AD698位移測量

1、哈爾濱理工大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)年設(shè)計報告哈 爾 濱 理 工 大 學(xué)課 程 設(shè) 計 題 目：基于AD698的差動變壓器式位移測量系統(tǒng) 姓 名： 班 級： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 成 績： 2012 年 12 月 25 日不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印- I -目錄第1章 緒論11.1 課程設(shè)計目的意義11.2 課程設(shè)計任務(wù)11.3 課程設(shè)計時間安排1第2章 總體方案設(shè)計22.1 工作原理22.2 系統(tǒng)組成42.3 本章小結(jié)4第3章 硬件電路設(shè)計63.1 傳感器設(shè)計63.2 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計73.3 振蕩電路設(shè)計73.4 仿真實驗73.5 本章小結(jié)10第4章 PCB板設(shè)計、安裝與調(diào)試114.1

2、 PCB版設(shè)計114.2 PCB版安裝124.3 PCB版調(diào)試124.4 本章小結(jié)12第5章 系統(tǒng)標定、測試與精度分析135.1 測試數(shù)據(jù)135.2 原始實驗數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)的標定145.3 精度分析155.4 本章小結(jié)16結(jié)論17致謝18參考文獻19心得體會20千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行- II -第1章 緒論1.1 課程設(shè)計目的意義 基于AD698的差動變壓器式位移測量系統(tǒng)設(shè)計、制作及精度分析。采用差動變壓器式電感傳感器設(shè)計一套位移測量系統(tǒng)，包括差動變壓器的設(shè)計裝配調(diào)整、

3、轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路的設(shè)計、安裝和調(diào)試、標定試驗和測試實驗及精度分析。 1.2 課程設(shè)計任務(wù)1、設(shè)計傳感器。2、測繪傳感器。3、畫出傳感器的結(jié)構(gòu)圖。4、采用集成芯片AD698設(shè)計差動變壓器式電感傳感器的轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路，并畫出電路的原理圖。5、設(shè)計并加工制作PCB版。6、對所設(shè)計的位移測量系統(tǒng)進行標定。7、用所設(shè)計位移測量系統(tǒng)對某一位移量進行測量，給出測量結(jié)構(gòu)及其測量不確定度。8、撰寫課程設(shè)計報告。1.3 課程設(shè)計時間安排 課程實踐學(xué)時2周，主要內(nèi)容及時間安排可大致分配如表1-1。表1-1 學(xué)年設(shè)計內(nèi)容及時間分配階段實踐內(nèi)容時間（天）第一階段選題、查閱資料、不同方案分析與比對，最優(yōu)方案確定；傳感器設(shè)計

4、及變送電路設(shè)計，調(diào)試解調(diào)電路設(shè)計；Protel繪制電路原理圖及仿真實驗，繪制印刷電路版圖3第二階段調(diào)制解調(diào)電路調(diào)試；轉(zhuǎn)換電路及放大電路調(diào)試4第三階段測試系統(tǒng)標定實驗；相應(yīng)參數(shù)測量實驗及精度分析2第四階段答辯1第2章 總體方案設(shè)計2.1 工作原理 AD698首先驅(qū)動LVDT，然后讀出LVDT的輸出電壓并產(chǎn)生一個與磁芯位置成正比的直流電壓信號。AD698用一個正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器來驅(qū)動LVDT，并用二個同步解調(diào)級來對初級和次級電壓進行解碼，解碼器決定了輸出電壓與輸入驅(qū)動電壓的比率（A/B）。濾波級和放大器可按比較整輸出結(jié)果。 振蕩器中包含一個多諧振蕩器，該多諧振蕩器產(chǎn)生一個三角波，并驅(qū)動正

5、弦波發(fā)生器產(chǎn)生一個低失真的正弦波，正弦波的頻率和幅值由一個電阻器和一個電容器決定。輸出頻率在20Hz20kHz可調(diào)，輸出有效幅值在2V24V可調(diào)。總諧波失真的典型值是50dB。 AD698通過同步解調(diào)輸入幅值A(chǔ)（次級線圈側(cè)）和一個固定的參考輸入B（初級線圈側(cè)或固定輸入）。早期解決方案的共同問題是驅(qū)動振蕩器幅值的任何漂移都會直接導(dǎo)致輸出增益的錯誤。AD698通過計算LVDT輸出與輸入激勵的比率消除了所有的偏移影響，從而避免了這些錯誤。AD698不同于AD598型的LVDT信號調(diào)理器，因為它實現(xiàn)了一個不同的電路傳遞函數(shù)，并且不要求LVDT次級線圈（A+B）是一個隨行程長度而定的常量。 AD698的

