哈理工大學測控專業(yè) 學年設(shè)計溫度傳感器

1、 哈爾濱理工大學測控技術(shù)與儀器專業(yè)學年設(shè)計報告 目錄第1章總體方案與精度設(shè)計21.1不同方案分析與比對21.2精度設(shè)計21.3傳感器設(shè)計21.4小結(jié)2第2章電路設(shè)計與調(diào)試22.1 電路設(shè)計22.1.1 總體電路結(jié)構(gòu)22.1.2 正弦波發(fā)生器設(shè)計22.1.3 方波發(fā)生器設(shè)計22.1.4 相敏檢波電路設(shè)計22.1.5 低通濾波器的設(shè)計22.2 電路仿真22.2.1 正弦波發(fā)生器仿真電路22.2.2 方波發(fā)生器電路仿真22.2.3 相敏檢波電路仿真22.2.4 總體電路仿真22.2.5 設(shè)計pcb圖22.3 電路焊接與調(diào)試22.4 小結(jié)2第3章系統(tǒng)的標定與測量23.1 系統(tǒng)的標定23.2 實際測量實

2、驗23.2.1 傳感器靜態(tài)特性的標定23.2.2 傳感器動態(tài)特性的標定23.3 小結(jié)2總結(jié)2參考文獻2第1章 總體方案與精度設(shè)計1.1 不同方案分析與比對傳感器中將位移傳感器分為線位移和角位移兩類，這是按照位移的特征分的。位移傳感器就是測量空間中距離的大小，線位移就是在一條線上移動的長度，角位移就是轉(zhuǎn)動的角度。課程設(shè)計中設(shè)計的是線位移傳感器，測量正負10mm范圍，測量精度為2.0級。線位移按原理分主要有電阻式、電容式、電感式、變壓器式、電渦流式、激光式等等。電阻、電容、電感式主要用來測量小位移，變壓器式主要用于測量中位移，大的位移測量一般用電位器式，對于精度要求高的場合，則需要選擇激光式。電容

3、式位移傳感器是把位移的變化換做電容的變化進行制作的。對于震動頻率很高的環(huán)境條件下，最適合選用這種類型的傳感器。它具有靈敏度高、能實現(xiàn)非接觸量的測量，而且可以在惡劣的場合下工作。它也有一些缺點，比如對連接線纜有很高的要求，要有屏蔽性能；而且最好選用高頻電源用來供電。電感式位移傳感器是將測量量換做互感的變化的傳感器，它既可以測量角位移又可以測量線位移。目前常用的電感式位移傳感器有氣隙式、面積式、螺管式三種。變氣隙式中電感的變化與傳感器中活動銜鐵之間重合面積的變化來反映位移。螺管型是插入長度的變化導(dǎo)致電感變化的原理。變壓器式位移傳感器是用途最廣的一種位移傳感器，線圈中感應(yīng)電動勢隨著位移的變化而變化。

4、這種傳感器的靈敏度很高，有時甚至不用放大器。缺點在于質(zhì)量一般比較大，不應(yīng)用于高頻場合。還有一些其他的傳感器介紹，在此不再贅述。鑒于設(shè)計需要的精度要求，測量范圍以及能夠使用的元器件，在多種原理的位移傳感器中選擇差動變壓器式作為設(shè)計題目，對其分部進行設(shè)計。1.2 精度設(shè)計 由于設(shè)計要求傳感器整體的測量精度達到2.0級，也就是最大示值誤差不超過量程的2%，我們將整體傳感器分為測量部分（差動變壓器）和電路部分（正弦波發(fā)生器、方波發(fā)生器，相敏檢波電路，低通濾波電路等），按照誤差的等分配原則，假設(shè)測量部分和電路部分的誤差都是，則誤差合成后可以得到式（1-1） （1-1）解得=1.414%，由于測量部分相比

