍。一般在2KHZ內(nèi)，此外激磁頻率受到測量系統(tǒng)機械負載效應、靈敏度、輸出電壓、線性度、線性量程及輸入輸出電壓相位差等參數(shù)影響，一般應綜合和參數(shù)選出最佳激勵頻率。相位特性差動變壓器次級電壓相對初級電壓一般存在一定相位差，其大小取決于差動變壓器類型、激勵頻率、負載等因素。一般小型、激勵頻率低相位差較大；大型激勵頻率高相位差小。為使初、次級電壓相位一致，可調(diào)整下式中或: （24）零位輸出電壓當差動變壓器銜鐵位于中間平衡位置時，對稱的兩個反向串接次級線圈差動輸出電壓出現(xiàn)偏差，不為零，通過調(diào)整難以消除該電壓，通常將此電壓成為零位輸出電壓。通過頻譜諧波分析可得，零位輸出電壓主

8、要由基波和高次諧波組成?；ㄓ型蚍至亢驼环至俊８叽沃C波有偶次諧波、三次諧波和外界干擾引起的諧波，其中起主要作用的是三次諧波。零位輸出電壓使傳感器輸出特性在零位附近不靈敏，并帶來測量誤差。因此零位輸出電壓大小是差動變壓器重要性能指標。零位輸出電壓主要產(chǎn)生原因：1、基波分量產(chǎn)生原因主要是次級繞組電氣參數(shù)和幾何尺寸的不對稱引起兩次級線圈感生電勢幅值、相位不同，使零位輸出電壓中存在基波分量。2、高次諧波中三次諧波是由磁性材料磁化曲線非線性引起。磁路工作在磁化曲線非線性段時，激勵電流產(chǎn)生磁通被削弱，這種削弱主要由基波和三次諧波組成，因此次級線圈零位輸出電壓中產(chǎn)生三次諧波。減小零位輸出電壓措施：1、盡

9、可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路的對稱，銜鐵等重要部件的加工精度。2、選用導磁性能好的材料制作保護外殼。3、控制鐵心最大工作磁感應強度，使其小于磁化曲線處對應值，使磁路工作在磁化曲線線性段，減小高次諧波。4、選用合適測量電路。5、采用補償電路。LVDT設計方案性能參數(shù)：額定行程：10mm最大機械行程：13mm精度：0.5輸出：0-5V工作電壓：9-36V工作溫度：-40-85根據(jù)上述差動變壓器原理及結(jié)構特性，結(jié)合設計要求性能參數(shù)，本方案采用兩段式差動變壓器式結(jié)構。鐵芯結(jié)構尺寸：根據(jù)最大測量范圍，原邊繞組平均半徑及誤差，由公式（37）可得鐵芯長度。在銜鐵運動不受阻的條件下盡量減少鐵芯和

10、繞組間隙，以提高靈敏度，一般銜鐵與骨架間隙為?？梢苿予F芯一般采用導磁性能良好的導磁材料，一般有工業(yè)純鐵、鐵氧體、坡莫合金。激磁頻率在500HZ以下時，一般采用工業(yè)純鐵；在50050KHZ間采用鐵氧體或坡莫合金。線圈繞組結(jié)構尺寸：由公式（38）得初級線圈繞組長度。次級線圈繞組長度一般為初級線圈繞組長度一半。繞組線圈一半由高強度漆包線繞制，一般用3648號漆包線。依據(jù)初次、級線圈繞組相關參數(shù)設計合理骨架尺寸。骨架結(jié)構尺寸：骨架一般采用高頻損耗小、膨脹系數(shù)小、抗潮濕性能好的絕緣材料制成，普通可采用膠木棒，要求高的可采用環(huán)氧玻璃釬維、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。骨架加工精度要求高，尺寸和形狀要求嚴格對稱。