6、輸入包括二個獨立的同步解調(diào)通道A和B。B通道用來監(jiān)測驅(qū)動LVDT的激勵信號，A通道的作用與之相同，但是它的比較器引腳是單獨引出來的。因為在LVDT處于零位的時候，A通道可能達到0V，所以A通道解調(diào)器通常由初級電壓（B通道）觸發(fā)。另外，可能還需要一個相位補償網(wǎng)絡(luò)給A通道增加一個相位超前或滯后量，比此來補償LVDT初級對次級的相位偏移。 一旦二次通道信號被解調(diào)和濾波后，再通過一個除法電路來計算比率A/B，除法器的輸出是一個矩波信號。當(dāng)A/B等于1時，矩形波的占空比為100%。輸出放大器測量500A的參考電流并把它轉(zhuǎn)化成一個電壓值。當(dāng)IREF=500A時，其傳遞函數(shù)如下： VOUT=IREF

7、5;A/B×R2差動電感式位移傳感器的測量原理DGC-6PGA差動電感式位移傳感器由中原量儀生產(chǎn)的一款旁向式的位移測量頭。他的激勵頻率在10 kHz左右，激勵電壓的有效值為2 V，靈敏度為70 mVVmm，總行程為1.5 mm。他產(chǎn)生的電信號輸出與鐵芯的位移成正比。他在不銹鋼殼內(nèi)布置1個初級線圈，并在其左右各布置1個次級線圈，呈對稱分布。鐵芯在線圈組內(nèi)穿梭，當(dāng)通過外部交流電源給初級線圈通電后，兩個反相連接的次初級線圈中將產(chǎn)生極性相反的電壓。因此，兩個電壓之差即為LVDT的凈輸出值，當(dāng)鐵芯位于中間或零位，凈輸出為零。當(dāng)鐵芯離開零位，鐵芯所趨向的次級線圈的電壓相應(yīng)增加。同時，另一側(cè)線圈的

8、感應(yīng)電壓相應(yīng)降低。芯的運動產(chǎn)生隨位移變化而變化的線性壓差輸出值。當(dāng)鐵芯從零位的一側(cè)移至另一側(cè)時，輸出電壓的相位將出現(xiàn)180°突變；當(dāng)初級繞組由恒定電壓供電時，其等效電路如圖2所示。如果次級繞組的總電阻用R2表示，由圖2利用網(wǎng)孔分析法可得方程組：由方程組(2)得： 差動變壓器等效電路 差動變壓器的輸出特性曲線2.2 系統(tǒng)組成在使用AD698之前我們先對位移測量系統(tǒng)的各個部分進行拆分，電路由音頻發(fā)生器、差動放大器、相敏檢波器、移相器、低通濾波器、電壓表組成，具體流程如下圖： 由RC振蕩器提供激磁電壓及通過移相器后給相敏檢波電路的參考電壓信號，傳感器工作后輸出-5v到5v的正弦信號?？紤]到

9、抑制共模信號，因此用差動放大電路進行放大，再將放大后的調(diào)幅信號用相加式相敏檢波電路進行解調(diào)以實現(xiàn)對相位的鑒別以判別位移的方向，最后用低通濾波器實現(xiàn)對解調(diào)的直流信號的放大及濾除高頻信號，輸出接顯示器。用示波器接輸入輸出端以觀察信號波形。（其中Wd , Wa為電橋所構(gòu)成的零點殘余電壓補償電路，實際實驗時已將其忽略。另外，根據(jù)實驗電路產(chǎn)生直流信號影響有用直流信號，可考慮在相敏檢波電路與低通濾波器之間連接一個適當(dāng)電容，以濾去干擾直流信號）。2.3 本章小結(jié)在確定系統(tǒng)設(shè)計方案時，首先需要對AD698芯片的了解，明白芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過查找資料我們了解到AD698是一款完整的單芯片線性可變差分變壓器(LVD

