基于Maxwell环境的LVDT传感器仿真设计
差动变压器式位移传感器参数化仿真及优化的开题报告
差动变压器式位移传感器参数化仿真及优化的开题报告一、研究背景差动变压器式位移传感器（LVDT）是一种常见的传感器类型，利用电磁感应原理测量物体的位移。
在工业自动化系统、航空航天、汽车工业等领域都有广泛的应用。
目前，随着科学技术的发展，更高精度和更稳定的LVDT传感器已成为工业制造中不可或缺的工具，为生产过程中的监测、控制和生产调整提供了更详细和准确的数据。
二、研究内容本研究旨在通过参数化仿真和优化，实现LVDT传感器的更精确计量效果。
主要研究内容包括：1. 建立LVDT传感器数学模型2. 对数学模型进行仿真，分析LVDT传感器输出的准确度与响应速度3. 通过仿真的结果，对传感器进行参数优化，提升准确性和稳定性4. 研究分析仿真系统中的误差源，找到误差源并采取相应措施减少影响三、研究意义通过上述研究内容，达到以下研究意义：1. 提高LVDT传感器的计量准确度和稳定性，保证工业自动化系统的生产质量2. 为相关领域的科研提供重要支撑，推进建立更为科学的智能工业制造四、研究方法本研究采用参数化仿真和优化方法，结合MATLAB等工具，通过对LVDT传感器的数学模型建立和仿真，不断优化其参数，逐步实现更高精度和更稳定的LVDT传感器计量效果。
五、研究进展目前，本研究已完成LVDT传感器的基本数学模型建立，并进行了初步的数学模型仿真。
模拟结果表明，其输出响应速度较快，但出现了一定的误差，需进一步优化。
下一步，将逐渐优化传感器参数，达到更加准确和稳定的计量效果。
六、预期成果本研究预期成果为：1. 完成LVDT传感器参数化仿真和优化，实现更高精度和更稳定的计量效果2. 提供有关LVDT传感器计量准确度的实证数据和相关研究文献3. 推进工业自动化系统和相关领域的科学发展七、研究难点在LVDT传感器的参数化仿真和优化过程中，主要研究难点包括：1. 建立合适的数学模型，合理地考虑机械、电学和磁学三方面因素2. 通过仿真结果，识别误差源3. 对误差源采取有效措施八、可行性分析在目前的科技水平下，利用参数化仿真和优化方法研究LVDT传感器的准确度和稳定性是十分可行的。
LVDT位移传感器可靠设计分析技术
LVDT位移传感器可靠设计分析技术发布时间：2022-06-13T06:24:36.786Z 来源：《中国科技信息》2022年第2月4期作者：邹金海[导读] 文章论述了可靠性的重要性，提出了基于 LVDT型位移传感器的可靠性设计与分析，为其提供了一种新的理论依据邹金海中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司贵州贵阳 550009【摘要】:文章论述了可靠性的重要性，提出了基于 LVDT型位移传感器的可靠性设计与分析，为其提供了一种新的理论依据。
【关键词】：LVDT位移传感器;设计分析技术引言：随着科技的进步，传感系统得到了更多的运用。
我们不但需要这些感应器的性能优良，还需要它们能够持久、无事故或极少数的损坏。
它的持久性能，决定了它的质量。
设计阶段是产品可靠度的基础阶段，制造阶段是可靠度保障阶段，应用阶段是可靠性维护阶段，测试分析和信息反馈阶段是对产品可靠性进行改善的阶段。
产品的内在可靠度由可靠度设计确定。
若在设计时，若因产品的结构不够好、安全因素过低、检验及维护不方便等问题而导致的，则不论日后如何精心制作、精心使用、加强管理，都很难确保其可靠度。
所以，在整个使用过程中，只要在设计过程中，通过改进，使其具有较低的成本和较好的性能[1]。
一、线性范围（一）无摩擦测量LVDT的活动磁芯与绕组一般不存在物理触点，即 LVDT为无摩擦力元件。
该产品适用于能够经受较轻的磁芯负载，但是不能经受住摩擦力的测试。
比如，用于检测精密材质的弯曲或震动，对光纤或其他弹性物质进行的抗张或蠕变性试验[2]。
（二）无限的机械寿命因为 LVDT的绕组和磁芯没有摩擦力，所以没有磨损。
从原理上讲， LVDT的机械使用年限是无穷大。
这是用于材料和构件的耐久性试验的关键技术。
而且，在飞机、导弹、航天器和关键的工业设备中，无限的机械寿命对于高可靠的机器也很关键[3]。
（三）无限的分辨率LVDT的非摩擦力运行和其感应机理，使得 LVDT具有两大特点。
基于Maxwell+3D高速磁浮列车间隙传感器检测线圈的分析设计
ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｎｅｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｏｉｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ
ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｉｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｇｒｏｏｖｅ ｅｆｆｅｃｔ．
（Ｍａｇｎｅｔｏｓｔａｔｉｃ）仿真类型。
２矩形线圈的齿槽效应
长定子轨道具有特殊的齿槽结构，齿和槽各占４３ ｍｍ，一
