傳感器課程設(shè)計(jì)---差動(dòng)變壓器式位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　《傳感器課程設(shè)計(jì)》</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：差動(dòng)變壓器式位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　學(xué)院：</b></p><p><b>　　班級(jí)：</b></p><p><b>　　姓名：</b><

2、/p><p><b>　　學(xué)號(hào)：</b></p><p>　　一．差動(dòng)變壓器的工作原理</p><p>　　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。 </p><p>　　差動(dòng)變壓器式傳感器中兩個(gè)次級(jí)線

3、圈反向串聯(lián), 并且在忽略鐵損、 導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下, 其等效電路如下圖所示。 當(dāng)初級(jí)繞組N1加以激勵(lì)電壓U1 時(shí), 根據(jù)變壓器的工作原理, 在兩個(gè)次級(jí)繞組N2a和N2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2a和E2b。 如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱,則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí),　必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理, 將有 E2a=E2b。由于變壓器兩次級(jí)繞組反向串聯(lián),因而U2=E2a-E2b=0，即差動(dòng)變

4、壓器輸出電壓為零。  </p><p>　　差動(dòng)變壓器等效電路，當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí)有 </p><p><b>　　</b></p><p>　　式中: ω——激勵(lì)電壓 U1 的角頻率; </p>

5、<p>　　U1 ——初級(jí)線圈激勵(lì)電壓; </p><p>　　I1 ——初級(jí)線圈激勵(lì)電流; </p><p>　　r1、 L1——初級(jí)線圈直流電阻和電感。</p><p>　　根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為:</p><p>　　由于次級(jí)兩繞組反向串聯(lián), 且考慮到次級(jí)開(kāi)路, 則由以上關(guān)系可得: <

6、/p><p><b>　　 </b></p><p>　　輸出電壓的有效值為</p><p>　　 </p><p>　　下面分三種情

7、況進(jìn)行分析。</p><p>　　(1) 活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)</p><p>　　 M1=M2=M </p><p><b>　　故U2 =0。</b></p><p>　　(2) 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)</p><p>　　 M1=M+ΔM M

8、2=M-ΔM</p><p>　　故 U2 =2ωΔM U1 /［r21+（ωL1）2］1/2, 與E2a同極性。 </p><p>　　(3) 活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)</p><p>　　 M1=M-ΔM M2=M+ΔM</p><p>　　故 ,

9、 與 E2b同極性。 </p><p>　　綜上所述：差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)為</p><p>　　所以，差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)為兩副邊線圈互感之差的函數(shù)。</p><p>　　二．螺管型差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　螺線管式差動(dòng)變壓器按線圈繞組排列的方式不同可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類型, 如圖

10、所示。 一節(jié)式靈敏度高, 三節(jié)式零點(diǎn)殘余電壓較小, 通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類。 如下圖所示：</p><p>　　三．螺管型差動(dòng)變壓器的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　現(xiàn)以三節(jié)式螺管型差動(dòng)變壓器式傳感器為例來(lái)說(shuō)明參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其結(jié)構(gòu)如圖二。</p><p>　　由數(shù)學(xué)模型可知：所推導(dǎo)處的各種公式是設(shè)計(jì)螺管型差動(dòng)變壓器式傳感器的主要依據(jù)。</p>

11、<p><b>　　激磁繞組長(zhǎng)度的確定</b></p><p>　　通常是在給定非線性誤差及最大動(dòng)態(tài)范圍的條件下來(lái)確定值，即</p><p><b>　　聯(lián)立以上各式解得</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　銜鐵的

12、長(zhǎng)度的確定</b></p><p>　　由結(jié)構(gòu)圖二的幾何尺寸關(guān)系可知，鐵芯的長(zhǎng)度為</p><p>　　式中、--銜鐵在兩個(gè)副邊繞組中的長(zhǎng)度；</p><p>　　--初次線圈間骨架厚度；</p><p>　　--原邊線圈的長(zhǎng)度；</p><p>　　--兩副邊繞組長(zhǎng)度；</p><p&

13、gt;　　初始狀態(tài)時(shí)有，則銜鐵的長(zhǎng)度由圖二的幾何尺寸有</p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)，一般取，故有，通常取，則</p><p>　　由一中式求得為b=3.35cm，求得為=10.05cm。</p><p><b>　　副邊線圈長(zhǎng)度的確定</b></p><p>　　設(shè)：銜鐵插入到兩個(gè)副邊繞組的長(zhǎng)度分別為、，且在初始狀態(tài)時(shí)：

