傳感器與測控電路設(shè)計(jì)說明書

1、 傳感器與測控電路課程設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)題目 電感式（螺管型）位移傳感器的設(shè)計(jì) 學(xué)校 湖南科技大學(xué) 學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 班級 07級測控一班 學(xué)號(hào) 0703030116 設(shè)計(jì)人 李 廣 指導(dǎo)教師 余以道 楊書儀 完成日期 2010 年 6 月 22 日0 / 17目 錄一、設(shè)計(jì)題目與要求2二、基本原理簡述2三、設(shè)計(jì)總體方案擬定7四、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8五、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD圖12六、測控電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算12七、電路框圖及電路CAD圖14八、精度誤差分析14九、參考文獻(xiàn)161 / 17一、設(shè)計(jì)題目與要求1、設(shè)計(jì)題目：電感式（螺管型）位移傳感器的設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)要求：采用差動(dòng)變壓器原理設(shè)計(jì)一個(gè)測量位移的傳感器

2、，并設(shè)計(jì)一測控電路對傳感器的輸出量進(jìn)行處理，使信號(hào)能輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行一系列的測量與控制。二、基本原理簡述電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)測量的。因此根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。 一、 螺管型自感傳感器有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。鐵芯在開始插入（x=0）

3、或幾乎離開線圈時(shí)的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長度時(shí)的靈敏度小得多。這說明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。 1、工作原理設(shè)線圈長度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為N、銜鐵進(jìn)入線圈的長度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導(dǎo)率為µm，則線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長度la的關(guān)系可表示為 由公式可知，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、N0、都是定值，因此感應(yīng)電動(dòng)勢e2 / 17與線圈相對磁場的運(yùn)動(dòng)速度v成正比。螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線rx1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（ ）INlx（l）若被測量與lc成正比，則L與被測量也成

4、正比。實(shí)際上由于磁場強(qiáng)度分布不均勻，輸入量與輸出量之間關(guān)系非線性的。為了提高靈敏度與線性度,常采用差動(dòng)螺管式自感傳感器。圖(b)中H=f(x)曲線表明：為了得到較好的線性,鐵芯長度取0.6l時(shí),則鐵芯工作在H曲線的拐彎處,此時(shí)H變化小。這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測量范圍為(550)mm,非線性誤差在0.5左右。 3 / 172lclc2l線圈線圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）INl 差動(dòng)螺旋管式自感 傳感器 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)磁場分布曲線x(l)(a)(b)綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易；

5、 由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大； 由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾； 由于磁阻高，為了達(dá)到某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大； 要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。 4 / 17二、 差動(dòng)變壓器（一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。其基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。4123(

6、b) 螺管型 在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓器的等效電路如下圖。激勵(lì)電壓的角頻率；e1初級線圈激勵(lì)電壓L1,R1初級線圈電感和電阻5 / 17M1,M1分別為初級與次級線圈1,2間的互感L21,L22兩個(gè)次級線圈的電感R21,R22兩個(gè)次級線圈的電阻初級線圈的復(fù)數(shù)電流值為e2R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1由于Il的存在，在次級線圈中產(chǎn)生磁通Rm1及Rm2分別為磁通通過初級線圈及兩個(gè)次級線圈的磁阻，N1為初級線圈匝數(shù)。在次級線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為N2為次級線圈匝數(shù)。因此空載輸出電壓其幅數(shù)6 / 17輸出阻抗或在實(shí)際使用中,常采用兩

7、個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵,構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測量誤差。圖4.1.5是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動(dòng)式電感傳感器。差動(dòng)式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。 差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。 三、設(shè)計(jì)總體方案擬定1、傳感器的總體設(shè)計(jì)圖1為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。7

8、/ 17如下圖（三）所示，設(shè)計(jì)一個(gè)電感式（螺管型）傳感器，主要要達(dá)到的技術(shù)規(guī)格為: 測量范圍±20;基本誤差0.5%;直線性±3%；輸出訊號(hào)：±傳感器工作環(huán)境溫度-20+70 ,相對濕度5RH90RH;靈敏度0.45v/mm;傳感器供電電源為DC15V,lrx2ra12圖三 螺管型電感傳感器1-線圈 2-銜鐵外形尺寸38×200。此傳感器的工作原理：它由一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯組成. 當(dāng)鐵芯在線圈中移動(dòng)時(shí),使螺管線圈電感值發(fā)生變化,當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí),則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān).2、測控電路的總體設(shè)計(jì)通過對傳感器的輸出量進(jìn)行低通和高通濾波后，去