10、T)信號調(diào)理子系統(tǒng)，結(jié)合LVDT使用，能夠以較高精度和可重復(fù)性將傳感器機械位置轉(zhuǎn)換為單極性或雙極性直流電壓。所有電路功能均集成于片內(nèi)。只要增加幾個外部無源元件以設(shè)置頻率和增益，AD698就能將原始LVDT輸出轉(zhuǎn)換為一個比例直流信號。該器件可以采用半橋LVDT、以串聯(lián)相對配置（4線）連接的LVDT和RVDT工作。 AD698內(nèi)置一個低失真正弦波振蕩器，用來驅(qū)動LVDT原邊。兩個同步解調(diào)通道用于檢測原邊和副邊幅度。該器件將副邊的輸出除以原邊的幅度，然后乘以一個比例系數(shù)。這樣可以消除原邊驅(qū)動的幅度漂移所導(dǎo)致的比例系數(shù)誤差，改善溫度性能和穩(wěn)定性。 AD698利用獨特的比率架構(gòu)來消除傳統(tǒng)LVDT接口方法

11、的多個弊端。這種新電路的優(yōu)勢包括：無需調(diào)整；溫度穩(wěn)定性提高；傳感器互換性得以改善。第3章 硬件電路設(shè)計3.1 傳感器設(shè)計電感傳感器是一種機械.電子傳感器, 其輸入是磁芯的機械移動, 輸出是與磁芯位置成正比的交流電壓信號。電感傳感器由1個初級線圈和2個次級線圈組成, 初級線圈由外部參考正弦波信號源激勵, 2個次級線圈反向串聯(lián)?；顒哟判镜囊苿涌筛淖兂醮渭壘€圈之間的耦合磁通, 從而產(chǎn)生2個幅值不同的交流電壓信號。串聯(lián)次級線圈的輸出電壓隨著磁芯移離中心位置而升高。加一個差放將傳感器輸出的微弱信號放大。因此通過測量輸出電壓的相位可以判斷磁芯移動的方向。3.2 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計3.3 振蕩電路設(shè)計 該振蕩電路

12、為正弦波發(fā)生器，輸出幅值為10V，頻率為10KHz的正弦波。3.4 仿真實驗系統(tǒng)的仿真圖如下： 當(dāng)鐵心在中間平衡位置時，即兩個次級線圈的比值為1：1時，輸出為5.032mv，為零點殘壓。仿真圖如下： 當(dāng)鐵心偏離中間平衡位置時，仿真時設(shè)定兩個次極線圈的比值為50：1，此時輸出為140.721mv。仿真圖如下： 當(dāng)鐵心反向偏離中間平衡位置時，仿真時設(shè)定兩個次級線圈的比值為1：50，此時輸出為145.669mv。仿真圖如下： 3.5 本章小結(jié)通過本章學(xué)習(xí)使我們熟悉了仿真軟件的使用以及模擬仿真在具體工作中的重要性。對于電路產(chǎn)生的零點殘壓問題我們查找資料找到了一些消除零點殘壓方法。下面為零點殘壓產(chǎn)生及消

13、除方法。（1）零點殘余電壓，又稱為零位電壓。差動式變壓器傳感器的銜鐵處于中間平衡位置時輸出的微小電壓，如圖所示。 （2）消除零點殘余電壓方法： 從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào) 節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應(yīng)選在磁化曲線的線性段。 選用合適的測量線路采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到

14、2，從而消除了零點殘余電壓。 采用補償線路第4章 PCB板設(shè)計、安裝與調(diào)試4.1 PCB版設(shè)計 PCB設(shè)計，是以電路原理圖為根據(jù)實現(xiàn)電路設(shè)計者所需要的功能。設(shè)計主要指版圖設(shè)計，需要考慮外部連接的布局。內(nèi)部電子元件的優(yōu)化布局。金屬連線和通孔的優(yōu)化布局。電磁保護。熱耗散等各種因素。 PCB版設(shè)計流程： （1）建立PCB設(shè)計工程文件。（2）繪制電路原理圖，對元件屬性賦值。 （3）編譯原理圖，以消息方式顯示錯誤。（4）生成網(wǎng)絡(luò)表 。（5）生成PCB板圖，繪制板框。 （6）調(diào)入網(wǎng)絡(luò)表，完成元件位置布置，設(shè)置布線規(guī)則，完成全部布線。（7）電路板規(guī)則檢查 。PCB版圖如下4.2 PCB版安裝4.3 PCB版

15、調(diào)試4.4 本章小結(jié) 在此次課程設(shè)計中，我使用了Altium Designer軟件。由于我們對此軟件不了解，從開始安裝軟件到使用的過程中遇到了很多麻煩。我們只對PCB版進行了設(shè)計沒有進行安裝和調(diào)試。此次課程設(shè)計使我意識到了我所會的知識實在太少，在此次課程設(shè)計之后我要好好學(xué)習(xí)Altium Designer軟件和一些其他的常用軟件。第5章 系統(tǒng)標定、測試與精度分析5.1 測試數(shù)據(jù)序數(shù)位移x/cm輸出電壓y/mv1-3-2952-2.8-2753-2.6-254.34-2.4-233.95-2.2-2136-2-1927-1.8-1718-1.6-1509-1.4-13010-1.2-11111-1

