1、LVDT設(shè)計(jì)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(jí)線(xiàn)圈激勵(lì)電壓；初級(jí)線(xiàn)圈有效電阻；初級(jí)線(xiàn)圈電感; 初級(jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈1間互感；初級(jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈2互感；次級(jí)線(xiàn)圈1感生電動(dòng)勢(shì)；次級(jí)線(xiàn)圈2感生電動(dòng)勢(shì)；空載時(shí)次級(jí)線(xiàn)圈合成感生電動(dòng)勢(shì)；初級(jí)勵(lì)磁電流；有效值；激磁電壓頻率；銜鐵向次級(jí)線(xiàn)圈1一邊移動(dòng)時(shí)： （7） （8）輸出阻抗： （9）阻抗模為： （10）為銜鐵處于中間平衡位置時(shí)初次級(jí)線(xiàn)圈間互感；銜鐵處于中間平衡位置時(shí)，單個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈的感生電勢(shì)；次級(jí)線(xiàn)圈1有效電阻；次級(jí)線(xiàn)圈1電感；次級(jí)線(xiàn)圈2有效電阻；次級(jí)線(xiàn)圈2電感。2、螺管型差動(dòng)變壓器輸

2、出特性螺管型差動(dòng)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(diǎn)誤差較小。其主要結(jié)構(gòu)由三部分組成：線(xiàn)圈繞組、可移動(dòng)銜鐵、導(dǎo)磁外殼。線(xiàn)圈繞組由初、次級(jí)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(jí)線(xiàn)圈長(zhǎng)度；一個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈長(zhǎng)度；初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)；次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)；螺管線(xiàn)圈內(nèi)徑；螺管線(xiàn)圈外徑；銜鐵長(zhǎng)度；銜鐵進(jìn)入次級(jí)線(xiàn)圈1內(nèi)的長(zhǎng)度；銜鐵進(jìn)入次級(jí)線(xiàn)圈2中長(zhǎng)度；銜鐵左端面到初級(jí)線(xiàn)圈左1端長(zhǎng)度；銜鐵右端面到初級(jí)線(xiàn)圈2右端面的長(zhǎng)度；次級(jí)線(xiàn)圈1以中磁感應(yīng)強(qiáng)度；次級(jí)線(xiàn)圈2磁感應(yīng)強(qiáng)度；初級(jí)激勵(lì)電流；為銜鐵位移量；為在中間平衡位置

3、時(shí)，銜鐵進(jìn)入次級(jí)線(xiàn)圈內(nèi)長(zhǎng)度；時(shí)，傳感器全長(zhǎng)最小，假定最大位移時(shí)銜鐵不露出次級(jí)線(xiàn)圈，忽略，可得： （19）有上述公式可得三節(jié)式差動(dòng)變壓器相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸為：初級(jí)線(xiàn)圈長(zhǎng)度： （20）次級(jí)線(xiàn)圈長(zhǎng)度： （21）銜鐵長(zhǎng)度： （22）兩段式差動(dòng)變壓器輸出特性：原邊繞組建立磁場(chǎng)處于有損耗的均勻介質(zhì)中的螺線(xiàn)管軸線(xiàn)中某點(diǎn)所產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為： （23）為介質(zhì)磁導(dǎo)率，為單位螺線(xiàn)管長(zhǎng)度上匝數(shù)，為螺線(xiàn)管電流，為螺線(xiàn)管半徑，為螺線(xiàn)管長(zhǎng)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(xiàn)圈近似地看作處于均勻鐵磁介質(zhì)中螺線(xiàn)管。穿過(guò)固定于鐵芯中坐標(biāo)截面磁通量為： （24）在貼心長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于直徑時(shí)，鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度可認(rèn)為與無(wú)

4、關(guān)，假定鐵芯向右移動(dòng)了，有： （25）為鐵芯半徑，為鐵芯材料導(dǎo)磁率，為單位長(zhǎng)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(zhǎng)度上匝數(shù)為，副邊繞組1和2所鏈磁通量及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為： （26） （27） （28） （29）兩副邊繞組反接串聯(lián)總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： （30）在副邊繞組負(fù)載阻抗無(wú)限大時(shí)，輸出電壓為： （31） （32） （33） （34）線(xiàn)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(xiàn)性誤差為： （37）有上述公式可得兩段式差動(dòng)變壓器相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸為：根據(jù)最大測(cè)量范圍，原邊繞組平均半徑及誤差，由上述公式可得鐵芯長(zhǎng)度，上述分析均設(shè)定鐵芯移動(dòng)時(shí)磁

