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

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

2、/p><p><b>　　學(xué)號：</b></p><p>　　一．差動變壓器的工作原理</p><p>　　把被測的非電量變化轉(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, 并且次級繞組都用差動形式連接, 故稱差動變壓器式傳感器。 </p><p>　　差動變壓器式傳感器中兩個次級線

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)初級繞組N1加以激勵電壓U1 時, 根據(jù)變壓器的工作原理, 在兩個次級繞組N2a和N2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2a和E2b。 如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱,則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時,　必然會使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理, 將有 E2a=E2b。由于變壓器兩次級繞組反向串聯(lián),因而U2=E2a-E2b=0，即差動變

4、壓器輸出電壓為零。  </p><p>　　差動變壓器等效電路，當(dāng)次級開路時有 </p><p><b>　　</b></p><p>　　式中: ω——激勵電壓 U1 的角頻率; </p>

5、<p>　　U1 ——初級線圈激勵電壓; </p><p>　　I1 ——初級線圈激勵電流; </p><p>　　r1、 L1——初級線圈直流電阻和電感。</p><p>　　根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 次級繞組中感應(yīng)電勢的表達(dá)式分別為:</p><p>　　由于次級兩繞組反向串聯(lián), 且考慮到次級開路, 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) 活動銜鐵處于中間位置時</p><p>　　 M1=M2=M </p><p><b>　　故U2 =0。</b></p><p>　　(2) 活動銜鐵向上移動時</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) 活動銜鐵向下移動時</p><p>　　 M1=M-ΔM M2=M+ΔM</p><p>　　故 ,

9、 與 E2b同極性。 </p><p>　　綜上所述：差動輸出電動勢為</p><p>　　所以，差動變壓器輸出電動勢為兩副邊線圈互感之差的函數(shù)。</p><p>　　二．螺管型差動變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　螺線管式差動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．螺管型差動變壓器的參數(shù)計算</p><p>　　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(shè)計計算方法，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)計螺管型差動變壓器式傳感器的主要依據(jù)。</p>

11、<p><b>　　激磁繞組長度的確定</b></p><p>　　通常是在給定非線性誤差及最大動態(tài)范圍的條件下來確定值，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，鐵芯的長度為</p><p>　　式中、--銜鐵在兩個副邊繞組中的長度；</p><p>　　--初次線圈間骨架厚度；</p><p>　　--原邊線圈的長度；</p><p>　　--兩副邊繞組長度；</p><p&

13、gt;　　初始狀態(tài)時有，則銜鐵的長度由圖二的幾何尺寸有</p><p>　　設(shè)計時，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>　　副邊線圈長度的確定</b></p><p>　　設(shè)：銜鐵插入到兩個副邊繞組的長度分別為、，且在初始狀態(tài)時：

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

15、　經(jīng)驗數(shù)據(jù)</b></p><p>　　一般銜鐵長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)計骨架內(nèi)徑與銜鐵半徑應(yīng)盡量取得相近，即，這樣可簡化計算工作量。</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。 </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)：、--初級線圈激磁電壓及電流；</p><p>　　、--初級線圈電感及電阻</p><p>　　、--初級與次級線圈間互感</p><p>　　、、、--次級線圈的電感與電阻值</p><p>　　--兩個次級差動

18、電勢</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，則，此時輸出與頻率無關(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，保證頻率無變化時電壓保持不變。</p><p>　　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，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。下面利用這三個條件來確定和。</p><p>　　1）按允許的電流密度計算安匝數(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，增大，數(shù)增加，但受幾何尺寸限制。</p><p>　　2）按線圈發(fā)熱計算值</p><p>　　因為線圈有銅損耗電阻，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，同時使減小，所

26、以決定了傳感器為細(xì)長形狀的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3）按磁飽和計算安匝數(shù)</p><p>　　因為磁路中由激磁電流確定的磁通量為</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、點的磁感應(yīng)強度；材料為坡莫合金，取Bc=0.5T；</p><p>　　--導(dǎo)磁體截面積；計算得；</p><p>　　--材料磁阻，計算為;</p><p><b>　　求得為;</b></p><p>　　綜合三者，取最小值為=，</p><p>　　工程設(shè)計時，常利用式式和式三個公式，采用試

28、探法來確定值，其步驟如下：</p><p><b>　　先由式計算出一個值</b></p><p>　　將計算出的值代入式和式中進(jìn)行驗算，經(jīng)過反復(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.差動變壓器變壓比的確定</p><p><b>　　由式得，</b></p><p>　　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。</p><p>　　因此，一般設(shè)計時，當(dāng)初級線圈的匝數(shù)為匝~匝時，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>　　以上兩點是矛盾的，可根

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

33、>　　最高頻時，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度的1/4-1/5。</p><p><b>　　屏蔽措施</b></p><p>　　為防止干擾信號的影響，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．差動變壓器的誤差</p><p><b>　　非線性誤差</b></p><p>　　差動螺線管式的輸出電壓為</p><p><b>　　若略去二次項，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，輸出電壓，所以電源電壓

36、幅值的變化和頻率的變化將對有影響。因此，設(shè)計時，要采取穩(wěn)壓，穩(wěn)頻措施。</p><p>　　差動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。在電源頻率較低時選用恒流源做激勵電源，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，具體計算方法見電阻應(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，使初級線圈銅電阻變化，則由此引起輸出電壓變化的相對值

38、為</p><p><b>　　由式可知：</b></p><p>　　在低頻工作時，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，可在初級回路

39、中串聯(lián)一個高阻值的降壓電阻，使激勵電流近似不變或用熱敏電阻進(jìn)行溫度補償，這是由于激勵回路中，則，</p><p>　　當(dāng)取時，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，使溫度誤差得到補償。</p><p>　　差動變壓器一般使用溫度可達(dá)，特殊設(shè)計可也使用到。</p><p><b>　　電磁吸力誤差

40、</b></p><p>　　差動變壓器的銜鐵工作在磁場中，在各個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>　　--初級線圈激勵電流</p><p><b>　　--初級線圈電感值</b></p><p><b>

41、;　　--銜鐵位移量</b></p><p>　　當(dāng)銜鐵運動時，若位移增加，則減小，而使為負(fù)值，這就表明當(dāng)銜鐵離開零點位置，受到電磁力是將其拉回零位的吸力。圖所示為差動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，他是一個變化力。</p><p>　　由可知：減小激勵電流可使顯著減小，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，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)和磁路的對稱性，結(jié)構(gòu)上可采用磁路調(diào)節(jié)機構(gòu)-可調(diào)節(jié)端蓋，來提高磁路的對

44、稱性，如圖所示。</p><p>　　采用電路補償值：補償零位電壓的電路如圖所示。</p><p><b>　　五：實驗總結(jié)：</b></p><p>　　經(jīng)過這次課程設(shè)計是我對傳感器的知識有了更為深刻的了解，對傳感器更加感興趣，通過實踐的環(huán)節(jié)增進(jìn)了對傳感器的掌握。使我產(chǎn)生了濃厚的興趣，為接下來的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)，希望借這次實驗的機會可以是

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