互感式位移检测的传感系统的设计

武汉理工大学《感测技术》课程设计说明书

互感式位移检测的传感系统的设计

1. 绪论

电感式位移传感器是把被测移量转换为线圈的自感或互感的变化，从而实现位移的测量的一类传感器。它具有灵敏度高、分辨力大，能测出±0.1um甚至更小的线性位移变化和0.1度的角位移,输出信号比较大,电压灵敏度一般每毫米可达几百毫伏,因此有利于信号的传输.测量范围为±25um-50mm,测量精度与电容式位移传达室感器差不多,但是它的频率响应较低,不宜于高频动态测量。

将被测量的非电量转换为互感变化量的传感器称为互感式传感器。这种互感传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器，简称差动变压器。在这种传感器中，一般将被测量的变化转换为变压器的互感变化，压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应出电动势。

差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可测量1mm～100mm的机械位移，虽然灵敏度较低，但示值范围大，自由行程( 测量范围大，位移可达到1m) 可任意安排，制造装配也较方便，并具有结构简单、性能可靠等优点，因此被广泛用于非电量的测量。

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目录

1. 绪论 ............................................................................................................................................ 1 2．整体框图及工作原理 ................................................................................................................. 3

2.1 整体框图............................................................................................................................ 3 2.2 工作原理............................................................................................................................ 3 2.3 等效电路分析 .................................................................................................................... 5 3. 单元电路设计 ............................................................................................................................. 7

3.1 相敏整流电路 .................................................................................................................... 7 3.2 差动放大电路 .................................................................................................................... 8 3.2 AC-DC变换电路 .............................................................................................................. 9 3.3 AD转换及数码显示 ...................................................................................................... 10

3.3.1 31/2位双积分型A/D转换器ICL7107功能与特点 ............................................ 10 3.3.2 ICL7107引脚功能及主要电气参数 ................................................................... 11 3.3.3 双积分转换原理 ................................................................................................... 12 3.3.4 AD转换及数码显示电路图 ............................................................................... 14

4．小结 .......................................................................................................................................... 15 附录 ................................................................................................................................................ 16

1. 2.

元件清单 ......................................................................................................................... 16 参考文献 ......................................................................................................................... 17

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2．整体框图及工作原理

2.1 整体框图

差动变压器将位移的变化转换成互感线圈感生电势的变化，然后通过放大，

整流滤波等处理再送到AD转换然后接数码管显示。由于是线性的所以可以用数码管的示数表示位移。具体框图如图3.3所示。

测量头 相敏整流 差动放大 滤波 AD转换及数码显示 图2.1 整体原理框图

2.2 工作原理

差动变压器主要由一个绝缘线框、三个线圈(一个初级线N1 、两个次级线圈

N21 、N22)和插入线圈中央的圆柱形铁芯组成。在线框上绕有一组一次线圈作为输入线圈，在同一框架上另绕两组二次线圈作为输出线圈，并在线框中央圆柱孔中放入铁芯，如图2.2(a)所示。在图2.2(a)中，1 表示变压器初级线圈，21和22表示变压器次级两差动线圈，为反向串联。3为线圈绝缘框架，4表示活动衔铁，变量ΔX 表示活动衔铁的位移变化量。在忽略线圈寄生电容及衔铁损耗的理想情况下，差动变压器的等效电路如图2.2(b)所示，R1 、L1 为初级线圈1 的损耗电阻和自感， R21 和R22 表示两次级线圈的电阻， L21 和L22表示两次级线圈的自感，M1、M2 为初级线圈N1 与次级线圈N21、N22间的互感系数，E21 和E22 表示在初级电压U1 作用下在两次级线圈上产生的感应电动势，图中两次级线圈反向串联，形成差动输出电压U2 。

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图2.2 差动变压器原理图

1— 初级线圈； 21，22—次级两差动线圈； 3—线圆绝缘框架； 4—活动衔铁

当一次线圈加以适当频率的电压激励时，根据变压器的作用原理，在两个二次线圈中就会产生感应电动势，如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两次级线圈的互感系数M1 =M2 。根据电磁感应原理，将有E21= E22，则U2=E21 ?E22=0，即差动变压器输出电压为0。 当铁芯向右移动时，在右边二次线圈内穿过的磁通比左边二次线圈多些，所以互感也大些，感应电动势E21增加；另一个线圈的感应电动势E22 随铁芯向右偏离中心位置而逐渐减小；反之，铁芯向左移动时，E21 减小，E22 增加。两个二次线圈的输出电压分别为 U21 和 U 22 (空载时即为感应电动势E21 ，E22) ，如果将二次线圈反向串联，则传感器的输出电压U2 = U21 ? U22 。当铁芯移动时，U2就随着铁芯位移x 成线形增加，其特性如图2.3所示，形成V 形特性。如果以适当方法测量U2，就可以得到与x 成正比的线性读数。

从图中可看出，当铁芯位于中心位置，输出电压U2并不是零电位，这个电压就是零点残余电压Ux，它的存在使传感器的输出特性曲线不经过零点，造成实际特性和理论特性不完全一致。

产生零点残余电压的原因有很多，不外乎是变压器的制作工艺和导磁体安装等问题，主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的，一般Ux在几十毫伏。在实际使用时，必须设法减小，否则将会影响传感器的测量结果。

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