个齿槽周期的长度为８６ ｍｉｌｌ，如图２所示，其中矩形表示传统的 传感器矩形检测线圈。
这种有规律的凹凸表面将使传感器间隙输出信号带有额
外的纹波扰动，即在列车运行时，即使检测线圈与长定子之间
由图１可知，共有１６个单片机控制器；各单片机控制器写 数据（传输）到上位机是独立的，对于通信控制器而言１６个双 口ＲＡＭ的数据（传输）具有随机突发性”ｏ。
单片机控制器通过串口接收来自下层控制器串行通信的 数据，及时加载表头信息后，存入双口ＲＡＭ。通信控制器（单 片机Ｆ１２０）循环查询Ｐ２、Ｐ３口，获取１６个双口ＲＡＭ的ＩＮＴＩ．状 态，只有当发生双口ＲＡＭ的ＩＮＴ。低电平时，进行数据上传操 ’作，如图５所示。
和电涡流效应引起的反射电感。当激励频率∞固定时，这两部
分电感都只跟检测线圈与轨道之间的间隙有关系，这也是间隙
传感器的工作原理。由于被测导体为叠片结构的铁磁型材料，
磁导率高、电导率低，因此被测导体中产生的涡流很小，其引起
的涡流反射电感可以忽略不计。所以线圈等效电感主要由静 磁效应【４３引起。因此Ａｎｓｏｆｌ Ｍａｘｗｅｌｌ ３Ｄ仿真也采用稳恒磁场
基于simplore的直线感应电机联合仿真研究
1 线感应电机的模型建立1.1 磁场方程的推导由Maxwell 方程反应宏观的时变电磁场，其微分形式如下。
H J ∇×=+（1） B E tδδ∇×=−（2） 0B ∇•= （3） J E δ= （4）式中：H—磁场强度； E—电场强度； B—磁感应强度；J—电流密度； δ--电导率； t—时间；D—电场通量；1.2 直线感应电机的maxwell 软件建模通过ANYSY EM 软件中的Maxwell 模块建立直线感应电机的2D 有限元模型，二维场中只考虑了电机的纵向边端效应，而其它影响相对较小可忽略。
直线感应电机建模参数如表1所示。
表1 直线感应电机的主要参数类别参数值初级绕组相电压/V 320频率/Hz24初级铁心长度/m 1�926初级铁芯高度/mm150初级铁心宽度/mm 300相数 3每极每相槽数 3级数 6极距/mm 288槽宽/mm 23齿距/mm 9槽深/mm 100线圈匝数 5每极线圈匝数 90初次级气隙/mm 15次级感应板铝板厚度/mm 5次级感应板钢板厚度/mm 25次级感应板宽度/mm 310次级感应板断开间距/m 2初级运动距离/m 6绕线形式 双层Y6a1建模的步骤：电机的几何模型建立、各部分材料选择、设定边界条件和激励源、进行网格剖分、定义执行参数和求解选项。
其中设置的运动部分是初级铁心和绕组，得到如下图的2D 模型如图1，图2是直线感应电机的网格剖分图，图3是直线感应电机的磁感线分布图。
2 控制电路的搭建搭建控制电路由直流电逆变为交流电给直线感应电机供电，而逆变电路的控制信号则由SVPWM 模块提供，图4是整个仿真过mathematical equation, and then the control circuit is built by using SIMPLORE software� On SIMPLORE, the motor model built by Maxwell is embedded into SIMPLORE to carry out cosimulation� Through co-simulation, the actual operation of the motor can be objectively reflected, and the experimental platform for the control of the motor can be provided� It is of high practical value�Key words : Linear induction motors;Simplore;Maxwell;Co-simulation图7 直线感应电机三相电流波形图8是直线感应电机的速度波形图电机从0开始加速起初力较小加速度较小，速度上升的比较缓慢，而后随着力的增大速度快速增加，当达到最大值后，速度会在一定的范围波动。
基于MAXWELL的磁栅传感器磁场仿真分析
传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）2019年第38卷第4期DOI：10．13873/J．1000—9787（2019）04—0008—04基于MAXWELL的磁栅传感器磁场仿真分析*李赛，郭彦青，段志强，高宏伟（中北大学机械工程学院，山西太原030051）摘要：针对磁栅传感器磁性标尺定量分析困难的现状，简化磁性标尺为矩形永磁体阵列，采用分子电流假说，根据毕奥—萨伐尔定律建立了矩形永磁体数学模型，分析得出永磁体尺寸和气隙是影响采集到的磁感应强度波形数据的重要因素。
利用Ansoft Maxwell平台进行仿真，在固定1mm永磁体厚度的情况下，得到以1 10mm不同节距和0 5mm气隙厚度区域内y方向的磁感应强度变化曲线。
并建立基于傅里叶变换，以响应信号失真度作为评判标准的评价函数。
着重分析了霍尔元件距永磁体距离和永磁体节距对响应信号的影响。
依托质量评价函数，得出永磁体不同节距尺寸的最佳气隙范围，为磁栅传感器的优化和高性能使用提供理论支撑。
