差动变压器位移测量电路仿真设计
基于Simulink的差动变压器式角位移传感器（RVDT）建模与仿真
基于 Simulink的差动变压器式角位移传感器（ RVDT）建模与仿真摘要为建立基于Simulink的差动变压器式角位移传感器的模型，并验证模型的正确性，本文对飞机上应用的差动变压器式角位移传感器的原理进行了深入分析，通过试验的方法得到了RVDT传感器的动态演化曲线，通过试验测试，获得了RVDT传感器的相关参数，利用所建模型进行了动态特性仿真和拟配分析。
结果表明：建立的Simulink模型与试验结果参数拟合，可体现RVDT传感器的静态特性和动态特性。
本文基于Simulink的差动变压器式角位移传感器（RVDT）建模方法，对于后续对RVDT传感器特性研究具有典型意义。
关键词传感器；RVDT；和值监控；建模中图法分类号 TP212.1；文献标志码 AModeling and Simulation of Differential Transformer Angular Displacement Sensor (RVDT) Based on SimulinkCAO Ruo-han1, DONG Zhen-yu2, LI Chao-chao 3,CHEN Yun-qiu 4（XiFei Design Department, AVIC Xi’an Aircraft Industr y (Group) Company Ltd. , Xi’an 710089,China）[Abstract] In order to establish the model of differential transformer angular displacement sensor based on Simulink and verify the correctness of the model, this paper analyzes the principle of differential transformer angular displacement sensor applied in aircraft, obtained the dynamic evolution curve of RVDT sensor through the test method, and obtains the relevant parameters of RVDT sensor through the test The dynamic characteristic simulation and matchinganalysis are carried out. The simulation results show that the static characteristics of the sensor can be fitted with the static characteristics of the sensor. In this paper, the modeling method of differential transformer angular displacement sensor (RVDT) based on Simulink is of typical significance for the subsequent research on the characteristics of RVDT sensor.[Key words] sensor; RVDT; sum value monitoring; modeling如果说飞机是人的躯体，那飞机上的各种传感器便是眼睛、耳朵和鼻子。
差动变速器式位移传感器的结构优化及其数字接口电路设计
差动变速器式位移传感器的结构优化及其数字接口电路设计1 引言在机械系统中，往往需要对各种机械量进行测量，由于许多机械量能够变换成位移，故选用适当的位移传感器就能测量出许多机械量。
差动变压器将机械位移转换成与它成比例的电压或电流信号，是一种非常便利的位移检测器。
差动变压器的结构形式较多，但其工作原理却基本一样，都是将被测量的变化转换成变压器的互感变化，变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则感应出电动势。
通过结构优化，差动变压器可以测量0.01μm～500mm的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。
2 差动变压器的基本结构以螺管形差动变压器为例，介绍差动变压器的基本工作原理。
螺管形差动变压器的结构如图1所示。
它由初级线圈p，两个次级线圈S1、S2和插入线圈中央的圆柱形铁芯b组成，其结构形式又有三段式和两段式之分。
图1 螺管形差动变压器结构原理(a)三段式(b)二段式(c)电量原理图差动变压器的线圈连接如图1c所示。
次级线圈S1和S2反极性连接。
当初级线圈p加上某一频率的正弦交流电压Ui后，次级线圈产生感应电压为U1和U2，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关。
U1和U2反极性连接便得到输出电压U0。
当铁芯位于线圈中心位置时，U1＝U2，U0＝0；当铁芯向上移动时(见图1c)，U1＞U2，U0＞0，则M1大，M2小(M1、M2为互感系数)；当铁芯向下移动时(见图1c)，U1＜U2，U0＜0，则M1小，M2大。
