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1、0 / 20東北石油大學課 程 設 計 2015 年 7 月 8 日課 程 傳感器課程設計 題 目 電感式位移傳感器應用電路設計 院 系 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 測控 12-2 學生姓名 祖景瑞 學生學號 120601240222 指導教師 鄒彥艷 劉繼承 任務書課程課程 傳感器課程設計傳感器課程設計題目題目 電感式位移傳感器應用電路設計電感式位移傳感器應用電路設計專業(yè) 測控技術與儀器 姓名 祖景瑞 學號 120601240222主要內(nèi)容：本設計要完成電感式位移傳感器應用電路的設計，通過學習和掌握電感式傳感器的原理、工作方式及應用來設計一個電路。電路要能夠檢測一定范圍內(nèi)位移的測量，并且能夠
2、通過 LED 進行數(shù)字顯示。位移傳感器又稱為線性傳感器，常用的有電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器等技術。基本要求：1、能夠檢測 020cm 的位移；2、電壓輸出為 15V；3、電流輸出為 420mA；主要參考資料：1 賈伯年，俞樸.傳感器技術M.南京：東南大學出版社，2006：68-69.2 王煜東. 傳感器及應用M.北京：機械工業(yè)出版社，2005：5-9.3 唐文彥.傳感器M.北京：機械工業(yè)出版社，2007: 48-50.4 謝志萍.傳感器與檢測技術M.北京：高等教育出版社，2002:80-90.完成期限 2015.7.42015.7
3、.8 指導教師 專業(yè)負責人 2015 年 7 月 1 日摘 要測量位移的方法很多，現(xiàn)已形成多種位移傳感器,而且有向小型化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的趨勢。位移傳感器又稱為線性傳感器，常用的有電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器，磁致伸縮位移傳感器以及基于光學的干涉測量法，光外差法，電鏡法，激光三角測量法和光譜共焦位移傳感器等技術。電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。電感式位移傳感器主要應用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制方面。針對目前電感式位移傳感器的應用現(xiàn)狀，本文
4、提出了一種電感式位移傳感器的設計方法，具有控制及數(shù)據(jù)處理等功能，結構簡單、成本低等優(yōu)點，可以廣泛應用于機械位移的測量與控制。關鍵詞：電感式傳感器；自感式傳感器；測量位移；位移傳感器目 錄一、 設計要求 .11.功能與用途 .12. 課題研究的意義 .13. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .1二、方案設計 .21、方案一 .22. 方案二 .4三、傳感器工作原理 .5四、電路的工作原理 .6五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇 .61、正弦激勵電路 .62、相敏檢波電路設計 .73、程控放大電路 .74、A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊.85、參數(shù)計算 .96、器件選擇 .107、系統(tǒng)需要的元器件清單 .10六、總結 .
5、11參考文獻 .12電感式位移傳感器應用電路設計1、設計要求1.功能與用途本設計要應用電感式傳感器的原理來設計一個位移傳感器的應用電路，要求能夠檢測能夠檢測 020cm 的位移；電壓輸出為 15V；電流輸出為 420mA；并且能夠通過 LED 進行數(shù)字顯示，具有控制及數(shù)據(jù)處理等功能，結構簡單、成本低等優(yōu)點。2.課題研究的意義無論是科學研究還是生產(chǎn)實踐，需要進行位移測量的場合非常多，可用于位移測量的傳感器的種類也很多。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的規(guī)模逐漸擴大，自動化程度愈來愈高。要保證產(chǎn)品質(zhì)量，對產(chǎn)品的檢測和質(zhì)量管理都提出了更高的要求。我們?yōu)榇艘O計一種精度的檢測位移的儀器。電感測微儀是一種分辨率極高、工作
6、可靠、使用壽命很長的測量儀,應用于微位移測量已有比較長的歷史.國外生產(chǎn)的電感測微儀產(chǎn)品比較成熟,精度高、性能穩(wěn)定,但價格昂貴.國內(nèi)生產(chǎn)的電感測微儀存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范圍小等問題,一直與國外的傳感器水平保持一定的差距.在超精密加工技術迅猛發(fā)展的今天,這種測量精度越來越顯得不適應加工技術發(fā)展的需求.該文針對這些問題,對電感傳感器測量電路進行了一定的設計和改進.對電感測微儀的正弦波生成電路、交流放大電路、帶通濾波電路、相敏檢波電路等進行分析及相應設計。3.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 電感式傳感器利用電磁感應將被測位移轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化,再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,
