高线性度宽范围互感式位移传感器的设计与实现

作     者：邓晓军 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周泽坤

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：LVDT RVDT 线性度 解调 线性范围扩展 

摘      要：线性可变差动变压器式位移传感器(Linear Variable Differential Transformer,LVDT)和旋转可变差动变压器式角位移传感器(Rotary Variable Differential Transformer,RVDT)作为互感式位移传感器,因具有结构简单、灵敏度高、抗污染能力强和稳定性高等优点,广泛应用于国民经济各行各业,用来测量物体的拉伸长度、振动频率、厚薄等精确数据。但在互感式位移传感器的测量范围内,存在的非线性严重影响测量精度,若只使用线性范围,较大体积的绕组线圈才拥有良好的线性度和测量精度,这在一些对体积要求较高的场合会显得尴尬。针对上述问题,本文通过信号处理电路,拓展互感式位移传感器的线性范围,实现高线性度宽范围特性,对在应用中要求体积小,线性度高的场景具有重要意义。本文首先简述了LVDT和RVDT传感器的结构,等效电路和磁场分析,了解了对传感器差动输出电压值与铁芯位移之间线性变化的影响因素。针对高线性度、宽的线性范围输出特性,本文分析了传统的解调电路拓扑结构,设计了基于采样保持电路的解调电路结构,使电路在激励信号半个周期后作出响应,提高了电路的响应时间。对比了不同的线性扩展电路方式,最终采用了通过模拟查找表的方式,利用三角信号来扩展线性的结构,使传感器的线性范围可以扩展到全行程范围,电路输出的线性精度在工作行程范围内也得到提高。根据信号处理电路设计目标和实际需要,本文开展了电源转换电路、振荡电路、解调电路模块、线性范围扩展电路模块等相应的电路设计,基于Multisim仿真软件进行了仿真验证,解决了信号处理过程中的关键技术问题,并基于该信号处理电路设计方案完成了PCB版图设计。最后基于样机测试,开展了信号处理电路关键节点波形及其参数验证,完成了一种高线性度、宽范围的互感式位移传感器。其正弦波输出电压为12V,频率为3k Hz,传感器灵敏度达到56mV/V·mm,线性范围达到传感器满量程,线性度达到0.21%,迟滞为0.095%,重复性误差为0.115%,整个电路在正弦波信号的一个周期内响应,响应时间为T≈330μs。