5、較電路部分更難控制誤差，所以按照可能性，將測量部分的誤差近似取1.5%，所以非線性誤差近似取1.5%，即。1.3 傳感器設(shè)計三段式螺管差動變壓器結(jié)構(gòu)如圖1-1。 圖1-1 三段式螺管差動變壓器結(jié)構(gòu)圖1. 基磁繞組長度b的確定由于有 b= （1-2）取非線性誤差; 最大動態(tài)范圍=4mm;由式2-2求得激勵繞組長度b=23.09mm; =9.38。2. 銜鐵長度的確定 （1-3）式1-3中、-銜鐵在兩個副邊繞組中的長度； -初次線圈間骨架厚度； -原邊線圈的長度； -兩副邊繞組長度。初始狀態(tài)時有，則銜鐵的長度為 （1-4）設(shè)計時，一般取，故有，通常取，則有式2-5 （1-5）求得=69.27mm;

6、取骨架厚度d=1.5mm。3. 副邊線圈m的確定假設(shè)：（1） 銜鐵插入到兩個副邊繞組的長度分別為、，且在初始狀態(tài)時： ；（2） 最大動態(tài)范圍為已知給定值。則應(yīng)該成立，才能保證銜鐵工作時不會超出線圈以外。一般取，則有式1-6 （1-6）式2-5中，保證在最大動態(tài)范圍時銜鐵仍不會超出線圈之外的保險余量。一般取，在值較小時，值可取大一些。此處取，求得m=37.09mm。4. 銜鐵半徑和骨架外徑的確定一般銜鐵長度與銜鐵半徑之比可取為 (1-7)骨架外徑與內(nèi)徑之比可取為 (1-8)在設(shè)計骨架內(nèi)徑與銜鐵半徑應(yīng)盡量取得相近，即，這樣可簡化計算工作量。由=69.27mm，求得為，為10.38mm（?。?。5.

7、激磁電壓頻率的選定電源電壓的頻率會影響到靈敏度鐵損和耦合電容以及線圈阻抗的損耗等。其結(jié)果都將影響輸出電壓的大小，所以對電源頻率的選擇也是一個非常重要的參數(shù)，由于上述原因，電源頻率需要根據(jù)頻率特性來選取。 在忽略傳感器的渦流損失，鐵損失和耦合電容等影響，其等效電路如圖2-2所示。圖2-2 差動變壓器式傳感器等效電路設(shè)：、-初級線圈激磁電壓及電流；、-初級線圈電感及電阻、-初級與次級線圈間互感、-次級線圈的電感與電阻值 -兩個次級差動電勢由等效電路有以下式2-9成立： (1-9)聯(lián)立以上各式解得式1-10： (1-10)令，則式1-10變?yōu)?(1-11)由式2-11可知，即增加，也增加當時，則，此

8、時輸出與頻率無關(guān)當超出某一值（取決于銜鐵材料），則集膚效應(yīng)增加，使鐵損等增大，輸出減小而使靈敏度減小。靈敏度與間特性曲線如圖1-3所示，其靈敏度為 （1-12）圖1-3 激磁電壓頻率與靈敏度關(guān)系曲線由圖1-3知電源頻率應(yīng)選在曲線中間平坦區(qū)域，保證頻率無變化時電壓保持不變。根據(jù)鐵芯使用的磁性材料來確定最高頻率，以保證靈敏度不會變，這樣既可以放寬對頻率穩(wěn)定性的要求，又可以在一定能夠電壓下減小磁通或安匝數(shù)。從而減小傳感器的尺寸。6. 原邊與副邊繞組匝數(shù)的確定當安匝數(shù)增加時，可使靈敏度增加，但的增加將受到線圈導(dǎo)線允許電流密度、導(dǎo)線散熱面積以及磁飽和等因素的限制。下面利用這三個條件來確定和。1）按允許的