14、 ；</p><p>　　最大動(dòng)態(tài)范圍為已知給定值。則應(yīng)該成立，才能保證銜鐵工作時(shí)不會(huì)超出線圈以外。一般取，則</p><p>　　式中，--保證在最大動(dòng)態(tài)范圍時(shí)銜鐵仍不會(huì)超出線圈之外的保險(xiǎn)余量。一般取，在值較小時(shí)，值可取大一些。此處取為，</p><p><b>　　求得。</b></p><p><b>　

15、　經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　一般銜鐵長(zhǎng)度與銜鐵半徑之比可取為</p><p>　　骨架外徑與內(nèi)徑之比可取為</p><p>　　在設(shè)計(jì)骨架內(nèi)徑與銜鐵半徑應(yīng)盡量取得相近，即，這樣可簡(jiǎn)化計(jì)算工作量。</p><p>　　由為，求得為，為（?。?。</p><p><b>　　激磁電壓頻率的選

16、定</b></p><p>　　電源電壓的頻率會(huì)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(jié)果都將影響輸出電壓的大小，所以對(duì)電源頻率的選擇也是一個(gè)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(lái)選取。 </p><p&g

17、t;　　在忽略傳感器的渦流損失，鐵損失和耦合電容等影響，其等效電路如圖三所示。</p><p>　　設(shè)：、--初級(jí)線圈激磁電壓及電流；</p><p>　　、--初級(jí)線圈電感及電阻</p><p>　　、--初級(jí)與次級(jí)線圈間互感</p><p>　　、、、--次級(jí)線圈的電感與電阻值</p><p>　　--兩個(gè)次級(jí)差動(dòng)

18、電勢(shì)</p><p>　　由等效電路有以下各式成立：</p><p>　　聯(lián)立以上各式 解得：</p><p><b>　　令，則上式變?yōu)?</b></p><p><b>　　由此式可知</b></p><p><b>　　，即增加，也增加</b>&

19、lt;/p><p>　　當(dāng)時(shí)，則，此時(shí)輸出與頻率無(wú)關(guān)</p><p>　　當(dāng)超出某一值（取決于銜鐵材料），則集膚效應(yīng)增加，使鐵損等增大，輸出減小而使靈敏度減小。</p><p>　　靈敏度與間特性曲線如圖四所示，其靈敏度為</p><p><b>　　由圖四知</b></p><p>　　電源頻率應(yīng)選

20、在曲線中間平坦區(qū)域，保證頻率無(wú)變化時(shí)電壓保持不變。</p><p>　　根據(jù)鐵芯使用的磁性材料來(lái)確定最高頻率，以保證靈敏度不會(huì)變，這樣既可以放寬對(duì)頻率穩(wěn)定性的要求，又可以在一定能夠電壓下減小磁通或安匝數(shù)。從而減小傳感器的尺寸。</p><p><b>　　靈敏度的確定</b></p><p>　　靈敏度為</p>&l

21、t;p>　　原邊與副邊繞組匝數(shù)的確定</p><p>　　由6中式可知：當(dāng)安匝數(shù)增加時(shí)，可使靈敏度增加，但的增加將受到線圈導(dǎo)線允許電流密度、導(dǎo)線散熱面積以及磁飽和等因素的限制。下面利用這三個(gè)條件來(lái)確定和。</p><p>　　1）按允許的電流密度計(jì)算安匝數(shù)</p><p>　　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：</p>

22、<p><b>　　聯(lián)立上述兩式解得</b></p><p><b>　　故得</b></p><p>　　式中，--電流密度，??；</p><p><b>　　--導(dǎo)線截面積；</b></p><p>　　--骨架窗口截面積；</p><

23、;p>　　--填充系數(shù)，（=，?。?；</p><p>　　Q=7.525cm2；</p><p>　　求得IN=1.505X105A；</p><p>　　由式可見(jiàn)，增大，數(shù)增加，但受幾何尺寸限制。</p><p>　　2）按線圈發(fā)熱計(jì)算值</p><p>　　因?yàn)榫€圈有銅損耗電阻，所以要消耗一定的功率而轉(zhuǎn)換為熱

24、量，為了保證線圈不被燒壞，必須滿足以下條件。</p><p>　　設(shè)：為每瓦功率所需要的散熱面積，為線圈外表散熱面積，則應(yīng)滿足</p><p><b>　　聯(lián)立上述各式，解得</b></p><p>　　式中--導(dǎo)線電阻率，取銅導(dǎo)線在室溫下的電阻率，為</p><p>　　--每匝平均長(zhǎng)度，求得為</p>

