自感式傳感器課程設(shè)計(jì)

1、 引言傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。傳感器是將能夠感受到的及規(guī)定的被測(cè)量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測(cè)量（輸入量）的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受的或響應(yīng)的被探測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)的部分。本說明書中設(shè)計(jì)的具有帶相敏檢波電路的差動(dòng)式自感傳感器是將位移的變化轉(zhuǎn)化成電感的變化，再通過信號(hào)調(diào)節(jié)電路將其轉(zhuǎn)化成可測(cè)量的電壓信號(hào)。目錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 . 2一、設(shè)計(jì)要求 . 3二、基本原理 . 3 1.自感傳感器簡介···3 2.自感式傳感器的工作原理

2、83;··3 3.差動(dòng) 變隙式自感傳感器的工作原理···5 4零點(diǎn)殘余誤差的影響···63、 傳感器結(jié)構(gòu)及參數(shù) . 7 四、傳感器測(cè)量電路 . 9 1.交流電橋···10 振蕩電路···11 3.移相器···13 4.放大器···14 5.相敏檢波器···15 6.低通濾波器···18五誤差分析 . 20 六、結(jié)論 . 22七、參考資料

3、. 231、 設(shè)計(jì)要求 按照任務(wù)書進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的傳感器必須滿足所要求的幾個(gè)技術(shù)參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)現(xiàn)象。2、 基本原理1、自感傳感器簡介 自感式電感傳感器是利用線圈自感變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置，其核心部分是可變自感，在將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感變化時(shí)，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。2、自感式傳感器的工作原理圖2.1所示為為自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成，在鐵心與銜鐵之間有厚度為的空氣隙。當(dāng)被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體帶動(dòng)銜鐵上下移時(shí)，氣隙厚度產(chǎn)生變化，是鐵心和銜鐵形成的磁路磁阻發(fā)生變化，從而使線圈的自感也發(fā)生變化。

4、線圈自感的計(jì)算公式為 式中：為線圈的匝數(shù)；為磁路的總磁阻。如果空氣隙厚度較小，而且不考慮磁路的鐵損，則總磁阻為磁路中鐵心、氣隙和銜鐵的磁阻之和: 式中：li為各段導(dǎo)磁體的長度（包括鐵心、銜鐵）；i為各段導(dǎo)磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率；Si為各段導(dǎo)磁體的截面積；為空氣隙磁通截面積；o為空氣隙的磁導(dǎo)率（4H/m）。將式2-2代入式2-1得 圖21 由于鐵心與銜鐵為鐵磁材料，其磁阻與空氣隙磁阻相比小得多，故可忽略，則式2-3可簡化為 由式2-4可看出，線圈的自感量與、S和三個(gè)參數(shù)有關(guān)。當(dāng)線圈匝數(shù)一定時(shí)，若不變，變化，則為的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙傳感器，這種傳感器靈敏度很高，是最常用的電感式傳感器。3、差動(dòng)變隙式

5、自感傳感器的工作原理變氣隙型傳感器單個(gè)線圈使用時(shí)，由于線圈中流往負(fù)載的電流不可能等于零，存在起始電流，因而不適用于精密測(cè)量銜鐵始終受電磁吸力，會(huì)引起附加誤差，非線性誤差較大；一些干擾，如電源、電壓、頻率及溫度的變化，都會(huì)影響輸出，從而產(chǎn)生誤差。這些問題的存在使得單個(gè)線圈構(gòu)成的簡單的電感傳感器一般不宜用在精密測(cè)試系統(tǒng)中，實(shí)際工作時(shí)，常常差動(dòng)使用，即采用兩個(gè)相同的傳感器線圈共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)電感傳感器，從而可以提高電感傳感器的靈敏度，減小其測(cè)試誤差。如圖2.2。從圖中可知，若銜鐵向下移動(dòng)，氣隙增加，電感減??；氣隙減小電感增大，則差動(dòng)變隙式自感傳感器的電感變化量為 由式2-5可知，差動(dòng)式電感