7、實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。傳感器分為自感式、互感式(如 LVDT)、電渦流式三種。電感式傳感器具有靈敏度和分辨力高,能測出 0.01 微米的位移變化,傳感器非線性誤差可達 0.05%-0.1%。伴隨著各國航空航天、船舶等軍事領域,及工業(yè)控制和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展,對位移傳感器的需求量也不斷上升,同時要求位移傳感器不斷地進行技術革新,不斷地有新技術、新材料的運用,以滿足不同場合、不同環(huán)境條件的需求。位移傳感器的應用已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展,幾乎可以用于各個領域的位移、位置、行程的自動測量和自動控制,以及測量預先被變成位移的各種物理量,比如:伸縮、膨脹、差壓、振動、應變、流量、厚度、重量等等。位移傳感器
8、同其他傳感器一樣,其發(fā)展的總趨勢就是利用新材料、新工藝實現(xiàn)微型化、集成化、智能化,利用新原理、新方法實現(xiàn)更多種類的信息獲取,輔以先進的信息處理技術提高傳感器的各項技術指標,以適應更廣泛的應用需求。(1) 微型化。各種控制儀器設備的功能越來越多,要求各個部件體積能占位置越小越好,因而傳感器本身體積也是越小越好,這就要求發(fā)展新的材料和加工技術。近年來,隨著微電子技術和微機械加工技術的日趨成熟,傳感器制作技術進入了一個展新階段。微電子技術和微機械加工技術相結合,器件結構從二維到三維,實現(xiàn)了進一步微型化、低功耗。(2) 集成化。集成傳感器的優(yōu)勢是傳統(tǒng)傳感器無法達到的,它不僅是一個簡單的傳感器,而且將輔
9、助電路中的元件與傳感元件同時集成在一塊芯片上,使之具有校準、補償、自診斷和網(wǎng)絡通信的功能,可降低成本、增加產(chǎn)量。把傳感器、信號調(diào)節(jié)電路、單片機集成在一個芯片上形成超大規(guī)模集成化的高級智能傳感器已經(jīng)成為一個新的發(fā)展趨勢。(3) 智能化。智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器,是微型計算機和傳感器相結合的成果,它兼有檢測、判斷和信息處理功能,與傳統(tǒng)傳感器相比有很多優(yōu)點,具有判斷和信息處理功能,可實現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)測量,有自檢、自校和自診斷功能,測量數(shù)據(jù)可存取,且具有數(shù)據(jù)通信接口,能與微型計算機直接通信。智能化傳感器已從傳統(tǒng)傳感器的單一功能、單一檢測向多功能和多變量檢測方向發(fā)展,它的準確度、穩(wěn)定性和
10、可靠性都是傳統(tǒng)傳感器不可比擬的。(4) 無線網(wǎng)絡化。無線傳感器網(wǎng)絡是當前國際上備受關注的、多學科高度交叉的新興前沿研究熱點領域,它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等,能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理,并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。二、方案設計1、方案一利用電感式傳感器的原理設計一個位移傳感器的應用電路，設計的總體模塊主要由直流穩(wěn)壓電源、振蕩電路、電感傳感器、解調(diào)器、差動放大電路、V/I 轉(zhuǎn)換電路、A
11、/D 轉(zhuǎn)換電路、LED顯示電路等構成?？傮w設計框圖如下。 圖圖 1 1 電感式位移傳感器的設計總體框圖電感式位移傳感器的設計總體框圖圖2為為螺管式自感傳感器結構原理圖。它由平均半徑為 r 的螺管線圈、銜鐵和磁性套筒等組成。隨著銜鐵插入的深度的不同將引起線圈泄露路徑中磁阻變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。根據(jù)磁路結構，磁通主要由兩部分構成：沿軸向貫穿整個線圈后閉合的主磁通m和經(jīng)銜鐵側面氣隙閉合的側磁通s。因氣隙較大，故磁性材料的磁阻可忽略不計。圖 2 螺管式自感傳感器原理圖側磁通通過銜鐵側面與線圈交鏈，交鏈部分只是銜鐵側面遮蓋部分的線圈。在線圈的軸向不同位置處，磁勢是不同的，且交鏈到的線圈匝數(shù)也不
12、一樣。由圖 2可知離線圈端面 x 處的磁勢，根據(jù)兩同心圓柱面磁極間的磁導計算公式，可得半徑為 ra 的銜鐵與內(nèi)徑為 D 的磁性套筒間的比磁導。于是，可得微分單元磁導以及x 處的微分單元磁通。整個線圈的總磁鏈為主磁鏈和側磁鏈之和。由于傳感器軸向氣隙較大，存在磁通邊緣效應，故可認為在銜鐵移動的一定范圍內(nèi)主磁通近似不變。這時，銜鐵位移僅引起側電感 Ls 變化。直流穩(wěn)壓電路振蕩電路電感式傳感器解調(diào)差動放大電路V/I 轉(zhuǎn)換電路取樣A/D 轉(zhuǎn)換電路LED 顯示220V 圖 3 磁通半徑作用修正系數(shù)2.方案二 系統(tǒng)主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器、A/D 轉(zhuǎn)換、LCD 顯示及單片機系統(tǒng)