关键词：磁栅传感器；永磁体阵列；磁感应强度；质量评价函数中图分类号：TH711文献标识码：A文章编号：1000—9787（2019）04—0008—04Magnetic field simulation and analysis of magnetic grating sensor based on MAXWELL*LI Sai，GUO Yan-qing，DUAN Zhi-qiang，GAO Hong-wei（School of Mechanical Engineering，North Central University，Taiyuan030051，China）Abstract：Aiming at the difficulty of quantitative analysis of magnetic scale of magnetic grating sensor，the magnetic scale is simplified as rectangular permanent magnet array．Using the molecular current hypothesis，mathematical model for rectangular permanent magnet is established，according to Biot-Savart Law．Analysis showsthat the permanent magnet size and air gap are important factors affecting the acquired magnetic induction intensity waveform data．Simulation is performed using the Ansoft Maxwell platform，in the case of fixing the1mm thicknessof permanent magnet，the magnetic induction intensity change curve in the y direction in the region of1 10mm different pitch and0 5mm air gap thickness is obtained．Evaluation function is built based on the Fourier transform using response signal distortion as evaluation criterion．The influence of the distance between the Hall element and the pitch of permanent magnet on the response signal is analyzed．According to the quality evaluation function，the optimal air gap range of different pitch sizes of permanent magnets is obtained，which provides theoretical support for the optimization and high performance usage of magnetic grating sensor．Keywords：magnetic grating sensor；permanent magnet array；magnetic induction intensity；quality evaluation function0引言在机器人、航空航天、生物医疗等领域，对于极端制造中的精密测量有着极大的需求［1，2］。
一种LVDT精密测长仪的仿真研究的开题报告
一种LVDT精密测长仪的仿真研究的开题报告一、选题的背景和意义膦酸二丁酯（DEHP）是一种常用的塑化剂，在广泛应用于医疗用品等领域的过程中，可能会被释放出来，进而危害人体健康。
因此，为了保障公众的生命健康，需要对DEHP进行检测和分析。
而LVDT（线性可变差动变压器）精密测长仪由于具有高精度、稳定性好等优点，因此已经广泛应用于DEHP等物质的测量中。
但是，在使用LVDT精密测长仪进行测量时，仪器的设计、模型参数设置等因素会对测量结果产生较大的影响，因此需要对其进行仿真研究，以确保测量结果的准确性和可靠性。
二、选题的研究内容和思路本论文选取了一种常见的LVDT精密测长仪进行研究，通过建立数学模型、仿真计算等手段，分析其在使用过程中可能出现的误差来源，并根据分析结果优化仪器设计和参数设置，实现对DEHP等物质的精准测量。
具体研究内容包括：1. 建立LVDT精密测长仪的数学模型，分析其工作原理和精度控制机制；2. 进行仿真计算，分析LVDT精密测长仪在使用过程中可能出现的误差来源，包括电源电压变化、温度变化、机械结构变形等因素；3. 优化LVDT精密测长仪的设计和参数设置，减小误差来源，提高测量精度和可靠性；4. 利用优化后的LVDT精密测长仪进行DEHP等物质的测量实验，并与已有的测量方法进行比较，验证其测量精度和可靠性。
