差动变压器式位移传感器

课程设计说明书

传感器课程设计

Course-Design of Sensor

——差动变压器式位移传感器

学院名称：机械工程学院

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师姓名：

指导教师职称：教授

2012年 01月

目录

第一章绪论 (1)

1.1 概述 (1)

1.2 设计任务 (1)

第二章方案论证及选择 (3)

2.1 方案论证 (3)

2.2 原理简述 (4)

第三章差动变压器 (5)

3.1 传感器结构 (5)

3.2 工作原理 (5)

第四章单元电路的分析 (6)

4.1 差动放大电路 (6)

4.2 移相电路 (9)

4.3 相敏检波电路 (10)

4.4 低通滤波电路 (11)

第五章电路测试及波形 (14)

5.1 各电路波形 (14)

5.2 位移测量数据拟合 (17)

第六章心得体会 (18)

第七章参考文献 (19)

第八章参考文献 (19)

第一章绪论

1.1 概述

当今时代是信息时代，在工业和科技领域信息主要是通过测量获得，在现代生产中，物质和能量在信息流指挥和控制下运动。测控技术正成为现代生产生活中乃至高科技领域中一项必不可少的基础技术。

测控系统主要是传感器，测量放大电路和执行机构三个部分组成，而在测控系统中测量变换电路是最灵活的部分。它的选取往往改变了整个系统性能的优劣。

所以，学习并领悟测控技术就显得十分重要了，《测试技术》是我们测控技术与仪器专业的一门专业技能课，能够运用基本测控电路知识解决日常生活中的方方面面问题也应该是本专业学生的基本素质，也鉴于这些要求，做一些测控方面的课程设计就会让我们加深对传感器技术的理解和运用，也正是因为对一些实际问题的研究，才能使我们成为真正意义上的测控技术性人才，下面就以本次才课程设计题目——差动变压器式位移传感器——做比较详细的分析。

1.2 设计任务

设计要求：掌握差动变压器式位移传感器的结构，工作原理。分析各部分电路的作用及工作原理，特别是相敏检波电路的作用，观察分析各部分的波形，给出测试结果。

第二章方案论证及选择

2.1 方案论证

差动传感器输出的是0~40mvVp-p的正弦信号,第一是比较微弱的，第二不

能用直流表测量，因为这样不能反应位移的正负。因此必须对这些信号进行放

大处理后才能送入后续电路，至于是什么样的处理电路，就必须考虑对位移方

向的鉴别问题了，可以选择相敏检波电路，也就因此排除了对象为不敏感的包

络检波电路，实现了相敏检波电路后按设计任务的要求必须化成直流信号，可

以还必须对解调信号进行直流放大和低通滤波，只有这样才能得到调制信号的

变化情况，这样也就可以接数显部分进行显示了。

我们必须明白对传感器激磁电压的选择是有要求的，首先它的频率必须够

高一般选择3KHz~10MHz，其次它的电压要达到相应的幅值，交流一般在20V

以上（因为设计要求的是正弦激励信号）而相敏检波电路的参考信号一般要将

高频的信号处理为方波信号，这样可以更稳定，利于提高检波的精度；但若采

用相加式的相敏检波电路就可以直接利用激励信号作为检波的参考信号而且幅

值也达到要求，这样就可以省略方波段的电路，利于生产效益的提高。

2.2 原理简述

由RC振荡器提供激磁电压及通过移相器后给相敏检波电路的参考电压信号，传感器工作后输出0-40mVp-p的微弱正弦信号。考虑到抑制共模信号，因此用差动放大电路进行放大，再将放大后的调幅信号用相加式相敏检波电路进行解

调以实现对相位的鉴别以判别位移的方向，最后用低通滤波器实现对解调的直流信号的放大及滤除高频信号，输出接显示器。用示波器接输入输出端以观察信号波形。（其中Wd , Wa 为电桥所构成的零点残余电压补偿电路，实际实验时已将其忽略。另外，根据实验电路产生直流信号影响有用直流信号，可考虑在相敏检波电路与低通滤波器之间连接一个适当电容，以滤去干扰直流信号）。

