高精度差动变压器式位移传感器静态特性的研究

摘要

差动变压器式位移传感器(Linear Variable Differential Transformer，简称LVDT)以其优良的性能被广泛应用于军工行业和工业控制领域，传统LVDT线性度、灵敏度和行程之间存在制约关系，所以对LVDT静态特性（本文指线性度和灵敏度）研究具有重要的现实意义。 本文以三轴试验机用三段式LVDT为研究对象，以Maxwell电磁场仿真软件和Simplorer电路软件为工具，对LVDT电磁性能展开研究。在Maxwell中建立LVDT的有限元模型，在Maxwell Circuit Editor或Simplorre中编辑外部激励电路，进行Maxwell耦合仿真，或Maxwell与Simplorer联合仿真。并制作样机，获取实验数据，数据表明仿真结果和实验结果基本吻合，证明方案可行性。已知导致LVDT静态特性差的原因是零点残余电压的存在及LVDT内部感应磁场分布不均。 LVDT两次级线圈差动连接，但目前加工水平有限，LVDT两个次级线圈结构尺寸和电气参数不对称，产生零点残余电压，影响LVDT的输出特性，使线性度变差，灵敏度降低，严重时导致初级放大器处于饱和状态。针对此问题，设计外部补偿电路，零点残余电压由1.68mV降低到580nV。 针对由结构问题引起的内部感应磁场分布不均，采用结构创新进行磁场补偿。制定“静”补偿方案和“动”补偿方案，“静”补偿方案是指在LVDT内部添加两个关于初级线圈对称的导磁环，导磁环能有效补偿次级线圈远端漏磁通问题，“静”补偿方案使线性度提高1.5倍，灵敏度提高5mV/mm;“动”补偿方案是把内部可动铁芯的两端加工成具有一定锥度的形式，使得铁芯在测量过程中完成磁场的补偿，“动”补偿方案使线性度提高1.43倍，灵敏度提高15 mV/mm。在此基础上，针对“静”补偿方案研究导磁环安装位置和内环锥度对LVDT输出特性的影响，找到了导磁环的最佳安装位置和导磁环内环的最佳锥度;针对“动”补偿方案，对铁芯锥形末端研究，找到铁芯末端的最佳锥度。 最后，对高精度差动变压器式位移传感器静态特性的研究工作做出总结，并展望下一步的研究工作。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1课题来源、研究背景及意义

1．2位移传感器概述

1．3 LVDT的国内外研究现状

1．3．1国内研究现状

1．3．2国外研究现状

1．4本文主要工作及内容安排

第二章LVDT的理论分析及工作特性

2．1 LVDT的理论分析

2．1．1 LVDT工作原理

2．1．2 LVDT等效电路

2．1．3 LVDT数学模型

2．2 LVDT的几个关键研究问题

2．2．1零位残余电压分析

2．2．2激励频率分析

2．2．3温度影响分析

2．3 LVDT的静态特性

2．3．1线性度

2．3．2灵敏度

2．4本章小结

第三章二维电磁场和有限元理论及等效建模

3．1二维电磁场基本理论

3．1．1 Maxwell理论

3．1．2电位和矢位

3．1．3位函数及其微分方程

3．1．4电磁场中的边界条件

3．2有限元法在电磁场中的应用

3．3 ANSYS Maxwell软件简介

3．4 LVDT的等效建模

3．4．1 LVDT线圈的等效建模

3．4．2 LVDT结构的等效建模

3．5本章小结

第四章LVDT静态磁场仿真分析

4．1静态磁场理论基础

4．2静态磁场仿真分析

4．2．1材料定义

4．2．2激励源及边界条件定义

4．2．3网格划分

4．3 LVDT线圈电感分析

4．4 LVDT结构改进

4．5本章小结

第五章LVDT瞬态磁场及仿真分析

5．1瞬态场理论基础

5．2瞬态场仿真相关参数设定

5．2．1瞬态场外部激励设置

5．2．2瞬态场仿真计算

5．3“静”补偿方案瞬态磁场仿真分析

5．3．1导磁环位置对LVDT性能的影响

5．3．2导磁环锥度对LVDT性能的影响

5．4“动”补偿方案瞬态磁场仿真分析

5．4．1末端锥度对LVDT性能的影响

5．5 LVDT实验研究

5．6本章总结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