三、选题的预期研究成果和意义本论文的预期研究成果包括：1. 建立了LVDT精密测长仪的数学模型，分析了其工作原理和精度控制机制；2. 分析了LVDT精密测长仪在使用过程中可能出现的误差来源，并提出了相应的优化措施，以实现对DEHP等物质的精准测量。
这些成果的意义在于：1. 为LVDT精密测长仪的优化设计和应用提供了理论支持，为实现对DEHP等物质的精准测量提供了可靠的技术手段；2. 对于其他需要进行高精度测量的领域，本论文所提出的方法和思路同样具有一定的参考意义，可以为相关研究提供指导。
LVDT线性位移传感器的设计
LVDT线性位移传感器的设计一、引言差动变压器式传感器的特点是灵敏度高、分辨力大，能测出0.1um更小的机械位移变化;传感器的输出信号强，有利于信号的传输；重复性好，在一定位移范围内，输出特性的线性度好，并且比较稳定，因此广泛应用于压力、位移传感器的设计制造中，尤其在航空、航天等环境恶劣、环境温度高的压力测量方面，也得到了广泛的应用。
二、方案论证1.参数要求给定原始数据及技术要求1）.最大输入位移为100mm2）灵敏度不小于80V/m3）非线性误差不大于10%4）零位误差不大于1mv5）.电源为9v，400HZ6）.最大尺寸结构为160mmX21mm2.方案讨论根据给定技术要求选择电感变换元件的类型及测量电路的形式，如图1所示图1、传感器的组成框图1）传感器电感变换元件类型的选择（1）测量范围小，如位移从零点几微米至数百微米，且当线性范围也小时，常用E形或II形平膜硅钢片叠成的电感式传感器或差动变压器。
(2) 螺线管，常用于测量1mm以上至数百毫米的大位移，其线性范围也较大。
2）测量电路的选择测量电路主要依据选定的电感变换器的种类、用途、灵敏度、精度及输出形式等技术要求来确定。
3.螺管型差动变压器的工作原理差动输出电动势为 E = jωI1(M1-M2) = jωI1ΔM = fΔM所以,差动变压器输出电动势为两副边线圈互感之差ΔM的函数。
螺管型差动变压器结构复杂，常用二节式、三节式、一节式的灵敏度高，但三节式的零点较好。
差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。
这种类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。
一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
图2为三节式螺管型差动变压器的示意图。
图2 三节式差动变压器的结构形式三．螺管型差动变压器的参数计算现以三节式螺管型差动变压器式传感器为例来说明参数的设计计算方法，其结构如图3。
基于Maxwell2D软件的直线电机性能仿真分析_刘再跃
注：“+”表示电机的初、次级之间为斥力；“ ”表示为吸力，
下同。(条件：相电流 350A，频率 20Hz，气隙 11mm，转差率 s=1)
从表 1 中数据可以看出，在相电流为 350A，
频率为 20Hz，气隙长度为 11mm，转差率 s=1 的条
件下，对于单纯的铝板次级和铁板次级而言，厚度
增加，其推力值和法向力（绝对值）也在增加；对
图 5 铝板(厚 12mm)次级表面电流 受到的电磁力密度矢量图
Fig.5 Vector density diagram of electromagnetic force reacfted to the secondary surface current of sheet aluminium(thickness:12mm)
（Aviation University of Airforce，Changchun 130022）
Abstract：The effects of secondary material to the distribution of magnetic fields and the running performance of linear introduction motor are analyzed by employing Maxwell 2D to simulate linear introduction motor's electromagnetism fields.Methods to adjust end effects and the conclusion of simulation are presented，which have some reference value to the design and development of linear introduction motor in scientific research. Key words：linear introduction motor；simulation；Maxwell 2D
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基于Maxwell环境的LVDT传感器仿真设计
作者：***
来源：《机电信息》2020年第12期