铁芯偏离中心位置时，输出电压U0随着铁心偏离中心位置的大小，U1或U2逐渐增大，移动方向不同，相位相差180°，如图2所示。
因此，测量出输出电压的大小和相位就能知道铁芯移动的距离和方向。
图2 差动变压器输出电压的特性曲线3 传感器的结构优化和工作原理受结构的限制，三段式差动变压器只能用于测量小位移(10～20mm)，对两段式差动变压器的结构稍作变动，就可以满足测量较大位移的需求，其结构如图3所示。
差动变压器测位移持性实验
实验步骤
• 1、相敏检波器电路调试：将主机箱的音频振荡器的幅 度调到最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将 ±2V～±10V可调电源调节到±2V档，再按示意图接 线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频 振荡器频率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器测量。 提示：正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它设 置，触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS～10µS范围内选择、触发方式选择AUTO ； 垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选 择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V～5V范围内 选择。当CH1、CH2输入对地短接时移动光迹线居中 后再去测量波形。）。调节相敏检波器的电位器钮使 示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形。到此， 相敏检波器电路已调试完毕，以后不要触碰这个电位 器钮。关闭电源。
• 相敏检波器电路调试接线示意图
相敏检波器电路调试接线示意图
• 2、 调节测微头的微分筒，使微分筒的
0刻度值与轴套上的10mm刻度值对准。 按 • 示意图安装、接线。将音频振荡器幅 度调节到最小（幅度旋钮逆时针轻转 到底）；电压表的量程切换开关切到 20V档。检查接线无误后合上主机箱电 源开关。
• 差动变压器测位移组成、接线示意图
差动变压器测位移组成、接线示意图
• 本实验用虚拟仪器代替示波器方法： • 在计算机桌面上点击CSY-9.0后选择虚拟仪 CH2) 。 • 3、调节音频振荡器频率f=5KHz、幅值Vpp=2V（用示波器监测）。
• 4、松开测微头安装孔上的紧固螺钉。顺着差动变压器 衔铁的位移方向移动测微头的安装套（左、右方向都 可以），使差动变压器衔铁明显偏离L1初级线圈的中 点位置，再调节移相器的移相电位器使相敏检波器输 出为全波整流波形（示波器CH2的灵敏度VOLTS/DIV 在1V～50mV范围内选择监测）。再慢悠悠仔细移动 测微头的安装套，使相敏检波器输出波形幅值尽量为 最小（尽量使衔铁处在L1初级线圈的中点位置）并拧 紧测微头安装孔的紧固螺钉。 • 5、调节差动变压器实验模板中的RW1、RW2（二者 配合交替调节）使相敏检波器输出波形趋于水平线 （可相应调节示波器量程档观察）并且电压表显示趋 于0V。 • 6、调节测微头的微分筒，每隔△X=0.2mm从电压表 上读取低通滤波器输出的电压值，填入表中。
基于差动变压器的虚拟位移计设计
沈阳航空航天大学课程设计（论文）基于差动变压器的虚拟位移计设计班级 84070102 学号 2008040701053 学生姓名雷海涛指导教师胡立夫沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称虚拟仪器课程设计院（系）自动化学院专业测控技术与仪器班级84070102 学号2008040701053 姓名雷海涛课程设计题目基于差动变压器的虚拟位移计设计课程设计时间: 2011年3月7日至2011 年3 月18日课程设计的内容及要求：1. 内容利用差动变压器和Labview设计一个虚拟位移计。
显示位移为X.X mm，范围为 -2—2mm，拟合出位移与电压的关系曲线。
可设定阈值，并具有超值报警功能。
2. 要求制定设计方案，并绘制出系统工作框图。
利用CSY系列传感器系统实验仪进行硬件电路设计及调试。
用LabVIEW进行软件程序设计与调试，要求虚拟仪器前面板的设计美观大方、操作方便，后面板的设计简洁、布线合理、功能完善。
指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日目录0. 前言 (1)1. 总体方案设计 (1)2. 硬件设计 (2)2.1差动变压器电路 (2)2.2PCI-NI6024E数据采集卡 (2)3. 软件设计 (3)3.1数据采集部分 (4)3.2曲线拟合部分 (6)3.3数据处理部分 (7)3.4阈值比较部分 (8)4. 调试分析 (8)5. 结论及进一步设想 (9)参考文献 (9)课设体会 (11)附录1 元件清单 (12)附录2 软件原理图 (13)附录3硬件原理图 (14)基于差动变压器的虚拟位移计设计雷海涛沈阳航空航天大学自动化学院摘要：本次课设设计了一个基于差动变压器的虚拟位移计，主要是利用差动变压器将被测位移转化成铁芯与螺线管之间面积的变化导致电压的变化，将实验得到的数据写入曲线拟合程序得到拟合曲线及其一般方程式y=a*x+b的系数a、b，同时由PCI-NI6024E数据采集卡将采集到的电压数据与系数a、b进行数据处理得到位移值，并判断是否超出预设范围，超出则报警，优点是设计原理简单，数据采集率高，测量精确。