9、除干擾信號(hào)，取得頻率在10Hz500Hz的工作要求頻率的電量值，即為相對應(yīng)的v值，再通過積分電路， ，圖（四）對Ui進(jìn)行積分，得到相應(yīng)位移對應(yīng)的電壓量，再輸入到采樣保持電路中。四、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算1、輪廓設(shè)計(jì)做成細(xì)長形，其外徑一般應(yīng)選用38以便于裝卡在標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架上使用。8 / 172、導(dǎo)向及回轉(zhuǎn)支承選擇選用片簧式片簧式：片簧導(dǎo)軌消除了間隙，基本沒有摩擦（只存在分子摩擦）。因此，重復(fù)性誤差，回程誤差，靈敏閾都很小，精度很高 。缺點(diǎn)測力變化大，徑向受力敏感，行程?。ㄊ芷勺冃畏秶拗疲Ｓ捎谝b片簧，傳感器體積大。片簧熱處理質(zhì)量要好，裝配要求高，不能卡住。由于以上所列情況，一般只用于高精度、靜

10、態(tài)、小量程的傳感器中。3、熱平衡計(jì)算在設(shè)計(jì)高精度傳感器時(shí)，由于外界溫度變化而引起的溫漂以及由于線圈溫升引起的零漂，都應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，為此，應(yīng)考慮熱平衡計(jì)算。傳感器產(chǎn)生溫漂和零漂的實(shí)質(zhì)是，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于有關(guān)零件的線膨脹系數(shù)不同，將使線圈和磁芯產(chǎn)生附加的相對位移。因此，要通過計(jì)算，選擇合理的材料，使各部分的伸長率接近相等，從而使磁芯和線圈間的相對位移達(dá)到最小。如圖3-31所示，傳感器裝夾在支架上工作。當(dāng)溫度變化時(shí)，外殼部分和鐵心套筒部分的伸長，應(yīng)與磁芯的部分、磁芯軸、測桿的部分的伸長相等，即式中各零件的線膨脹系數(shù)。另外，設(shè)計(jì)支架時(shí)也要考慮立柱高度的伸長應(yīng)與尺寸傳遞機(jī)構(gòu)伸長的總和相等，即9

11、/ 17式中各零件的線膨脹系數(shù)?？紤]到磁芯軸必須用絕磁材料，線膨脹系數(shù)與其它零件的相差較大，不易達(dá)到,為此，可以合理地選用裝置中某些構(gòu)件的材料，使。4.線圈設(shè)計(jì)1. 設(shè)線圈窗口面積為，導(dǎo)線直徑為，則線圈匝數(shù)為(3-66)式中窗口充填系數(shù)。值與繞制工藝有關(guān)，一般取為。電感值與窗口面積和導(dǎo)線直徑的關(guān)系為（3-67）式中磁路磁阻。在不考慮渦流損耗和磁滯損耗的情況下，線圈品質(zhì)因數(shù)為（3-68）式中電源角頻率，為電源頻率；銅損電阻， ；導(dǎo)線材料電阻率；10 / 17線圈平均匝長。將與的表達(dá)式代入（3-68）式可得（3-69）由式（3-67）、（3-69）可以看出，為了獲得適當(dāng)大的電感值與較高的品質(zhì)因數(shù)，

12、應(yīng)考慮：將窗口面積取大些；窗口設(shè)計(jì)成細(xì)長形，減小值；導(dǎo)線應(yīng)選擇較細(xì)的高強(qiáng)度漆包線。一般選用線徑為。為使導(dǎo)線強(qiáng)度可靠起見，制造時(shí)將線圈繞好后用膠粘結(jié)于骨架內(nèi)。電感線圈的骨架應(yīng)采用熱膨脹系數(shù)小，防潮性好、有一定強(qiáng)度、易加工的材料。一般用陶瓷、尼龍、聚乙烯、聚砜、聚碳酸脂、有機(jī)玻璃等。大量程傳感器可采用酚醛紙管作骨架，或采用不銹鋼管，以保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度。5.鐵心材料的選擇 鐵心材料選擇的主要依據(jù)是要具有較高的導(dǎo)磁系數(shù)，較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和較小的磁滯損耗，剩磁和矯頑磁力都要小。另外，還要求電阻率大，居里點(diǎn)溫度高，磁性能穩(wěn)定，便于加工等。常用導(dǎo)磁材料有鐵氧體、鐵鎳合金、硅鋼片和純鐵。它們的相對磁導(dǎo)率