9、電流密度計算安匝數(shù)由電流密度的定義和窗口面積容納線圈的約束條件，有以下各式成立： （1-13）聯(lián)立上述兩式解得 （1-14）故得 （1-15）式1-15中，-電流密度，取；-導(dǎo)線截面積；-骨架窗口截面積；-填充系數(shù)，（=，?。?； 選取直徑為0.4mm的導(dǎo)線作為變壓器線圈導(dǎo)線，則導(dǎo)線截面積q=0.1256;Q=338.32mm2求得IN=676.64A；由式可見，增大，數(shù)增加，但受幾何尺寸限制。2）按線圈發(fā)熱計算值因為線圈有銅損耗電阻，所以要消耗一定的功率而轉(zhuǎn)換為熱量，為了保證線圈不被燒壞，必須滿足以下條件。設(shè)：為每瓦功率所需要的散熱面積，為線圈外表散熱面積，則應(yīng)滿足 （1-16）聯(lián)立上述各式，

10、解得 （1-17）式中-導(dǎo)線電阻率，取銅細絲的直徑為0.4mm,取銅導(dǎo)線在室溫下的電阻率，為=-每匝平均長度，求得為43.46mm（）取 ;q=0.1256;i=0.628A;Rc=6.64求得IN2代入求得356由式可知：要使增加，則必使和增大，同時使減小，所以決定了傳感器為細長形狀的結(jié)構(gòu)。3）按磁飽和計算安匝數(shù)因為磁路中由激磁電流確定的磁通量為 （1-18）所以得 為使工作在磁化曲線的線性段，需要滿足一下條件： （1-19）式1-19中 -基本磁化曲線飽和點的磁感應(yīng)強度；材料為坡莫合金，取Bc=0.5T；-導(dǎo)磁體截面積；計算得10.05mm；-材料磁阻，計算為;求得為;綜合三者，取最小值為

11、=，工程設(shè)計時，常利用式式和式三個公式，采用試探法來確定值，其步驟如下：先由式計算出一個值將計算出的值代入式和式中進行驗算，經(jīng)過反復(fù)修正后得到滿意的值。再由，算出值，從而得到的值（）。有 ;I=0.25A。7. 差動變壓器變壓比的確定 （1-20）若使次級繞組增加，將會造成零漂移且電阻增加造成銅損增大，并易受到干擾。因此，一般設(shè)計時，當初級線圈的匝數(shù)為匝匝時，常取。要求；求得。得到。8變壓器各部分材料的確定1） 線圈骨架的確定a.骨架材料常用酚醛。陶瓷。四氯乙烯等材料制線圈的骨架。b.線圈內(nèi)外徑比的確定 (1-21) (1-22)由式1-21和式1-22可知： 增大，靈敏度減小。的增大，可使線

12、圈的工作線性度增加。以上兩點是矛盾的，可根據(jù)設(shè)計要求來確定。2） 鐵芯材料的確定通常根據(jù)采用的電源頻率來確定鐵芯的材料。1. 在低頻時，可采用工業(yè)純鐵;2. 頻率較高時，采用硅鋼片;3. 高頻時，采用坡莫合金;4. 最高頻時，可采用鐵 鈦氧;3） 傳感器線性工作范圍的確定 傳感器的線性工作范圍一般取為總長度的1/4-1/5。4） 屏蔽措施為防止干擾信號的影響，傳感器要采用屏蔽措施，一般傳感器的外層用電工鋼做屏蔽層，內(nèi)層用高導(dǎo)材料的坡莫合金作屏蔽層，屏蔽條件要求高的可采用多層屏蔽。1.4 小結(jié)首先根據(jù)設(shè)計要求選用合適的電路以及傳感器，深入了解各組成的工作原理以及工作需求，從而按照課程設(shè)計的要求設(shè)