差动变压器式位移测量系统设计、制作及其精度分析设计
差动变压器式位移测量系统设计、制作及其精度分析设计哈尔滨理工大学学年设计题目：差动变压器式位移测量系统设计制作及其精度分析班级：测控10-5目录第1章绪论 (2)1.1 课程设计目的意义 (2)1.2 课程设计任务 (2)1.3 课程设计时间安排 (2)第2章总体方案设计 (3)2.1 工作原理 (3)2.2 系统组成 (7)第3章硬件电路设计 (8)3.1 传感器设计 (8)3.2 转换电路设计 (9)3.3 振荡电路设计 (12)3.4 仿真实验13第4章系统标定、测试与精度分析 (17)4.1传感器参数设计 (17)4.2实验数据 (18)4.3数据处理 (18)结论 (19)致谢 (20)参考文献 (21)心得体会 (22)- I -绪论课程设计目的意义这门课程是在测控技术专业学生学习了误差理论、测控电路和传感技术课程之后开设的综合性的实践课程，通过本课程的训练，除了使学生掌握误差理论、传感技术和测控电路的基本理论，主要致力于培养学生综合运用误差理论、测控电路和传感技术相关理论知识，合理地选择、使用、设计、制作、调试传感器以及变送电路的能力，尤其是培养学生建立测量误差存在于测量全过程的概念，掌握测试结果数据处理方法、误差分析方法以及精度评定方法。
采用异步教学方法组织实践教学，培养学生自主学习能力、动手能力与创新能力。
课程设计任务1、设计传感器根据传感器的工作原理，设计差动变压器式电感传感器。
包括传感器参数设计和架构设计。
2、测绘传感器- II -对给定的差动变压器式电感传感器进行结构尺寸测绘，包括初级线圈，次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部分。
3、画出传感器的结构图。
4、采用分立元件设计差动变压器式电感传感器的转换及调理电路，给出各元器件参数，并画出电路的原理图。
5、设计并加工制作PCB板。
焊接电路板，并完成电路板的调试，输出要求的直流信号。
6、对所设计的位移测量系统进行标定。
对该系统给定标准位移输入信号，测出系统输出信号，并对所获得数据进行数据处理，建立回归方程，进行方差分析及显著性检验，给出回归精度估计。
实验03(差动变压器的性能)实验报告
实验三-差动变压器的性能实验1：差动变压器位移测量实验一、实验目的了解差动变压器的工作原理和特性二、实验原理差动变压器由一个初级线圈和二个次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。
当差动变压器随着被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动电势输出。
其输出电势反映出被测体的移动量。
三、实验器械主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。
四、实验电路以及接线图五、实验数据及处理X为差动变压器衔铁在线圈中移动的距离，X>0为衔铁正向移动，X<0为衔铁反向移动V p-p为次级输出电压，初级输入电压为Vi=3V,f=4.5kHz的正弦波。
由数据和图像可得零点残余电压为80mV。
实验数据如下：数据拟合如下：左侧红线为衔铁反向移动，右侧蓝线为衔铁正向移动。
横轴为衔铁的位移量，单位为mm。
纵轴为次级线圈输出电压值，单位为mV。
正向移动拟合直线方程为y=457.03x+45.143反向移动拟合直线方程为y=-460x+47灵敏度和非线性误差分析：X=+1mm时，灵敏度为500.00(V/m)，非线性误差为0.125%X=-1mm时，灵敏度为500.00(V/m)，非线性误差为0.933%X=+3mm时，灵敏度为466.66(V/m)，非线性误差为0.402%X=-3mm时，灵敏度为473.33(V/m)，非线性误差为0.402%六、思考题差动式变压器和一般电源变压器的异同？相同点：两种变压器均采用电磁感应原理作为工作原理，变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
它可以变换交流电压、电流和阻抗。
不同点：差动变压器是将非电量的位移变化变换成线圈的互感变化，它本身是一种互感式变压器。
工学实验6差动变压器测量位移
实验6 差动变压器测量位移一．实验目的1．本实验说明差动变压器的工作原理。
2．实验说明如何选适当的线路对残余电压进行补偿。
3．本实验说明差动变压器测量系统的组成的标定方法。
二．实验内容1．差动变压器的性能2．零点残余电压补偿3．差动变压器的标定三．基本原理1．差动变压器是由一次线圈和二次级线圈及一个铁芯组成，本试验采用三节式结构。
当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电动势，这种互感变化称之为差动电压器。