16、-9012-0.8-7013-0.6-5014-0.4-29.715-0.2-9.61600170.210.2180.430190.651200.87121191221.2112231.4131241.6150.8251.8172262193272.2213282.4234292.6255302.82763132965.2 原始實驗數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)的標定 回歸統(tǒng)計Multiple R0.999519R Square0.999039Adjusted R Square0.999006標準誤差5.542021觀測值31 方差分析dfSSMSFSignificance F回歸分析1925949.7925

17、949.730147.492.61077E-45殘差29890.705830.71399總計30926840.4Coefficients標準誤差t StatP-valueLower 95%Upper 95%下限 95.0%上限 95.0%Intercept0.3709680.9953760.3726910.712089-1.664812.406741-1.664812.406741X Variable 100.55643201-1.138031.138032-1.138031.138032 RESIDUAL OUTPUT PROBABILITY OUTPUT觀測值預(yù)測 Y殘差標準殘差百分比排位

18、Y10.370968-295.371-1.680451.612903-29520.370968-275.371-1.566674.83871-27530.370968-254.671-1.44898.064516-254.340.370968-234.271-1.3328411.29032-233.950.370968-213.371-1.2139314.51613-21360.370968-192.371-1.0944517.74194-19270.370968-171.371-0.9749820.96774-17180.370968-150.371-0.855524.19355-15090

19、.370968-130.371-0.7417227.41935-130100.370968-111.371-0.6336230.64516-111110.370968-90.371-0.5141533.87097-90120.370968-70.371-0.4003637.09677-70130.370968-50.371-0.2865840.32258-50140.370968-30.071-0.1710843.54839-29.7150.370968-9.97097-0.0567346.77419-9.6160.370968-0.37097-0.00211500170.3709689.82

20、90320.0559253.2258110.2180.37096829.629030.16856856.4516130190.37096850.629030.28804359.6774251200.37096870.629030.40182962.9032371210.37096890.629030.51561566.1290391220.370968111.6290.6350969.35484112230.370968130.6290.74318772.58065131240.370968150.4290.85583575.80645150.8250.370968171.6290.97644

21、879.03226172260.370968192.6291.09592382.25806193270.370968212.6291.20970885.48387213280.370968233.6291.32918488.70968234290.370968254.6291.44865991.93548255300.370968275.6291.56813495.16129276310.370968295.6291.6819298.38712965.3 精度分析 （1）由圖可知與傳感器電壓值輸出量y與位移量x的回歸方程為 y=96.614x-5.6E-14 (1) 其中，相關(guān)指數(shù)R2=0.9

22、990，可以認為擬合曲線較優(yōu)。 （2）由回歸分析知： 相關(guān)系數(shù)：R=0.999519；測定系數(shù)：R*R=0.999039；F值：F=30147.49：。其中df為自由度，SS為樣本數(shù)據(jù)平方和，MS為樣本數(shù)據(jù)平均平方和。 （3）模型檢驗： 模型為：y=96.614x-5.6E-14 R，R2和F都可以直接從表格中讀出。有了R值，F(xiàn)值可計算出來。F值的計算公式和結(jié)果為：所求F值與表中近似一樣。5.4 本章小結(jié)此章我們是對數(shù)據(jù)進行處理，我們是用excel表格進行數(shù)據(jù)處理的，在處理數(shù)據(jù)的過程中有時經(jīng)常把數(shù)據(jù)弄亂弄混，但最后還是順利完成了。所以在處理數(shù)據(jù)過程中一定要仔細、認真。千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。- 20 -結(jié)論常見故障：（1）邏輯錯誤：它是由設(shè)計錯誤或加工過程中的工藝性錯誤所造成的。這類錯誤包括錯線、開路、短路等。（2）元器件失效：有兩方面的原因：一是器件本身已損壞或性能不符合要求；二是組裝錯誤造成元件失效，如電解電容、二極管的極性錯誤、集成電路安裝方向錯誤等。 （3）可靠性差：引起可靠性差的原因很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，經(jīng)不起振動；走線和布局不合理也會引起系統(tǒng)可靠性差。（4）電源故障：若樣有電源