13、計相應(yīng)的參數(shù)，合理的進行調(diào)整，力求在滿足設(shè)計要求的前提下，減小成本，提高設(shè)計的可行性。第2章 電路設(shè)計與調(diào)試2.1 電路設(shè)計2.1.1 總體電路結(jié)構(gòu)總體電路結(jié)構(gòu)如圖2-1圖2-1 差動變壓器式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖首先設(shè)計一正弦信號發(fā)生器，采用的是穩(wěn)幅文氏電橋正弦波發(fā)生器，使用的是差動變壓器式傳感器，差動變壓器在應(yīng)用時要想法消除零點殘余電動勢和死區(qū)，選用合適的測量電路，采用相敏檢波電路，既可判別銜鐵移動（位移）方向又可改善輸出特性，消除測量范圍內(nèi)的死區(qū)，濾波部分選用的是RC有源低通濾波器。2.1.2 正弦波發(fā)生器設(shè)計電路由RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和同相放大器組成。運放構(gòu)成同相輸入的比例放大器,RC串并聯(lián)

14、網(wǎng)絡(luò),將輸出電壓反饋到集成運放的同相輸入端,形成正反饋。根據(jù)產(chǎn)生正弦振蕩的相位條件, 可得電路的振蕩頻率f0為: (2-23) (2-24)當=； ；（RF = 2Rf ）。實際上，運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)是有限的，為滿足幅值條件使電路易于起振，應(yīng)使RF 略大于 2Rf。如圖2-2。 圖2-2 穩(wěn)伏文氏正弦波發(fā)生器從理論上講, 滿足振蕩條件后, 振蕩幅值可固定在任意值上 ,但由于環(huán)境溫度等外界條件的變化, 振蕩條件會受到影響, 使振蕩器停振或產(chǎn)生波形失真。因此須在基本電路上增加穩(wěn)幅電路,得到的穩(wěn)幅文氏電橋正弦波發(fā)生器。為得到穩(wěn)幅的目的, 通常采用兩只反向并接的二極管和電阻并聯(lián),它們在輸出電壓的

15、正負半周內(nèi)分別導(dǎo)通。在起振之初,由于輸出電壓幅度很小,不足以使二極管導(dǎo)通，正向二極管近于開路，此后，隨著振蕩幅度的增大，正向二極管導(dǎo)通，其正向電阻逐漸減小，直到RF = 2Rf時，振蕩穩(wěn)定。在圖2-5電路中，RF 、 Rf分別為： RF = +( / )，Rf =R4 ，其中 為二極管的正向?qū)娮?。利用二極管的非線性特性,使振蕩電路能根據(jù)振蕩幅度的變化,自動地改變基本放大器的負反饋的強弱,實現(xiàn)穩(wěn)幅目的振蕩過程中,兩只二極管交替導(dǎo)通和截止,若外界因素使振幅增大, 二極管的正向?qū)娮?減小,使Rf變小, 負反饋系數(shù)自動變大,反饋作用加強,從而穩(wěn)定振幅。2.1.3 方波發(fā)生器設(shè)計方波頻率計算公式

16、如式 (2-25)振蕩頻率f=1/T；選取參數(shù)的思路： 首先讓振蕩周期中德常用對數(shù)ln的真數(shù)趨近e。電阻不影響輸出頻率，只起限流作用，不必取太大。在仿真的時候在進一步的對各元件參數(shù)進行調(diào)試。設(shè)計的方波發(fā)生器如圖2-3圖2-3 方波發(fā)生器電路圖2.1.4 相敏檢波電路設(shè)計相敏檢波電路采用了開關(guān)式相敏檢波電路，相敏檢波器的輸入信號與開關(guān)信號反相時，輸出為正極性的全波整流信號；反之，則輸出負極性的全波整流信號波形，電路如圖2-4所示。圖中正弦波發(fā)生器為輸入信號端，接放大器的輸出端，放大器輸出端，接濾波器輸入端，Q1為參考信號方波信號的輸入端，Q2為反相后的參考信號方波信號的輸入端，當輸入?yún)⒖夹盘枙r，