25、<p><b>　　取</b></p><p><b>　　.</b></p><p><b>　　求得IN2≤2</b></p><p><b>　　代入求得≤356</b></p><p>　　由式可知：要使增加，則必使和增大，同時(shí)使減小，所

26、以決定了傳感器為細(xì)長(zhǎng)形狀的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3）按磁飽和計(jì)算安匝數(shù)</p><p>　　因?yàn)榇怕分杏杉ご烹娏鞔_定的磁通量為</p><p><b>　　所以得</b></p><p>　　為使工作在磁化曲線的線性段，需要滿足一下條件：</p><p>　　式中 --基本磁化曲線飽和

27、點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；材料為坡莫合金，取Bc=0.5T；</p><p>　　--導(dǎo)磁體截面積；計(jì)算得；</p><p>　　--材料磁阻，計(jì)算為;</p><p><b>　　求得為;</b></p><p>　　綜合三者，取最小值為=，</p><p>　　工程設(shè)計(jì)時(shí)，常利用式式和式三個(gè)公式，采用試

28、探法來(lái)確定值，其步驟如下：</p><p><b>　　先由式計(jì)算出一個(gè)值</b></p><p>　　將計(jì)算出的值代入式和式中進(jìn)行驗(yàn)算，經(jīng)過(guò)反復(fù)修正后得到滿意的值。</p><p>　　再由，算出值，從而得到的值（）。</p><p><b>　　取，； </b></p><p

29、>　　8.差動(dòng)變壓器變壓比的確定</p><p><b>　　由式得，</b></p><p>　　若使次級(jí)繞組增加，將會(huì)造成零漂移且電阻增加造成銅損增大，并易受到干擾。</p><p>　　因此，一般設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)初級(jí)線圈的匝數(shù)為匝~匝時(shí)，常取。</p><p><b>　　要求；</b><

30、;/p><p><b>　　求得</b></p><p><b>　　線圈骨架的確定</b></p><p><b>　　1）.骨架材料</b></p><p>　　常用酚醛。陶瓷。四氯乙烯等材料制線圈的骨架。</p><p>　　2）.線圈內(nèi)外徑比的確定&

31、lt;/p><p><b>　　由式可知</b></p><p><b>　　由式和式可知： </b></p><p><b>　　增大，靈敏度減小。</b></p><p>　　的增大，可使線圈的工作線性度增加。</p><p>　　以上兩點(diǎn)是矛盾的，可根

32、據(jù)設(shè)計(jì)要求來(lái)確定。</p><p><b>　　鐵芯材料的確定</b></p><p>　　通常根據(jù)采用的電源頻率來(lái)確定鐵芯的材料。</p><p>　　在低頻時(shí)，可采用工業(yè)純鐵</p><p>　　頻率較高時(shí)，采用硅鋼片</p><p>　　高頻時(shí)，采用坡莫合金</p><p

33、>　　最高頻時(shí)，可采用鐵 鈦氧</p><p>　　傳感器線性工作范圍的確定 </p><p>　　傳感器的線性工作范圍一般取為總長(zhǎng)度的1/4-1/5。</p><p><b>　　屏蔽措施</b></p><p>　　為防止干擾信號(hào)的影響，傳感器要采用屏蔽措施，一般傳感器的外層用電工鋼做屏蔽層，內(nèi)層用高導(dǎo)材料的坡

34、莫合金作屏蔽層，屏蔽條件要求高的可采用多層屏蔽。</p><p>　　四．差動(dòng)變壓器的誤差</p><p><b>　　非線性誤差</b></p><p>　　差動(dòng)螺線管式的輸出電壓為</p><p><b>　　若略去二次項(xiàng)，則得</b></p><p><b>

35、　　則非線性誤差為</b></p><p><b>　　,</b></p><p>　　電源幅值和頻率穩(wěn)定度造成的誤差</p><p><b>　　由式有</b></p><p>　　式中--電源電壓，。</p><p>　　所以，當(dāng)有、時(shí)，輸出電壓，所以電源電壓

36、幅值的變化和頻率的變化將對(duì)有影響。因此，設(shè)計(jì)時(shí)，要采取穩(wěn)壓，穩(wěn)頻措施。</p><p>　　差動(dòng)變壓器可采用的頻率，最常用的頻率。且電源頻率，才能正常工作。在電源頻率較低時(shí)選用恒流源做激勵(lì)電源，可消溫度誤差等影響。</p><p><b>　　溫度誤差</b></p><p>　　溫度變化將使傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)變化，而引起靈敏度變化。<