2．这种传感器的二次线圈有两个，一个感应电势增加，另一个感应电势则减少，将两只次级反向串接(同名端连接)，这种接线方式就称之为差动电压器3．由于差动变压器二次线圈的等效参数不对称，一次线圈的纵向排列的不均匀性，二次的不均匀、不一致，铁芯特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零。
称为零点残余电压.四．实验所需部件音频振荡器、双线示波器、万用表、测微头、电桥、差动放大器、差动变压器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表。
图一五．实验步骤1．差动变压器的性能（1）按图一接线，示波器第一通道灵敏度500mV/cm，第二通道灵敏度10mV/cm。
（2）调整主机箱中的端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4KH Z（可用主机箱的频率表输入Fin来监测），调节输出幅度旋钮，使输入到初级线圈的电压Vp-p为2V （可用示波器监测）。
（3）旋动测微头，带动铁氧体磁芯在差动线圈中上下运动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出变化很大基本能过零点，而且相位与初级线圈波形（L V 音频信号Vp-p=2V 波形）比较，同相或反向变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接线直到正确为止。
（4）注意线圈初、次级的相应关系：当铁芯从上至下运动时，相位由反相变为同相。
（5）仔细调节测微头，使示波器第二通道的的波形峰—峰值Vp-p 最小，输出电压为差动变压器的零点残余电压，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一方向位移为负，从Vp-p 最小开始旋动测微头，每隔2mm 从示波器上读出输出电压的Uop-p 值，填入下表。
差动变压器测位移实验
实验十四差动变压器测位移实验一、实验目的：了解差动变压器测位移时的应用方法二、基本原理：差动变压器的工作原理参阅实验十一（差动变压器性能实验）。
差动变压器在应用时要想法消除零点残余电动势和死区，选用合适的测量电路，如采用相敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）方向又可改善输出特性，消除测量范围内的死区。
图14—1是差动变压器测位移原理框图。
图14—1差动变压器测位移原理框图三、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器、电压表；差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板；测微头、双踪示波器。
四、实验步骤：1、相敏检波器电路调试：将主机箱的音频振荡器的幅度调到最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将±2V～±10V可调电源调节到±2V档，再按图14—2示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器测量。
提示：正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它设置，触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS～10µS范围内选择、触发方式选择AUTO ；垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V～5V范围内选择。
当CH1、CH2输入对地短接时移动光迹线居中后再去测量波形。
）。
调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形。
到此，相敏检波器电路已调试完毕，以后不要触碰这个电位器钮。
关闭电源。
图14—2相敏检波器电路调试接线示意图1、调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度值与轴套上的10mm刻度值对准。
按图14—3示意图安装、接线。
将音频振荡器幅度调节到最小（幅度旋钮逆时针轻转到底）；电压表的量程切换开关切到20V档。
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课程名：机电一体化学号：02307225 姓名：顾小温差动变压器位移测量电路仿真设计
一、引言
差动变压式传感器是将测量信号的变化转化成线性互感系数变化的传感器，其工作原理是利用电磁感应，将被测位移量的变化转换成变压器线圈的互感系数的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量的转换。
变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则感应出电动势。
这种传感器结构简单，线性好，灵敏度高，测量范围大，受外界干扰影响小，使用寿命长，因而被广泛应用于工业生产各个领域。
本测量系统电路部分由音频振荡器、零点残余电压补偿、相敏检波、低通滤波、数字显示等组成，与差动变压式传感器及测微头一起构成了一个位移测量系统.