17、使三極管分別導(dǎo)通和截止，形成開關(guān)狀態(tài)，從而使正弦波發(fā)生器輸入的正弦信號轉(zhuǎn)化成全波整流信號。如圖2-4。圖2-4 開關(guān)式相敏檢波電路設(shè)計相敏檢波電路時，取R1R2R3R4R5R62，在方波正半周，三極管 Q2導(dǎo)通，Q1截止時，同相輸入端接地，輸入信號從反相輸入端輸入，放大倍數(shù)為R6R2R3=1 。在方波負半周，三極管 Q1導(dǎo)通，Q2截止時，反相輸入端接地，輸入信號從同相輸入端輸入，放大倍數(shù)為R5R1R4R5 1R6R3=1 。效果與仿真實驗中相敏檢波后仿真圖相同，實現(xiàn)了全波相敏檢波。2.1.5 低通濾波器的設(shè)計設(shè)計采用的是RC有源低通濾波器，為匹配正弦信號發(fā)生器的輸出信號的頻率，設(shè)計電路如圖2-

18、5。圖2-5 有源低通濾波電路2.2 電路仿真電路按要求設(shè)計完成后，在仿真軟件Multisim10中搭接好后,調(diào)出示波器,連接好后,按下按鈕,可以得到電路的示波器仿真結(jié)果。2.2.1 正弦波發(fā)生器仿真電路正弦波發(fā)生器仿真電路如圖2-6，仿真波形如圖2-7。圖2-6 正弦波仿真電路圖2-7 正弦波仿真波形2.2.2 方波發(fā)生器電路仿真方波電路仿真如圖2-8，仿真波形如圖2-9。圖2-8 方波發(fā)生器仿真電路圖2-9 仿真模擬方波波形2.2.3 相敏檢波電路仿真相敏檢波仿真電路如圖2-10，仿真波形如圖2-11。圖2-10 相敏檢波仿真電路圖2-12 相敏檢波仿真波形2.2.4 總體電路仿真經(jīng)過調(diào)試

19、，總體仿真電路如圖2-13。圖2-13 整體電路仿真波形如圖2-14。圖2-14 整體仿真波形2.2.5 設(shè)計pcb圖根據(jù)仿真整體電路進行合理布線，畫出pcb板圖，如圖2-15。圖2-15 電路pcb設(shè)計圖2.3 電路焊接與調(diào)試根據(jù)設(shè)計的電路，運放選用四運放的LM324芯片和雙運放的LM358芯片。焊接的實際電路如圖2-16。圖2-16 焊接好的電路板由于在實際焊接中，電容和仿真元件不匹配，在設(shè)計時又疏忽了電路調(diào)整的需要而沒有留下足夠調(diào)整用變阻器，導(dǎo)致在焊接完成后，調(diào)試電路用了很長時間，但還是輸出了理想的波形，達到了傳感器的要求，但是由于耽誤了太多時間，導(dǎo)致后面標定的過程沒有很好的完成。2.4

20、 小結(jié)在實際設(shè)計中，由于Multisim12.0仿真軟件中的電路元器件與實際電路中的所用的元器件有所不同，如仿真電路中的正弦信號發(fā)生器所用電容是5nF，而實際焊接時使用的是0.01pF，開關(guān)電路三極管2N3390而實際電路中應(yīng)用的是9013等等，這些元器件參數(shù)性能的不同，使得調(diào)試電路有一定的失真現(xiàn)象，但是，實驗結(jié)果應(yīng)該基本符合實驗設(shè)計的基本要求。第3章 系統(tǒng)的標定與測量3.1 系統(tǒng)的標定傳感器的標定，就是通過試驗確定傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。傳感器在制造、裝配完畢后必須對設(shè)計指標進行標定試驗，以保證量值的準確傳遞。標定的方法是將已知的被測量輸入待標定的傳感器，同時得到傳感器的輸出量；對