第三章差动变压器

3.1 传感器结构

3.2 工作原理

差动变压器主要是由一个线框和一个铁芯组成,在线框上绕有一组初级线圈作为输入线圈(或称一次线圈),在同一线框上另绕两组次级线圈作为输出线圈(或称二次线圈),并在线框中央圆柱孔中放入铁芯,当初级线圈加以适当频率的电压激励时,根据变压器作用原理,在两个次级线圈中就会产生感应电势,当铁芯向右或向左移动时,在两个次级线圈内所感应的电势一个增加一个减少。如果输出接成反向串联，则传感器的输出电压u等于两个次级线圈的电势差，因为两个次级线圈做得一样，因此，当铁芯在中央位置时，传感器的电压u为0，当铁芯移动时，传感器的输出电压u就随铁芯位移x成线性的增加。如果以适当的方法测量u，就可以得到与x成比例的线性读数。这就是差动变压器式传感器的工作原理。

第四章单元电路的分析

4.1 差动放大电路

差动放大器是一种零点漂移十分微小的直流放大器，它常作为直流放大器的前置级，用以放大微小的直流信号或缓慢变化的交流信号。

上图是一种差动放大器电路，R1=R2=R3=R4=51K，R5=6.6K，R6=2K，R1=510K,R2=10K，通频带0~10kHz，增益1~100倍，可接成同相，反相，差动结构。

如果输入信号接在7,8两点，这是放大器处于双端输入的差动状态。如果输入接在8与地之间，而7接地，这是差动放大器处于单端输入的反相状态。把输入信号接在7与地之间，而8接地，差动放大器处于单端输入的同相状态。

差动放大器实现的功能是将信号放大。其需要的主要芯片是1AC156M OP07CP。

OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入

偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07的开环增益比通用型运算放大器112dB（typ）高，但GB积与转换速率却比通用型小，全功率（full power）响应频率并不高。

其特点是：超低偏移： 150μV最大；低输入偏置电流： 1.8nA ；低失调电压漂移： 0.5μV/℃ ；超稳定时间： 2μV/month最大；高电源电压范围：±3V至±22V

OP07的外型图片如图4所示：

图4为1AC156M OP07CP的管脚图；其中各管脚的连接为：

1 VOS

2 -IN

3 +IN

4 V-

5 NC

6 OUT

7 V+ 8 VCS

图5 其管脚图及内部结构如图5、图6所示。

图6是1AC156M 0P07CP内部结构图；OP07CP运算放大器的电气特性

4.2 移相电路

移相器一种用以调节交流电压相位的装置。移相器一般是多相的，其结

构如图所示。它和一台被旋转的绕线式三相异步电动机相似。通常定子绕组

作为原绕组，转子绕组为副绕组。在移相器的转子转轴上装有一套蜗轮蜗杆。转动蜗轮蜗杆，能使移相器的转子相对于定子在一定范围内转动。当定子上

的原绕组接三相交流电源后，气隙里产生的旋转磁场将在原、副绕组中分别

感应出电动势E1和E2。其大小与各绕组的有效匝数成正比，而相位决定于原、副绕组轴线之间的相对位置。例如原、副绕组轴线在空间位置上彼此相

差α电角度,忽略它们的漏阻抗电压降，可以得到原、副边电压的关系为Array

U1≈-E1

式中n sr是原、副边绕组的变比。改变转子的位置,可以改变副边电压相对于原边电压的相位，但输出电压的大小不变。

4.3 相敏检波电路

相敏检波器使检波电路具有判别信号相位和选频的能力。上图所示为由施密特开关电路及运放组成的相敏检波电路的原理。

图中Ui入信号端，8交流参考电压输入端，Uo信号输出端，5直流参考电压输入端。当5,8端输入控制电压信号时，通过差动电压的作用使VD和J处于开或关的状态，从而把Ui端输入的正弦信号转换成全波整流信号。放大器及VD组成整流电路，将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。当信号输入接相敏检波器输入端Ui，直流稳压电源接相敏检波器 5 端，改变5端参考电压的极性，当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负的时，输入与输出反相。

相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。包络检

波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无

法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区

分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。

相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/ n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。

如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压uo=Usm/2cos∮，即输出信号随相位差∮的余弦而变化。

