AD698位移测量

AD698位移测量 哈 尔 滨 理 工 大 学 课 程 设 计 题 姓 名: 班 级: 学 号: 指导教师: 成 绩: 2012 年 12 月 25 日 - I - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 目录 工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录 第1章 绪 论 ........................................................................................................ 1 1.1 课程设计目的意 义 ................................................................................... 1 1.2 课程设计任 务 ........................................................................................... 1 1.3 课程设计时间安 排 ................................................................................... 1 第2章 总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设 计 ........................................................................................ 2 2.1 工作原 理 ................................................................................................... 2 2.2 系统组 成 ................................................................................................... 4 2.3 本章小 结 ................................................................................................... 4 第3章 硬件电路设 计 ........................................................................................ 6 3.1 传感器设 计 ............................................................................................... 6 3.2 转换电路设 计 ........................................................................................... 7 3.3 振荡电路设 计 ........................................................................................... 7 3.4 仿真实 验 ................................................................................................... 7 3.5 本章小 结 ................................................................................................. 10 第4章 PCB板设计、安装与调 试 ................................................................. 11 4.1 PCB版设计 ............................................................................................. 11 4.2 PCB版安装 ............................................................................................. 12 4.3 PCB版调试 ............................................................................................. 12 4.4 本章小 结 ................................................................................................. 12 第5章 系统标定、测试与精度分 析 .............................................................. 13 5.1 测试数 据 ................................................................................................. 13 5.2 原始实验数据处理与系统的标 定 ......................................................... 14 5.3 精度分 析 ................................................................................................. 15 5.4 本章小 结 ................................................................................................. 