21、所獲得的傳感器輸入量與輸出量進行比較處理，從而得到一系列的表征兩者對應(yīng)關(guān)系的標定曲線，進而得到傳感器性能指標的實測結(jié)果。3.2 實際測量實驗3.2.1 傳感器靜態(tài)特性的標定將鐵芯（銜鐵）移動到-10mm,并以此為起點向上限方向移動（上行），每隔2mm測一次，記錄電路輸出值，全程測得11個點，順序記錄每個點的輸出信號值。再按減小的方向（下行）測量11次，這樣為一個循環(huán)，測量3個循環(huán)，共測試66個數(shù)據(jù)，按下述公式進行傳感器的標定以及誤差精度的計算。非線性誤差（線性度），用相對誤差L表示，有式3-1：L=±(LmaxyFS) ×100 （3-1）式中，Lmax最大非線性誤差yFS

22、滿量程輸出回程誤差（遲滯），用H表示,有式3-2：L=±（12）HmaxyFS×100 （3-2）式中，Hmax最大正反行程間輸出的最大差值重復(fù)性誤差，用R表示，有式3-3：R=±RmaxyFS×100 （3-3）式中，正行程的最大重復(fù)性誤差為Rmax1 反行程的最大重復(fù)性誤差為Rmax2 重復(fù)性誤差取這兩個誤差中較大者為Rmax靈敏度誤差，用R表示，有式3-4：S=kk×100 （3-4）式中，靈敏度k=yx，常數(shù)與輸入量無關(guān)3.2.2 傳感器動態(tài)特性的標定傳感器的動特性標定，實質(zhì)上就是通過實驗得到傳感器的動態(tài)性能指標的具體數(shù)值。應(yīng)該指出，標

23、定系統(tǒng)中所用的標準設(shè)備的時間常數(shù)應(yīng)比待標定的傳感器的小得多，而固有頻率則應(yīng)高得多。這樣它們的動態(tài)誤差才忽略不計。1.回歸方程、進行方差分析、顯著性檢驗及回歸精度估計 回歸分析求回歸方程系數(shù)后，還需進一步對所得的回歸方程整體的精度進行分析檢驗，以確定回歸方程的質(zhì)量水平，并定量的評價回歸方程與實際研究事物規(guī)律的符合程度，即進行回歸方程的方差分析與顯著度檢驗。一元回歸是處理兩個變量之間的關(guān)系，假如兩個變量之間的關(guān)系式線性的就稱為一元線性回歸。一元線性回歸的回歸方程為：y=b0+bx式中，b0、b是回歸方程的回歸系數(shù)。yx圖3-1回歸方程 方差分析：為了對回歸方程進行檢驗，首先必須把它們所引起的變差從

24、y的總變差中分解出來。這里涉及到離差平方和S、回歸平方和U與殘余平方Q和三個概念?；貧w方程的顯著度檢驗：回歸方程的顯著度檢驗通常采用F檢驗法FF0.01(1，N-2) 高度顯著F0.05(1，N-2) FF0.01(1，N-2) 顯著F0.10(1，N-2)FF0.05(1，N-2 ) 回歸在0.1水平上顯著FF0.10(1，N-2) 不顯著，此時y、x線性關(guān)系不密切2精度分析反映測量結(jié)果與真值接近程度的量，通常稱為精度，它的誤差的大小相對應(yīng)，因此可以用誤差大小來表示精度的高低，誤差小則精度高，誤差大則精度低。不確定度就是評定測量結(jié)果質(zhì)量高低的一個重要指標，不確定度愈小，測量結(jié)果的質(zhì)量愈高，使用價值愈大，其測量水平也愈高；不確定度愈大，測量結(jié)果的質(zhì)量愈低，使用價值愈小，其測量水平也愈低。測量不確定度是指測量結(jié)果變化的不肯定，是表征被測量的真值在某個量值范圍的一個估計，是測量結(jié)果含有的一個