13、。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵電壓，正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中由線圈和電位器組成 的電感橋路上。工件的微小位移經(jīng)電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內(nèi)銜鐵移動，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對的變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當測頭帶動銜鐵上下移動時，若上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少；若上線圈的電感量減少，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應地變化，電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正 比，頻率與振蕩器頻率相同，相位與位移方向相對應的調(diào)制信號。此信號由相 敏檢波器鑒出極性，得到一個與銜鐵位移相對應的直流電壓信號，經(jīng)放大
14、和 A/D 轉(zhuǎn)換后輸入到單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進行顯示?？傮w設計框圖如下。圖圖 4 4 電感式位移傳感器的設計總體框圖電感式位移傳感器的設計總體框圖正弦激勵電路電感式傳感器相敏檢波電路程控放大電路LCD 顯示A/D 轉(zhuǎn)換電路三、傳感器工作原理測量位移的方法很多，現(xiàn)已形成多種位移傳感器,而且有向小型化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的趨勢。電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件，將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化，接通電源后，在開關的感應面將產(chǎn)生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應面時，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的
15、。電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。電感式位移傳感器主要應用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制方面。圖 4 自感式傳感器工作原理示意圖電感式傳感器的原理是：自感式傳感器是把被測量變化轉(zhuǎn)換成自感 L 的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。傳感器在使用時，其運動部分與動鐵心（銜鐵）相連，當動鐵芯移動時，鐵芯與銜鐵間的氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路磁阻變化，導致線圈電感值發(fā)生改變，只要測量電感量的變化，就能確定動鐵芯的位移量的大小和方向。 （1）mmmmRFNIF, （2）mRNL2式中：N線圈匝數(shù)；Rm磁路的總磁阻
16、。四、電路的工作原理 該系統(tǒng)主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器、A/D 轉(zhuǎn)換、LCD 顯示及單片機系統(tǒng)。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵電壓，正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中由線圈和電位器組成 的電感橋路上。工件的微小位移經(jīng)電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內(nèi)銜鐵移動，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對的變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當測頭帶動銜鐵上下移動時，若上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少；若上線圈的電感量減少，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應地變化，電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正 比，頻率與振
17、蕩器頻率相同，相位與位移方向相對應的調(diào)制信號。此信號由相 敏檢波器鑒出極性，得到一個與銜鐵位移相對應的直流電壓信號，經(jīng)放大和 A/D 轉(zhuǎn)換后輸入到單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進行顯示。五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇1、正弦激勵電路傳感器要求激勵源必須非常的穩(wěn)定，不能隨負載和溫度的變化。所以采用文氏橋振蕩電路作為差動變壓器的激勵電源。正弦波振蕩器由放大器和 RC（電阻電容）或 LC（電感電容）電路組成，這種振蕩器的振蕩頻率是可調(diào)的。正弦波振蕩器也可以用晶體構成，但晶體振蕩器的振蕩頻率是固定的。像張弛振蕩器可以用來產(chǎn)生三角波、鋸齒波、方波、脈沖波或指數(shù)形波形。 圖 5 正弦激勵電路圖2 2、相敏檢波
