傳感器課程設(shè)計_電感式位移傳感器

1、東北石油大學(xué)課程設(shè)計課程傳感器課程設(shè)計題 目電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計院系電氣信息工程學(xué)院專業(yè)班級測控12-2學(xué)生姓名 祖景瑞學(xué)生學(xué)號指導(dǎo)教師鄒彥艷 劉繼承2015年7月8日任務(wù)書課程傳感器課程設(shè)計題目電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 祖景瑞 學(xué)號120601240222本設(shè)計要完成電感式位移傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計，通過學(xué)習(xí)和掌握電感式傳 感器的原理、工作方式及應(yīng)用來設(shè)計一個電路。電路要能夠檢測一定圍位移的測 量，并且能夠通過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

2、術(shù)?；疽螅?、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(shù)M.:東南大學(xué)，2006： 68-69.2 王煜東.傳感器及應(yīng)用M.北京：機械工業(yè)，2005： 5-9.3 唐文彥.傳感器M.北京：機械工業(yè)，2007: 48-50.4 謝志萍.傳感器與檢測技術(shù)M.北京：高等教育，2002:80-90.完成期限 指導(dǎo)教師專業(yè)負責(zé)人2015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

3、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(xué)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(shù)。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(yīng)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(yīng)用現(xiàn)狀，本文提出了一種電感式位移傳 感器的設(shè)計方法，具有控制及數(shù)據(jù)處理等功能，結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，可以 廣泛應(yīng)用于機械位移的測量與控制。關(guān)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(shè)計要求 11. 功能與用途 12. 課題研究的

4、意義 13. 國外發(fā)展現(xiàn)狀 1二、方案設(shè)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(shè)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(shè)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(jié) 11參考文獻 12電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計一、設(shè)計要求1. 功能與用途本設(shè)計要應(yīng)用電感式傳感器的原理來設(shè)計一個位移傳感器的應(yīng)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(jié)

5、構(gòu)簡單、成本低等 優(yōu)點。2. 課題研究的意義無論是科學(xué)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 為此要設(shè)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、工作可 靠、使用壽命很長的測量儀，應(yīng)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(shù)迅猛發(fā)展的今天，這種測量

6、精度越來越顯得不適應(yīng) 加工技術(shù)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(shè) 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(yīng)設(shè)計。3. 國外發(fā)展現(xiàn)狀電感式傳感器利用電磁感應(yīng)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，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(lǐng)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

7、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(shù)革新，不斷地 有新技術(shù)、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(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展，幾乎可以用于各個領(lǐng)域的位移、位置、行程的自動測量和自動控制，以及測量預(yù)先被變成位移的各種物理量，比如：伸縮、膨脹、差壓、 振動、應(yīng)變、流量、厚度、重量等等。位移傳感器同其他傳感器一樣，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(shù)提高傳感器的各項技術(shù)指標(biāo) ， 以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用需求。(1)微型化。各種控制儀器設(shè)備的功能越來越多，要求 各個部件體積

8、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(shù)。近年來，隨著微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的日趨成熟， 傳感器制作技術(shù)進入了一個展新階段。微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)相結(jié)合，器件 結(jié)構(gòu)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(zhǔn)、補償、自診斷和網(wǎng)絡(luò)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

9、種帶微處理器的傳感器，是微型計算機和傳感器相結(jié)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(zhǔn)確度、穩(wěn) 定性和可靠性都是傳統(tǒng)傳感器不可比擬的。(4)無線網(wǎng)絡(luò)化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是 當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點領(lǐng)域,它綜合了傳感 器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感

10、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(luò)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(shè)計1、方案一利用電感式傳感器的原理設(shè)計一個位移傳感器的應(yīng)用電路，設(shè)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/D轉(zhuǎn)換電路、LEES示電路等構(gòu)成。總體設(shè)計框圖如下。圖1電感式位移傳感器的設(shè)計總體框圖圖2為為螺管式自感傳感器結(jié)構(gòu)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

11、而使線圈的電感發(fā)生變化。根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)，磁通主要由兩部分構(gòu)成：沿軸 向貫穿整個線圈后閉合的主磁通© m和經(jīng)銜鐵側(cè)面氣隙閉合的側(cè)磁通© s。因氣隙 較大，故磁性材料的磁阻可忽略不計。I圖2螺管式自感傳感器原理圖側(cè)磁通通過銜鐵側(cè)面與線圈交鏈，交鏈部分只是銜鐵側(cè)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(dǎo)計算公式，可得半 徑為ra的銜鐵與徑為D的磁性套筒間的比磁導(dǎo)。于是，可得微分單元磁導(dǎo)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(cè)磁鏈之和。由于傳感器軸 向氣隙較大，存在磁

12、通邊緣效應(yīng)，故可認為在銜鐵移動的一定圍主磁通近似不變。 這時，銜鐵位移僅引起側(cè)電感 Ls變化。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)。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銜鐵移動，使兩線圈的電感量發(fā)生相對的變 化。當(dāng)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(dāng)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

13、圈的電感量減少，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相 應(yīng)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(yīng)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(yīng)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?？傮w設(shè)計框圖如下。圖4電感式位移傳感器的設(shè)計總體框圖三、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(yīng)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(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng) 金屬物

14、體接近此感應(yīng)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。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(yīng)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(dāng)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(dǎo)致線圈電感值發(fā)生改變，只

15、要測量電感量的變化，就能確定動(1)鐵芯的位移量的大小和方向F m NI式中：N線圈匝數(shù)；Rm磁路的總磁阻四、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銜鐵移動，使兩線圈的電感量發(fā)生相對的變 化。當(dāng)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(dāng)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

16、感量減少，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相 應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(gòu)成，但晶體振蕩器的振蕩 頻率是固

17、定的。像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、相敏檢波電路設(shè)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、程控放大電路運放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: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。VccK11u arm 111I OK_L>KI22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

18、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(yīng)不同原理的 A/D轉(zhuǎn)換器。U114L516vccCLKR1718VIN+19VIN- DB2DB1DBOVREF/2 盤 GNDDGND8可ToTT1213ADC0804圖8 A/D轉(zhuǎn)換模塊5、參數(shù)計算標(biāo)定公式如下:U K?S b(3)CLKIN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;

19、 b為零位電壓值偏移量，mV 由標(biāo)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圍左齒面：31251112卩m;右齒面：41150717卩m.3）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,線性測量線性圍大（土 500卩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(luò)。R2 R3是基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓VREF=100.0mV R2 一般采用精密多圈電位器。R4 C3為

20、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=1MQ, C3=0.01uF。 C2、C4分別是基準(zhǔn)電容和自動調(diào)零電容。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兀器件清單編號名稱型號數(shù)量R1電阻RC網(wǎng)絡(luò)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(luò)1C2電容基準(zhǔn)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(jié)該設(shè)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(jié)構(gòu)簡單，容 易實現(xiàn)。短短的一個星期的課程設(shè)計讓我受益頗多。雖然課程設(shè)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(wù)。通過這次傳感器課程設(shè)計，讓我對傳感器的相關(guān)知識有了