13、大致相應(yīng)為600、1400、60000、7500、35007000。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大致相應(yīng)為0.180.45、0.8、0.82.0、和2.0T。硅鋼片和純鐵的磁滯損耗大，只能用于較低的供電頻率。供電頻率在110KHz范圍內(nèi)，常用鐵鎳合金。鐵氧體的電阻率高，高頻損耗小，因而供電頻率在11 / 17以上時(shí)，一般用鐵氧體，但鐵氧體加工較困難。鎳鋅鐵氧體的居里點(diǎn)溫度為，錳鋅鐵氧體的居里點(diǎn)溫度只有左右。五、繪制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD圖見附CAD圖六、測控電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算1、電路方框圖一階低通濾波器輸出整流電路電流放大電路方波發(fā)生器 2、采用 變壓器式電橋 變壓器式電橋如圖4.1.6b所示，它的平衡臂為變壓

14、器的兩個(gè)二次側(cè)繞組，當(dāng)負(fù)載阻抗無窮大時(shí)輸出電壓為： 12 / 17由于是雙臂工作形式當(dāng)銜鐵下移時(shí)，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，則有： 同理，當(dāng)銜鐵上移時(shí)，則有： 由以上兩式可見，輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，由于是交流信號(hào)，還要經(jīng)過適當(dāng)電路處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。 圖五是一個(gè)采用了帶相敏整流的交流電橋。差動(dòng)電感式傳感器的兩個(gè)線圈作為交流電橋相鄰的兩個(gè)工作臂，指示儀表是中心為零刻度的直流電壓表或數(shù)字電壓表。圖五 帶相敏整流的交流電橋ABVD1VD3VD2VD4CDEFVC3L1L2Rw1Rw2C1C2R1R2R3R4R5C4設(shè)差動(dòng)電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當(dāng)銜鐵處于中

15、間位置時(shí)，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，C點(diǎn)電位等于D點(diǎn)地位，電表指示為零。 當(dāng)銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+Z，則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-Z。如果輸入交流電壓為正半周，則A點(diǎn)電位為正，B點(diǎn)電位為負(fù)，二極管V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C點(diǎn)電位由于Z1增大而比平衡時(shí)的C點(diǎn)電位降低；而在A-F-D-B支中中，D點(diǎn)電位由于Z2的降低而比平衡時(shí)D點(diǎn)的電位增高，所以D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。 如果輸入交流電壓為負(fù)半周，A點(diǎn)電位為負(fù)，B點(diǎn)電位為正，二極管V2、V3導(dǎo)通，V1、V4截止，則在A-F-C-B支中中，C點(diǎn)電位由于Z2減少而比平衡時(shí)降低（

16、平衡時(shí)，輸入電壓若為負(fù)半周，即B點(diǎn)電位為正，A點(diǎn)電位為負(fù)，C點(diǎn)相對于B點(diǎn)為負(fù)電位，Z2減少時(shí)，C點(diǎn)電位更負(fù)）；而在A-E-D-B支路中，D點(diǎn)電位由于Z1的增加而比平衡時(shí)的電位增高，所以仍然是D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。13 / 17 同樣可以得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時(shí)，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負(fù)。 可見采用帶相敏整流的交流電橋，輸出信號(hào)既能反映位移大小又能反映位移的方向。七、繪制相應(yīng)的電路框圖及電路CAD圖見附CAD圖八、精度誤差分析 1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響

17、不大。2、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。 電流靈敏度為傳感器輸出電壓傳感器的輸出電壓靈敏度為當(dāng)傳感器的工作環(huán)境發(fā)生變化、或受到外磁場的干擾、或受到機(jī)械沖擊或振動(dòng)時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差。相對誤差公式為14 / 173、零點(diǎn)殘余電壓 當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏 度區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等.0e2x-xe