由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。

4.4 低通滤波电路

从0到转折频率f之间称为通频带幅频特性平直。低通滤波器可以使信号中低于频率f的成分几乎不受衰减的通过，而高于频率f的成分受到极大的衰减。

如图 2.11所示，R2，R3，W1，W2，C1，C2，C3组成的虑波器。在低频段，由于C1，C2的容抗非常大，输入信号经过R2，R3，W1直接传到放大器，电压传输系数同样约等于1；在高频段，由于C1，C2容抗非常大小，输入信号经过C1，C2传到放大器，电压传输系数同样约等于1；只有当信号频率f等于它的特征频率时，阻抗非常大，电压传输系数约等于0。R1,R5组成的比例放大器，通带电压增益A0等于比例放大器的电压增益AVF，即A0=AVF=1+R5/R1=2。R6，C4组成RC滤波器，其传递函数为H(w)=1/(1+j2πfτ)，式中f=1/2πR6C4为转折频率，在f<1/2πR6C4时，信号不衰减通过。称为一阶低通滤波器。

顾名思义，所谓滤波器就是能够过滤波动信号的器具，在电子线路中，滤波器的作用是从具有各种不同频率成分的信号中，取出具有特定频率成分的信

号。滤波器一词的英文是“filter”。

理想低通滤波器器能够让零频（即直流）到截止频率fc之间的所有信号毫无损失的通过，而高于截止频率fc的所有信号毫无遗留的丧失殆尽，低通滤波器简称LPF。在本实验装置中，为了过滤掉高次波的影响，采用低通滤波器进行滤波。

应用到的运算放大器是HA17741 1A1。HA17741运算放大器实际上就是uA741，国产型号是F007，相近的简化就是LM324。

1，调零

2，-IN

3, +IN

4, U-

5, 调零

6, OUT

7, U+

8, NC

图8

如图8示，即为HA17741管脚图；

它的主要指标为：输入失调电压10mV，开环输入电阻1M 欧，开环增益88~100db，单位增益带宽1Mhz，输出开环阻抗60欧，输出电压转换速度0.5V/us。

图9 如图9示，是HA17741内部电路图。

第五章电路测试及波形

5.1 各电路波形

一、输入正弦信号不经电路得到的输出波形：

二、经过差动放大电路的波形：

三、经过移相电路的波形：

四、经过相敏检波电路的波形：

五、经过低通滤波电路的波形：

铁芯在中央位置

位移向上

位移向下

5.2 位移测量数据拟合

测量位移从-6mm到6mm，经Matlab软件拟合如上图所示。

第六章心得体会

经过近十天的奋斗，传感器课程设计终于完成，虽然跟自己开始的想法差

了不少，总体上还过得去，这个过程中解接触了一些书本上所接触不到的东西，开阔了我们的视野，同时大大增强了我们的动手能力以及实践能力。通过对印

刷电路板电路的拷贝，我深深体会到了理论与实际的差别。虽然电路原理相同，

大体电路组成差别不大，但实际电路更趋复杂，设计更严谨。

我们课程设计开始时不知道该如何着手，看着密密麻麻的印刷电路板原件

发呆，在鲍老师的耐心引导下，我们一步一个脚印，渐渐的找到了自己的位置，我们分工，分批合作，拆旧的实验仪，画电路，检查修改，结合实际电路原理

图拟合，查数据，记录，然后连线分别记录波形，最后分析讨论，得出结论。

开始时进展较为缓慢，随着我们设计思路的逐步明确，设计进行的非常顺利。

通过此次课程设计，我深化了对传感器这门学科的认识，书本上我接触了

各种各样的电路，如移相电路，相敏电路，差动电路，振荡电路等，都只停留

在原理以及作用之上，知其然而不知其所以然。通过对各部分电路的模拟与仿真，结合示波器的观察，加深了对它们的认识，从根本上了解了各种电路。

此次课程设计我收获了很多，充实了自己，增强了我的动手能力，更深化

了对传感器的认识。通过小组合作我也深深体会到了合作的重要性。

第七章致谢

感谢鲍老师耐心教导和陪同，帮助我们圆满的完成了本次课程设计，同时感谢我们组员的努力合作，在此新年之际，祝大家新年愉快，在新的一年里事事顺利。

第八章参考文献

[1] 贾伯年、俞朴、宋爱国等.传感器技术.3版.南京：东南大学出版社,2007.2

[2] 何金田.传感检测技术实验教程.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2005.12

[3] 周继明、刘先任、江世明等.传感技术与应用实验指导及实验报告.长沙：中南大学出版社,2006.8