16 结 论 .................................................................................................................... 17 致 谢 .................................................................................................................... 18 参考文 献 ............................................................................................................ 19 心得体 会 ............................................................................................................ 20 - II - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 第1章 绪论 1.1 课程设计目的意义 基于AD698的差动变压器式位移测量系统设计、制作及精度分析。 采用差动变压器式电感传感器设计一套位移测量系统，包括差动变压器的设计装配调整、转换及调理电路的设计、安装和调试、标定试验和测试实验及精度分析。 1.2 课程设计任务 1、设计传感器。 2、测绘传感器。 3、画出传感器的结构图。 4、采用集成芯片AD698设计差动变压器式电感传感器的转换及调理电路，并画出电路的原理图。 5、设计并加工制作PCB版。 6、对所设计的位移测量系统进行标定。 7、用所设计位移测量系统对某一位移量进行测量，给出测量结构及其测量不确定度。 8、撰写课程设计报告。 1.3 课程设计时间安排 课程实践学时2周，主要内容及时间安排可大致分配如表1-1。 - 1 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 第2章 总体方案设计 2.1 工作原理 AD698首先驱动LVDT，然后读出LVDT的输出电压并产生一个与磁芯位置成正比的直流电压信号。AD698用一个正弦波函数振荡器和功率放大器来驱动LVDT，并用二个同步解调级来对初级和次级电压进行解码，解码器决定了输出电压与输入驱动电压的比率(A/B)。滤波级和放大器可按比较整输出结果。 振荡器中包含一个多谐振荡器，该多谐振荡器产生一个三角波，并驱动正弦波发生器产生一个低失真的正弦波，正弦波的频率和幅值由一个电阻器和一个电容器决定。输出频率在20Hz,20kHz可调，输出有效幅值在2V,24V可调。总谐波失真的典型值是50dB。 AD698通过同步解调输入幅值A(次级线圈侧)和一个固定的参考输入B(初级线圈侧或固定输入)。早期解决方案的共同问题是驱动振荡器幅值的任何漂移都会直接导致输出增益的错误。AD698通过计算LVDT输出与输入激励的比率消除了所有的偏移影响，从而避免了这些错误。AD698不同于AD598型的LVDT信号调理器，因为它实现了一个不同的电路传递函数，并且不要求LVDT次级线圈(A+B)是一个随行程长度而定的常量。 AD698的输入包括二个独立的同步解调通道A和B。B通道用来监测驱动LVDT的激励信号，A通道的作用与之相同，但是它的比较器引脚是单独引出来的。因为在LVDT处于零位的时候，A通道可能达到0V，所以A通道解调器通常由初级电压(B通道)触发。另外，可能还需要一个相位补偿 网络给A通道增加一个相位超前或滞后量，比此来补偿LVDT初级对次级的相位偏移。 一旦二次通道信号被解调和滤波后，再通过一个除法电路来计算比率A/B，除法器的输出是一个矩波信号。当A/B等于1时，矩形波的占空比为100%。输出放大器测量500μA的参考电流并把它转化成一个电压值。当IREF=500μA时，其传递函数如下: VOUT=IREF×A/B×R2 差动电感式位移传感器的测量原理 DGC-6PG,A差动电感式位移传感器由中原量仪生产的一款旁向式的位移测量头。他的激励频率在10 kHz左右，激励电压的有效值为2 V，灵敏度为70 mV,V,mm，总行程为1.5 mm。他产生的电信号输出与铁芯的位移成正比。他在不锈钢壳内布置1个初级线圈，并在其左右各布置1个次级线圈，呈对称分布。铁芯在线圈组内穿梭，当通过外部交流电源给初级线圈通电后，两个反相连接的次初级线圈中将产生极性相反的电压。因此，两 - 2 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 零。当铁芯离开零位，铁芯所趋向的次级线圈的电压相应增加。同时，另一侧线圈的感应电压相应降低。芯的运动产生随位移变化而变化的线性压差输出值。当铁芯从零位的一侧移至另一侧时，输出电压的相位将出现180?突变;当初级绕组由恒定电压供电时，其等效电路如图2所示。 如果次级绕组的总电阻用R2表示，由图2利用网孔分析法可得方程组: 由方程组(2)得: 差动变压器等效电路 差动变压器的输出特性曲线 - 3 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 2.2 系统组成 在使用AD698之前我们先对位移测量系统的各个部分进行拆分，电路由音频发生器、差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器、电压表组成，具体流程如下图: 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-5v到5v的正弦信号。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)。 2.3 本章小结 在确定系统设计方案时，首先需要对AD698芯片的了解，明白芯片内部结构，通过查找资料我们了解到AD698是一款完整的单芯片线性可变差分变压器(LVDT)信号调理子系统，结合LVDT使用，能够以较高精度和可重 复性将传感器机械位置转换为单极性或双极性直流电压。所有电路功能均集成于片内。只要增加几个外部无源元件以设置频率和增益，AD698就能将原始LVDT输出转换为一个比例直流信号。该器件可以采用半桥LVDT、以串联相对配置(4线)连接的LVDT和RVDT工作。 - 4 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 解调通道用于检测原边和副边幅度。该器件将副边的输出除以原边的幅度，然后乘以一个比例系数。这样可以消除原边驱动的幅度漂移所导致的比例系数误差，改善温度性能和稳定性。 AD698利用独特的比率 架构 酒店人事架构图下载公司架构图下载企业应用架构模式pdf监理组织架构图免费下载银行管理与it架构pdf 来消除传统LVDT接口方法的多个弊端。这种新电路的优势包括:无需调整;温度稳定性提高;传感器互换性得以改善。 - 5 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 第3章 硬件电路设计 3.1 传感器设计 电感传感器是一种机械..电子传感器, 其输入是磁芯的机械移动, 输出是与磁芯位置成正比的交流电压信号。电感传感器由1个初级线圈和2个次级线圈组成, 初级线圈由外部参考正弦波信号源激励, 2个次级线圈反向串联。活动磁芯的移动可改变初次级线圈之间的耦合磁通, 从而产生2个幅值不同的交流电压信号。串联次级线圈的输出电压随着磁芯移离中心位置而升高。加一个差放将传感器输出的微弱信号放大。因此通过测量输 出电压的相位可以判断磁芯移动的方向。 - 6 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 3.3 振荡电路设计 该振荡电路为正弦波发生器，输出幅值为10V，频率为10KHz的正弦波。 3.4 仿真实验 系统的仿真图如下: - 7 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 当铁心在中间平衡位置时，即两个次级线圈的比值为1:1 时，输出为—5.032mv，为零点残压。仿真图如下: 当铁心偏离中间平衡位置时，仿真时设定两个次极线圈的比值为50:1，此时输出为140.721mv。仿真图如下: - 8 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 当铁心反向偏离中间平衡位置时，仿真时设定两个次级线圈的比值为1: 50，此时输出为—145.669mv。仿真图如下: - 9 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 通过本章学习使我们熟悉了仿真软件的使用以及模拟仿真在具体工 作中的重要性。 对于电路产生的零点残压问题我们查找资料找到了一些消除零点残压方法。下面为零点残压产生及消除方法。 (1)零点残余电压，又称为零位电压。差动式变压器传感器的衔铁处于中间平衡位置时输出的微小电压，如图所示。 (2)消除零点残余电压方法: ?从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调 节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。 ?选用合适的测量线路 采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。 ?采用补偿线路 - 10 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 第4章 PCB板设计、安装与调试 4.1 PCB版设计 PCB设计，是以电路原理图为根据实现电路设计者所需要的功能。设 计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局。内部电子元件的优化布局。金属连线和通孔的优化布局。电磁保护。热耗散等各种因素。 PCB版设计流程: (1)建立PCB设计工程文件。 (2)绘制电路原理图，对元件属性赋值。 (3)编译原理图，以消息方式显示错误。 (4)生成网络表 。 (5)生成PCB板图，绘制板框。 (6)调入网络表，完成元件位置布置，设置布线规则，完成全部布线。 (7)电路板规则检查 。 PCB版图如下 - 11 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 4.3 PCB版调试 4.4 本章小结 在此次课程设计中，我使用了Altium Designer软件。由于我们对此软件不了解，从开始安装软件到使用的过程中遇到了很多麻烦。我们只对PCB版进行了设计没有进行安装和调试。此次课程设计使我意识到了我所会的知识实在太少，在此次课程设计之后我要好好学习Altium Designer软件和一些其他的常用软件。 - 12 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 第5章 系统标定、测试与精度分析 5.1 测试数据 - 13 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 5.2 原始实验数据处理与系统的标定 回归统计 Multiple R 0.999519 R Square 0.999039 Adjusted R Square 0.999006 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 误差 5.542021 观测值 31 方差分析 df 回归分析 1 残差 29 总计 30 Coefficients 标准误差 Inter0.37cept 0968 X Variable 1 0 0.995376 0.556432 SS MS 925949.7 925949.7 890.7058 30.71399 926840.4 t Stat 0.372691 Significance F F 30147.49 2.61077E-45 Upper 下限 95% 95.0% -2.4061.664741 81 -1.1381.138032 03 上限 95.0% 2.406741 1.138032 P-Lower value 95% -0.7121.664089 81 -1.138 1 03 RESIDUAL OUTPUT 观测值 预测 Y 残差 1 0.370968 -295.371 2 0.370968 -275.371 3 0.370968 -254.671 4 0.370968 -234.271 5 0.370968 -213.371 6 0.370968 -192.371 7 0.370968 -171.371 