11、導磁外殼作用為提供磁回路、磁屏蔽和機械保護，一般與可移動銜鐵為相同材料。對于工作于高頻的高精度差動變壓器，一般選用坡莫合金材料。鐵磁材料要經(jīng)過適當熱處理，去除應力，改善磁性能。線圈匝數(shù)：線圈匝數(shù)影響傳感器靈敏度，初級線圈匝數(shù)和匝數(shù)比的增加都會使靈敏度提高。在給定窗口面積下，一般選用低電阻率、高強度細線，直徑一般為0.040.16mm漆包線。由： （29） （30）為窗口填充系數(shù)，一般取0.30.7。窗口面積或螺管型差動變壓器可利用空間根據(jù)技術條件中規(guī)定最大結(jié)構尺寸確定。初級線圈匝數(shù)確定后（一般取5001500匝），次級線圈匝數(shù)一般盡可能大，以提高靈敏度，綜合匝數(shù)過大對零點輸出電壓影響，一般匝數(shù)

12、比取13。激勵電流和激勵電壓：激勵電壓和電流提高有利于提高靈敏度，過大激勵電壓和電流將損害傳感器或使繞組發(fā)熱造成信號飄移，磁路飽和造成靈位誤差增大。激勵電流由允許電流密度： （31）為允許電流密度，一般取。線圈發(fā)熱條件：線圈銅損電阻消耗功率轉(zhuǎn)換成熱量，每瓦消耗功率需一定散熱面積以保證傳感器正常工作。 （32） （33） （34）一般取，為線圈表面積。為保證良好散熱條件，一般要求線圈細長結(jié)構，導線電阻率小。不引起磁路飽和條件：在滿足式，在代入式驗算試探以減小零位誤差并確定激勵電流。 （35）銜鐵飽和磁感應強度；磁路截面積；磁路磁阻。根據(jù)下式確定激勵電流： （36）外殼結(jié)構：外殼設計要求：有足夠機

13、械強度，保證量程范圍，保證必要窗口面積，應夾持方便，有利于散熱，有良好磁、電屏蔽功能。信號處理電路：AD698作為一種完整的單片式線性位移差動變壓器信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能將LVDT的機械位置轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。其所有調(diào)理電路功能均集成在一塊芯片上，只需增加幾個外接無源元件，確定激勵頻率和輸出電壓幅值等即可實現(xiàn)對LVDT信號調(diào)理。其功能框圖如下：AD698工作原理：AD698首先驅(qū)動LVDT，然后讀出LVDT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用一個正弦波振蕩器和功率放大器驅(qū)動LVDT，用兩個同步解調(diào)級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(qū)

14、動電壓比率，濾波器和放大器可按比例調(diào)整輸出結(jié)果。振蕩器產(chǎn)生一個三角波，驅(qū)動正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一個低失真正弦波，其幅值和頻率由一個電阻器和一個電容器決定。輸出頻率在2020KHZ可調(diào)，幅值224V可調(diào)。總諧波失真典型值為50dB。AD698通過同步解調(diào)輸入幅值A（次級線圈側(cè)）與一個固定參考輸入B（初級線圈側(cè)或規(guī)定輸入）。通過計算輸出與輸入激勵比率消除所有偏移影響。相比AD598，AD698不要求LVDT次級線圈（A+B）是隨行程長度而定常量。兩個通道信號被解調(diào)和濾波后，再通過一個除法電路計算比率A/B，輸出一個矩形波型號，當A/B為1時，矩形波占空比為100.輸出放大器測量參考電流并將其轉(zhuǎn)化為電壓值，表示如下： （37）單電源供電方式下無源器件選擇及參數(shù)設置：（1）激勵頻率決定C1 C1=35uF HZ/f0 （38）（2）激勵電壓V1幅值決定R1一般情況下，V124V, 10R1100；12 VV124 V，0.1KR11K；5 VV112 V，1kR110k；0 VV15 V，10kR1100k。（3）C2 、C3、 C4為位置測量系統(tǒng)所要求帶寬f1函數(shù)，其電容值一般相等。 C2 =C3= C