5、場(chǎng)分布不變。根據(jù)實(shí)際情況中，鐵芯端部與原邊繞組端部相距小于時(shí)，鐵芯移動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)分布影響不可忽視問(wèn)題。原邊繞組長(zhǎng)度為： （38）3、差動(dòng)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(gòu)對(duì)靈敏度的影響，在一定頻率范圍內(nèi)，靈敏度隨激勵(lì)頻率增加而提高。但高頻時(shí)，由于渦流損耗、磁滯損耗等因素，靈敏度反而下降。當(dāng)負(fù)載阻抗遠(yuǎn)大于差動(dòng)變壓器內(nèi)阻時(shí)，粗選激勵(lì)頻率為： （20）出次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)比；由式還可看出：靈敏度隨次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)增加而增加，并呈線(xiàn)性關(guān)系，但次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)的增加同時(shí)使傳感器體積和零點(diǎn)殘余電壓增加。此外，提高激勵(lì)電壓；提高線(xiàn)圈Q值；增大銜鐵直徑使其接近線(xiàn)圈繞組內(nèi)側(cè)，但不觸及線(xiàn)圈骨架；選用導(dǎo)磁性能好、鐵損小

6、、渦流損耗小的導(dǎo)磁材料等均可提高靈敏度。線(xiàn)性度及線(xiàn)性量程差動(dòng)變壓器計(jì)算輸出特性為： （21）理想輸出特性為： （22）其線(xiàn)性度為輸出特性曲線(xiàn)和理想直線(xiàn)間最大偏差： （23）其線(xiàn)性度隨測(cè)量位移增大而增大，滿(mǎn)量程時(shí)最大。確定差動(dòng)變壓器，線(xiàn)性度為常量，差動(dòng)變壓器次級(jí)線(xiàn)圈兩端部和外層結(jié)構(gòu)是靈敏度下降、線(xiàn)性度變壞的重要原因。最佳線(xiàn)性度時(shí)激勵(lì)頻率因銜鐵長(zhǎng)度不同而不同，一般采用400HZ10KHZ。在滿(mǎn)足一定線(xiàn)性度要求情況下，線(xiàn)性范圍一般約為線(xiàn)圈骨架長(zhǎng)度的1/101/4。激勵(lì)頻率差動(dòng)變壓器激勵(lì)頻率對(duì)其靈敏度、線(xiàn)性度及銜鐵運(yùn)動(dòng)的可測(cè)信號(hào)頻率等均有影響，因此選擇合適激勵(lì)頻率對(duì)提高差動(dòng)變壓器性能有重要作用。激磁頻

7、率選擇至少大于銜鐵運(yùn)動(dòng)頻率10倍。一般在2KHZ內(nèi)，此外激磁頻率受到測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械負(fù)載效應(yīng)、靈敏度、輸出電壓、線(xiàn)性度、線(xiàn)性量程及輸入輸出電壓相位差等參數(shù)影響，一般應(yīng)綜合和參數(shù)選出最佳激勵(lì)頻率。相位特性差動(dòng)變壓器次級(jí)電壓相對(duì)初級(jí)電壓一般存在一定相位差，其大小取決于差動(dòng)變壓器類(lèi)型、激勵(lì)頻率、負(fù)載等因素。一般小型、激勵(lì)頻率低相位差較大；大型激勵(lì)頻率高相位差小。為使初、次級(jí)電壓相位一致，可調(diào)整下式中或: （24）零位輸出電壓當(dāng)差動(dòng)變壓器銜鐵位于中間平衡位置時(shí)，對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)反向串接次級(jí)線(xiàn)圈差動(dòng)輸出電壓出現(xiàn)偏差，不為零，通過(guò)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(guò)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。基波有同向分量和正交分量。高次諧波有偶次諧波、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(lái)測(cè)量誤差。因此零位輸出電壓大小是差動(dòng)變壓器重要性能指標(biāo)。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(jí)繞組電氣參數(shù)和幾何尺寸的不對(duì)稱(chēng)引起兩次級(jí)線(xiàn)圈感生電勢(shì)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(xiàn)非線(xiàn)性引起。磁路工作在磁化曲線(xiàn)非線(xiàn)性段時(shí)，激勵(lì)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(jí)線(xiàn)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(xiàn)圈電氣參數(shù)和磁路的對(duì)稱(chēng)，銜鐵等重要部件的加工精度。2、選用導(dǎo)磁性能好的材料制作保護(hù)外殼。3、控制鐵心最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，使其小于磁化曲線(xiàn)處對(duì)應(yīng)值，使磁路工作在磁化曲線(xiàn)線(xiàn)性段，減小高次諧波。4、選用合適測(cè)量電路。5、采用補(bǔ)償電路。LVDT設(shè)計(jì)方案性能參數(shù)：額定行程：10mm最大機(jī)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(dòng)變壓器原理及結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合設(shè)計(jì)要求性能參數(shù)，本方案采用兩段式差動(dòng)變壓器式結(jié)構(gòu)。鐵芯結(jié)構(gòu)尺寸：根據(jù)最大測(cè)量范圍，原邊繞組平均半徑及誤差，由公式（37）可得鐵芯長(zhǎng)度。在銜鐵運(yùn)動(dòng)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。可移動(dòng)鐵芯一般采用導(dǎo)磁性能良好的導(dǎo)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(shí)，一般采用工業(yè)純鐵；在50050KHZ間采用鐵氧體或坡莫合金。線(xiàn)圈繞組結(jié)構(gòu)尺寸：由公式（38）得初級(jí)線(xiàn)圈繞組長(zhǎng)度。次級(jí)線(xiàn)圈繞組長(zhǎng)度一般為初級(jí)線(xiàn)圈繞組長(zhǎng)度一半。繞組線(xiàn)圈一半由高強(qiáng)度漆包線(xiàn)繞制，一般用3648號(hào)漆包線(xiàn)。依據(jù)初次、級(jí)線(xiàn)圈繞組相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)合理骨架尺寸。骨架結(jié)構(gòu)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(yán)格對(duì)稱(chēng)。