18、電路設計、相敏檢波電路設計 相敏檢波電路具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路 。圖 6 相敏檢波電路圖3 3、程控放大電路、程控放大電路 程控放大電路是采用反相放大電路的基本形式，反相放大電路的特點：運放兩個輸入端電壓相等并等于 0，故沒有共模輸入信 號，這樣對運放的共模抑制比沒有特殊要求；電路在深度負反饋條件下，電路的輸 出電阻近似為 0。 圖 7 程控放大電路圖4、A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊 模擬信號在時間和數(shù)值上都是連續(xù)的，而數(shù)字信號在時間和數(shù)值上都是離散的，所以進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時只能在一些選定的瞬間對輸入的模擬信號進行采樣，使它變成時間上離散的采樣信號，然后將信號保持一定的時間，以便在此時間
19、內(nèi)對其進行量化，使采樣值變成數(shù)值上離散的量化值，再按一定的編碼形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換通常需要經(jīng)歷采樣、量化和編碼 3 個步驟。不同的量化和編碼過程對應不同原理的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 圖 8 A/D 轉(zhuǎn)換模塊5、參數(shù)計算標定公式如下： （3bSKU）式中：U 為測頭電路系統(tǒng)輸出電壓值，V；k 為測頭靈敏度，mV /mm; S 為測頭位移量，mm; b 為零位電壓值偏移量，mV。由標定記錄可得到：1） 測頭的靈敏度左齒面： - 010186 mV /mm;右齒面： 010183 mV /mm.2） 測頭位移量線性測量范圍左齒面： 31251112m;右齒面： 41150717m.3
20、） 零位電壓值偏移量左齒面： 41412 mV;右齒面： 51027 mV.實驗數(shù)據(jù)表明測頭電路系統(tǒng)測量精度較高，線性測量線性范圍大（ 500 m） , 滿足 891EA 齒輪測量中心的測量需求。6、器件選擇R1、C1 為時鐘振蕩的 RC 網(wǎng)絡。R2、R3 是基準電壓的分壓電路，R2 是可調(diào)電阻，R3 是固定電阻。調(diào)整 R2 使基準電壓 VREF=100.0mV。R2 一般采用精密多圈電位器。R4、C3 為輸入端阻容濾波電路，以提高儀表的抗干擾能力，并能增強儀表的過載能力。因 7107 輸入阻抗很高，輸入電流極小，故可取 R4=1M，C3=0.01uF。C2、C4 分別是基準電容和自動調(diào)零電容
21、。R5、C5 分別是積分電阻和積分電容。7、系統(tǒng)需要的元器件清單表1 元器件清單編號名稱型號數(shù)量R1電阻RC 網(wǎng)絡1R2電阻分壓電路1R3電阻分壓電路1R4電阻輸入端1R5電阻積分電阻1C1電容RC 網(wǎng)絡1C2電容基準電容1C3電容輸入端1C4電容自動調(diào)零1C5電容積分電容1六、總結該設計的電路模塊主要包括直流穩(wěn)壓電源、振蕩電路、電感傳感器、解調(diào)器、差動放大電路、V/I 轉(zhuǎn)換電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、LED 顯示電路等，結構簡單，容易實現(xiàn)。短短的一個星期的課程設計讓我受益頗多。雖然課程設計對我們來說還比較困難，但是我們并沒有因此而退縮，而是憑著一絲不茍和持之以恒的精神，如期完成了任務。通過這次傳
22、感器課程設計，讓我對傳感器的相關知識有了進一步的了解，特別是對位移傳感器這個方面的知識更是收獲不少。課程設計不僅拓展了我們的知識，而且更讓我們切身認識到所學知識的用途，傳感器做為自動控制系統(tǒng)中不可缺少的部分，在測控理論中也起著非常重要的作用，讓我們充分認識到它的重要性。我相信通過或這次課程設計，將會對我們今后的工作或多或少的帶來幫助。希望以后能夠有更多實踐的機會，讓我們在實踐中學習知識，在實踐中掌握知識，更在實踐中拓展知識。參考文獻1 賈伯年，俞樸.傳感器技術M.南京：東南大學出版社，2006：68-69 .2 王煜東. 傳感器及應用M.北京：機械工業(yè)出版社，2005：5-9.3 唐文彥.傳感
23、器M.北京：機械工業(yè)出版社，2007: 48-50.4 謝志萍.傳感器與檢測技術M.北京：高等教育出版社，2002:80-90.5 張國維.測控電路M.北京：機械工業(yè)出版社,2007.6 劉守義.單片機應用技術M.北京：西安電子科技大學出版社，2004.東北石油大學課程設計成績評價表課程名稱傳感器課程設計題目名稱電感式位置傳感器應用電路設計學生姓名祖景瑞學號120601240222指導教師姓名鄒彥艷劉繼承職稱副教授 教授序號評價項目指 標滿分評分1工作量、工作態(tài)度和出勤率按期圓滿的完成了規(guī)定的任務，難易程度和工作量符合教學要求，工作努力，遵守紀律，出勤率高，工作作風嚴謹，善于與他人合作。202課程設計質(zhì)量課程設計選題合理，計算過程簡練準確，分析問題思路清晰，結構嚴謹，文理通順，撰寫規(guī)范，圖表完備正確。453創(chuàng)新工作中有創(chuàng)新意識，對前人工作有一些改進或有一定應用價值。54答辯能正確回答指導教師所提出的問題。30總分評語：指導教師： 年 月 日 溫馨提示：最好仔細閱讀后才下載使用，萬分感謝！
傳感器課程設計 電感式位移傳感器