37、/p><p><b>　　由式有</b></p><p>　　式中：就是由于溫度變化而造成的靈敏度誤差，具體計(jì)算方法見(jiàn)電阻應(yīng)變片溫度誤差分析方法。</p><p>　　溫度變化引起線圈電阻變化造成的輸出電壓誤差。</p><p>　　一般銅導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)為，當(dāng)溫度變化時(shí)，使初級(jí)線圈銅電阻變化，則由此引起輸出電壓變化的相對(duì)值

38、為</p><p><b>　　由式可知：</b></p><p>　　在低頻工作時(shí)，線圈的品質(zhì)因數(shù)，所以 頻率減小將使值減小，誤差增大，為使值不變必須使增加而且減小，才能使誤差保持不變。</p><p>　　可采用補(bǔ)償電路和恒流源電源等方法減小溫度誤差，如圖所示。</p><p>　　圖所示為使用穩(wěn)壓源時(shí)，可在初級(jí)回路

39、中串聯(lián)一個(gè)高阻值的降壓電阻，使激勵(lì)電流近似不變或用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這是由于激勵(lì)回路中，則，</p><p>　　當(dāng)取時(shí)，有，而，所以增大則減小，但增大，若能滿足，即，適當(dāng)選擇，兩者可相互抵消，使，從而使回路電流保持不變，使溫度誤差得到補(bǔ)償。</p><p>　　差動(dòng)變壓器一般使用溫度可達(dá)，特殊設(shè)計(jì)可也使用到。</p><p><b>　　電磁吸力誤差

40、</b></p><p>　　差動(dòng)變壓器的銜鐵工作在磁場(chǎng)中，在各個(gè)不同的位置上都要受到電磁吸力，其大小為</p><p>　　式中--作用域銜鐵的軸向吸力</p><p>　　--初級(jí)線圈激勵(lì)電流</p><p><b>　　--初級(jí)線圈電感值</b></p><p><b>

41、;　　--銜鐵位移量</b></p><p>　　當(dāng)銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，若位移增加，則減小，而使為負(fù)值，這就表明當(dāng)銜鐵離開(kāi)零點(diǎn)位置，受到電磁力是將其拉回零位的吸力。圖所示為差動(dòng)變壓器銜鐵受到的電磁力與其位移的關(guān)系曲線。由曲線可知：</p><p>　　電磁力隨位移增大而增加，他是一個(gè)變化力。</p><p>　　由可知：減小激勵(lì)電流可使顯著減小，但由式知靈敏度也

42、要降低埋在不減小靈敏度的前提下，欲減小電磁力，只有適當(dāng)降低輸入電壓而提高其頻率來(lái)達(dá)到的減小。</p><p><b>　　零位誤差</b></p><p><b>　　零位誤差</b></p><p>　　指當(dāng)輸入為0時(shí)，其輸出電壓，如圖所示，即存在值。</p><p><b>　　由式有

43、</b></p><p>　　可知，若，則必須，但由于加工精度所限，使傳感器的幾何尺寸及材料特性不對(duì)稱，造成，從而使，即有存在。</p><p><b>　　減小零位電壓的方法</b></p><p>　　提高加工精度等級(jí)要求：盡可能保證傳感器幾何尺寸，線圈電氣參數(shù)和磁路的對(duì)稱性，結(jié)構(gòu)上可采用磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)-可調(diào)節(jié)端蓋，來(lái)提高磁路的對(duì)

44、稱性，如圖所示。</p><p>　　采用電路補(bǔ)償值：補(bǔ)償零位電壓的電路如圖所示。</p><p><b>　　五：實(shí)驗(yàn)總結(jié)：</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)是我對(duì)傳感器的知識(shí)有了更為深刻的了解，對(duì)傳感器更加感興趣，通過(guò)實(shí)踐的環(huán)節(jié)增進(jìn)了對(duì)傳感器的掌握。使我產(chǎn)生了濃厚的興趣，為接下來(lái)的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)，希望借這次實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)可以是

45、自己更加有耐心面對(duì)接下來(lái)的學(xué)習(xí)。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一．差動(dòng)變壓器的工作原理………………………………（3）</p><p>　　二．螺管型差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………（4）</p><p>　　三．螺管型差動(dòng)變壓器的參數(shù)計(jì)算………………………（4）</p>