11、導(dǎo)磁外殼作用為提供磁回路、磁屏蔽和機(jī)械保護(hù)，一般與可移動(dòng)銜鐵為相同材料。對(duì)于工作于高頻的高精度差動(dòng)變壓器，一般選用坡莫合金材料。鐵磁材料要經(jīng)過(guò)適當(dāng)熱處理，去除應(yīng)力，改善磁性能。線(xiàn)圈匝數(shù)：線(xiàn)圈匝數(shù)影響傳感器靈敏度，初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)和匝數(shù)比的增加都會(huì)使靈敏度提高。在給定窗口面積下，一般選用低電阻率、高強(qiáng)度細(xì)線(xiàn)，直徑一般為0.040.16mm漆包線(xiàn)。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(dòng)變壓器可利用空間根據(jù)技術(shù)條件中規(guī)定最大結(jié)構(gòu)尺寸確定。初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)確定后（一般取5001500匝），次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)一般盡可能大，以提高靈敏度，綜合匝數(shù)過(guò)大對(duì)零點(diǎn)輸出電壓影響，一般匝數(shù)

12、比取13。激勵(lì)電流和激勵(lì)電壓：激勵(lì)電壓和電流提高有利于提高靈敏度，過(guò)大激勵(lì)電壓和電流將損害傳感器或使繞組發(fā)熱造成信號(hào)飄移，磁路飽和造成靈位誤差增大。激勵(lì)電流由允許電流密度： （31）為允許電流密度，一般取。線(xiàn)圈發(fā)熱條件：線(xiàn)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(xiàn)圈表面積。為保證良好散熱條件，一般要求線(xiàn)圈細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線(xiàn)電阻率小。不引起磁路飽和條件：在滿(mǎn)足式，在代入式驗(yàn)算試探以減小零位誤差并確定激勵(lì)電流。 （35）銜鐵飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；磁路截面積；磁路磁阻。根據(jù)下式確定激勵(lì)電流： （36）外殼結(jié)構(gòu)：外殼設(shè)計(jì)要求：有足夠機(jī)

13、械強(qiáng)度，保證量程范圍，保證必要窗口面積，應(yīng)夾持方便，有利于散熱，有良好磁、電屏蔽功能。信號(hào)處理電路：AD698作為一種完整的單片式線(xiàn)性位移差動(dòng)變壓器信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能將LVDT的機(jī)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(gè)外接無(wú)源元件，確定激勵(lì)頻率和輸出電壓幅值等即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LVDT信號(hào)調(diào)理。其功能框圖如下：AD698工作原理：AD698首先驅(qū)動(dòng)LVDT，然后讀出LVDT輸出電壓并產(chǎn)生一個(gè)與磁芯位置成正比的直流電壓信號(hào)。AD698用一個(gè)正弦波振蕩器和功率放大器驅(qū)動(dòng)LVDT，用兩個(gè)同步解調(diào)級(jí)對(duì)初級(jí)和次級(jí)電壓進(jìn)行解碼，解碼器決定了輸出電壓與輸入驅(qū)

14、動(dòng)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(gè)三角波，驅(qū)動(dòng)正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)低失真正弦波，其幅值和頻率由一個(gè)電阻器和一個(gè)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(guò)同步解調(diào)輸入幅值A(chǔ)（次級(jí)線(xiàn)圈側(cè)）與一個(gè)固定參考輸入B（初級(jí)線(xiàn)圈側(cè)或規(guī)定輸入）。通過(guò)計(jì)算輸出與輸入激勵(lì)比率消除所有偏移影響。相比AD598，AD698不要求LVDT次級(jí)線(xiàn)圈（A+B）是隨行程長(zhǎng)度而定常量。兩個(gè)通道信號(hào)被解調(diào)和濾波后，再通過(guò)一個(gè)除法電路計(jì)算比率A/B，輸出一個(gè)矩形波型號(hào)，當(dāng)A/B為1時(shí)，矩形波占空比為100.輸出放大器測(cè)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(wú)源器件選擇及參數(shù)設(shè)置：（1）激勵(lì)頻率決定C1 C1=35uF HZ/f0 （38）（2）激勵(lì)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(cè)量系統(tǒng)所要求帶寬f1函數(shù)，其電容值一般相等。 C2 =C3= C