二、总体方案
2.1测量电路的工作原理
正弦波震荡器通过稳压电源的供电产生幅值与频率都稳定的正弦信号U1。
将此信号接入差动变压器的初级绕组上，以此作为激励。
此时次级绕组上产生感应电动势U2。
铁心与测微头连在一起，侧微头移动，则铁心移动，以此引起互感系数变化，此时输出电压U2随之变化。
这时输出电压U2只能反映位移的大小并不能反映出位移的方向。
当经过相敏检波器检波后得到的电压U3，U3包含位移的完整变换规律，在经过低通滤波电路得到U0，这个电压即可以反映位移的大小也可以反映位移的方向。
2.2差动变压器
正弦波震荡器通过稳压电源的供电产生幅值与频率都稳定的正弦信号U1。
将此信号接入差动变压器的初级绕组上，以此作为激励。
此时次级绕组上产生感应电动势U2。
铁心与测微头连在一起，侧微头移动，则铁心移动，以此引起互感系数变化，此时输出电压U2随之变化
U2= KU1X
其中K为与差动变压器有关的比例系数，X为位移变化。
2.3零点残余电压的补偿
衔铁在差动变压器的几何中心位置时，如次级的 2个线圈的参数和磁路尺寸相等，则初级线圈和次级线圈互感相等。
此时，差动变压器的输出电压为零。
但实际制作时，次级2个线圈的电气参数和几何尺寸存在一定的差异，所以，当衔铁处于中问位置时，定有不平衡输出，即存在零点残余电压。
零点残余电压包含基波和高次谐波。
由于零点残余电压的存在会造成差动变压器零点附近的不灵敏区，若此电压较大，经过放大器会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作，因此必须采用适当的方法进行补偿。
零点残余电压的补偿电路
由于次级 2个线圈电气参数和几何尺寸不可能绝对对称，因此，两线圈电势幅值和相位均不相等，调整电容器以及交／直流电位器可使电势差和相位差减小，零残电压的基波分量得到一定的遏制。
同时，反馈支路又可减小差动变压器的输入／输出电流，使磁路运作于磁化曲线的线性段，脱离非线性区域，，大大减小了零残电压中的谐波分量。
2.4相敏检波电路
差动变压器的输出电压U2是交流分量有效值，尽管它与衔铁位移成正比，如用电压表测量，存在一个问题就是无法判断衔铁移动方向，解决方法为用差动相敏检波电路，如图
2.5低通滤波电路
滤波部分用的是简单的 R-C 滤波，将交流信号处理为直流信号
3、信号放大
交流电压放大11倍，放大成较大的交流电压，以方便后续操作。
该电路主要由运放U1及R3、R5、R4组成，输入信号由R4接入该电路，该电路的电压增益为K=1+R3/R5=11.该电路能将检测电路检测的较小的
4、整体电路图
5、电路仿真
整流滤波前后波形图
各部分电路连接完毕，按下运行开关，当铁芯处于中间部位时，用电压表测得差放电路输出端为0，稍微移动差动放大器中铁芯的位置后固定，用示波器及电压表课测得整流滤波前后检测信号的变化。