标准残差 -1.68045 -1.56667 -1.4489 -1.33284 -1.21393 -1.09445 -0.97498 - 14 - PROBABILITY OUTPUT 百分比排位 Y 1.612903 -295 4.83871 -275 8.064516 -254.3 11.29032 -233.9 14.51613 -213 17.74194 -192 20.96774 -171 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 0.370968 -130.371 -111.371 -90.371 -70.371 -50.371 -30.071 -9.97097 -0.37097 9.829032 29.62903 50.62903 70.62903 90.62903 111.629 130.629 150.429 171.629 192.629 212.629 233.629 254.629 275.629 295.629 -0.74172 -0.63362 -0.51415 -0.40036 -0.28658 -0.17108 -0.05673 -0.00211 0.05592 0.168568 0.288043 0.401829 0.515615 0.63509 0.743187 0.855835 0.976448 1.095923 1.209708 1.329184 1.448659 1.568134 1.68192 27.41935 30.64516 33.87097 37.09677 40.32258 43.54839 46.77419 50 53.22581 56.45161 59.67742 62.90323 66.12903 69.35484 72.58065 75.80645 79.03226 82.25806 85.48387 88.70968 91.93548 95.16129 98.3871 -130 -111 -90 -70 -50 -29.7 -9.6 0 10.2 30 51 71 91 112 131 150.8 172 193 213 234 255 276 296 5.3 精度分析 (1)由图可知与传感器电压值输出量y与位移量x的回归方程为 - 15 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 其中，相关指数R^2=0.9990，可以认为拟合曲线较优。 (2)由回归分析知: 相关系数:R=0.999519;测定系数:R*R=0.999039;F值:F=30147.49:。 其中df为自由度，SS为样本数据平方和，MS为样本数据平均平方和。 (3)模型检验: 模型为:y=96.614x-5.6E-14 R，R^2和F都可以直接从表格中读出。有了R值，F值可计算出来。 F值的计算公式和结果为: 2R20.999519F???30123.782 2(1?R2)(1?0.999519)n?k?1n?k?1 所求F值与表中近似一样。 5.4 本章小结 此章我们是对数据进行处理，我们是用excel表格进行数据处理的， 在处理数据的过程中有时经常把数据弄乱弄混，但最后还是顺利完成了。所以在处理数据过程中一定要仔细、认真。 - 16 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 结论 常见故障: (1)逻辑错误:它是由设计错误或加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误包括错线、开路、短路等。 (2)元器件失效:有两方面的原因:一是器件本身已损坏或性能不符合要求;二是组装错误造成元件失效，如电解电容、二极管的极性错误、集成电路安装方向错误等。 (3)可靠性差:引起可靠性差的原因很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏，经不起振动;走线和布局不合理也会引起系统可靠性差。 (4)电源故障:若样有电源故障，则加电后很容易造成器件损坏。电源故障包括电压值不符合设计要求，电源引线和插座不对，功率不足，负载能力差等。 - 17 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 致谢 本次课程设计是在各位老师的悉心指导下完成的，在实验的过程中无论遇到什么问题老师都很热情的帮助我们，帮我们讲解原理、分析问题。 为此，我要对他们致以最衷心的感谢。同时在课程设计过程中有几位同学很热心的帮助我们很多，对此，我真的非常感谢。还有我们组的成员在课程设计过程中表现的都很积极，不管最后做没做出来，都很感谢他们。 - 18 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 参考文献 1、杨宝清 孙宝元 传感器及其应用 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 2004年 2、张玉龙 传感器电路设计手册 中国计量出版社 1989年 3、吴桂秀 传感器应用制作入门 浙江科学技术出版社 2004年 - 19 - 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 心得体会 在为期2周的课程设计中，我受益匪浅，收获颇丰。 通过本次课程设计使我对传感器知识有了更深一层的理解和掌握，尤其是带有相敏检波电路的差动式传感器，对其中差动电桥、运算放大器、相敏检波器、低通滤波器的结构原理及参数选择有了更进一步的了解;还对误差处理这门课有了更多的了解。这些都培养了我独立工作、动脑思考、动手操作、认真严谨、一丝不苟的好习惯，锻炼并提升了我的实际操作能力，使我所学的理论知识有了实用的价值，得以与实践操作充分结合。同时在仿真和制作PCB版过程中使我意识到还有好多好多知识需要我去学习，很多软件需要我去掌握。还有在设计电路时一定要细心，因为设计方案中一个小小的数字错误，都有可能对设计方案造成巨大的影响。我还意识到 我的实验能力有所不足，在理论上也有很多的缺陷。所以，在以后的学习生活中，我需要更努力地学习理论知识，同时注重理论和实践的结合。 最后，衷心感谢学院给我们提供这次宝贵的机会，感谢各位老师在课程设计过程中的耐心指导，使我们提升了专业技能，为以后的工作做准备，使我们能够更好地为社会服务。 - 20 -