摘要：LVDT（Liner Variable Differential Transformer）传感器是一种差动变压器式传感器，用于将机械位移信号转换成电信号，具有工作环境适应性强、可靠性高、输出精度高、线性度好等显著特点。
现以Maxwell为基础，分析LVDT传感器电磁性能仿真过程，以提高LVDT传感器产品设计效率。
关键词：LVDT;电磁性能;仿真设计
0 引言
随着5G时代到来，航空航天领域信息化、自动化水平进一步提高，LVDT传感器也凭借其灵敏度高、线性度好、分辨率高、使用寿命长等优点而得到广泛使用。
LVDT传感器主要由线圈架、铁芯、初级线圈、次级线圈以及闭磁筒等零部件组成。
受磁性材料、线圈绕制等因素影响，“计算—试制—测试—重新计算—再试制—再测试”的传统设计方式已无法满足产品迭代更新和高质量要求。
随着计算机技术的发展，CAD/CAE技术在产品设计中得到了推广使用，利用Ansys系统中Maxwell模块进行传感器线圈电磁性能仿真计算，可提高工作效率及产品质量。
1 LVDT工作原理
LVDT传感器采用差动变压器原理设计，根据电磁感应原理，将机械位移信号转换成电信号。
如图1所示，差动变压器结构由1个初级线圈、2个次级线圈及铁芯组成。
根据电磁感应原理，当在初级线圈施加激励交流电壓Ui时，次级线圈上产生感应电压，将2个次级线圈反极性串接，由于2个次级线圈输出电压U1、U2相位相反，将二者叠加后，在两个次级线圈产生电位差U0。
当铁芯处于中心位置时，U1=U2，叠加后的输出电位U0=0;而当铁芯随被测物移动产生位移时，U0产生变化。
在一定的范围内，U0的大小与铁芯距离中心对称位置的位移量成正比，该区间为传感器的有效行程工作区间。
据此，通过检测U0输出值的大小，便可得知铁芯位移变化量。
2 传感器输出特性计算
LVDT传感器电气原理图如图1所示，为了便于分析计算，将线位移传感器看作是一个理想变压器，忽略铁损、耦合电容和涡流损耗对传感器性能的影响。
当次级线圈开路时，初级线圈的电流为：
U0的值反映传感器铁芯的位移量x，但其大小受输入量i的影响，当i受到干扰或由于其他原因产生变化及波动时，U0值的变化就不再准确反映铁芯位移量的变化，故实际应用中常使用d=来反映传感器铁芯的位移量。
3 电磁性能仿真计算
Ansoft Maxwell作为著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各工程电磁领域得到了广泛的应用;它在保证计算准确性和快捷性的前提下，能够分析静态及瞬态磁场，较好地满足了LVDT的建模、仿真计算要求。
3.1 LVDT建模
以电气行程为±7 mm、LVDT增益值为±0.5、输出线性度为±0.5%FS技术条件要求的产品为例进行建模分析。
由于铁芯是圆柱体结构，初级线圈、次级线圈均为环形绕组，利用
Maxwell 2D建模（图2），忽略外壳及线圈架等非导磁材对仿真计算结果的影响。
对线圈架、铁芯、闭磁筒等金属材料赋予相应的材料属性，确定线圈架等结构尺寸后，对各个区域进行网格划分，设定初级线圈匝数为2 400匝，次级线圈匝数为1 500匝，铁芯直径为3 mm，长度为26 mm，导入外部电路，设置激励电压及电阻等参数，确定运动部件参数，定义为线性运动，运动范围为-7 mm至7 mm，每隔1 mm求解一次进行仿真计算。
3.2 仿真分析
LVDT输出增益、精度等参数满足技术指标受次级线圈感应电压值影响，可通过次级线圈结构、匝数以及铁芯长度来调整次级线圈感应电压值。
根据次级线圈电压值计算LVDT增益值（图3），并对增益值按最小二乘法进行线性拟合（图4），计算各整数点精度均满足
±0.5%FS（表1），通过线性拟合可得LVDT灵敏度为0.071 4 V/mm，非线性度误差为
0.22%FS，精度为0.25%FS，符合LVDT参数要求。
4 试验验证
为了对该仿真结果进行验证，按仿真确定LVDT铁芯、线圈架、闭磁筒等零件参数加工机械零件，再按初级线圈、次级线圈参数要求加工制作LVDT，并在水平测长仪上进行测试，初级线圈接通3 V、3 kHz正弦波信号，通过伺服电机移动铁芯位置，测量次级线圈输出电压
U1、U2，通过电压值计算LVDT输出增益，并与仿真值进行比较（表2），可知仿真结果与实际加工产品试验结果差异不大，均满足LVDT技术调点要求。
5 结语
利用Ansoft Maxwell进行仿真计算，打破了“计算—试制—测试—重新计算—再试制—再测试”的传统设计方式，缩短了产品设计周期，且LVDT产品输出精度、线性度等得到了有效提高，产品性能稳定性得到了改善。
本文对LVDT利用Maxwell进行仿真工作进行了研究，通过仿真工作可缩短LVDT研制周期、降低生产成本、满足交付进度要求，并可快速有效地判断LVDT输出精度、增益值、线性度是否满足技术参数要求，为传感器系列化发展提供数据支撑。
[参考文献]
[1] 李科杰.新编传感器技术手册[M].北京：国防工业出版社，2002.
[2] 赵博，张洪亮.Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.
收稿日期：2020-03-18
作者简介：邓小雄（1983—），男，湖南郴州人，工程师，研究方向：LVDT产品开发与设计。