6、傳感器的電感相對(duì)變化量為 當(dāng)，可將式-6展開圍泰勒級(jí)數(shù)形式并作線性處理，忽略高次項(xiàng)，可得 則差動(dòng)變隙式自感傳感器的靈敏度為 非線性誤差為 可見，差動(dòng)變隙式自感傳感器靈敏度提高了一倍，非線性誤差減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。另外采用差動(dòng)式傳感器，還能抵消溫度變化、電感波動(dòng)、外界干擾、電磁吸力等因素對(duì)傳感器的影響。4、 零點(diǎn)殘余誤差的影響 自感式傳感器產(chǎn)生零位誤差的原因有很多，包括（1）兩個(gè)差動(dòng)式電感線圈的電氣參數(shù)及導(dǎo)磁體的幾何尺寸不可能完全對(duì)稱；（2）傳感器具有鐵損及鐵心磁化曲線的非線性；（3）電源電壓中含有高次諧波；（4）線圈具有寄生電容，線圈與外殼、鐵心間有分布電容。零點(diǎn)殘余電壓的危害很大，它會(huì)降低零位

7、附近的測(cè)量精度，削弱分辨力，嚴(yán)重時(shí)造成放大器保和。減小零點(diǎn)殘余電壓的措施包括：減小激勵(lì)電源中的諧波成分；減小電感傳感器的激勵(lì)電流使之工作在磁化曲線的線性段。另外，在差動(dòng)電感電橋的電路中接入兩只可調(diào)電位器，當(dāng)電橋有其實(shí)不平衡電壓時(shí)，可通過反復(fù)調(diào)節(jié)兩只電位器，使電橋達(dá)到平衡條件，消除不平衡電壓。 3、 傳感器的結(jié)構(gòu)及參數(shù) 圖3.1-1 圖3.1-1為軸向式電感測(cè)微儀所用的傳感器。側(cè)頭10用螺釘擰在測(cè)桿8上，測(cè)桿8可在鋼球?qū)к?上做軸向移動(dòng)。測(cè)桿上端固定著銜鐵3.當(dāng)測(cè)桿移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)銜鐵3在電感線圈4中移動(dòng)，線圈4放在圓筒形磁心2中，兩線圈差動(dòng)使用，當(dāng)銜鐵過零點(diǎn)上移時(shí)，上線圈電感量增加，下線圈電感量減

8、小。兩線圈輸出由引線1接至測(cè)量電路。在測(cè)量時(shí)，為了使測(cè)頭始終接觸被測(cè)件就需要一定的接觸力，該力由彈簧5產(chǎn)生，防轉(zhuǎn)銷6限制測(cè)桿8的轉(zhuǎn)動(dòng)，密封套9用來防止灰塵進(jìn)入傳感器內(nèi)部。傳感器測(cè)量參數(shù)分析根據(jù)所要求技術(shù)參數(shù)：靈敏度為1mv/mm，橋壓為2V，結(jié)合差動(dòng)式傳感器電橋電路，可求得氣隙的總長度為2mm。再結(jié)合以下公式： 可求得變間隙型差動(dòng)式自感位移傳感器的參數(shù)：鐵心的相對(duì)磁導(dǎo)率（硅鋼材料）： 8000（查的）鐵心材料的電阻率（硅鋼材料）： 40（查的）線圈材料的電阻率（銅）：（查的）鐵心磁通截面積A: 銜鐵尺寸: 磁路總長度: 帶小氣隙的鐵心的相對(duì)磁導(dǎo)率：氣隙總長度：2mm 氣隙的厚度：0.5mm線圈

9、匝數(shù)：400鐵心疊片厚度：1mm在鐵心窗口中的導(dǎo)線總截面積：線徑：0.8mm每匝平均長度：空氣磁導(dǎo)率：測(cè)量范圍： 靈敏度K： 1mv/mm線性度： 分辨率： 零點(diǎn)殘余電壓： 線圈電感量L：線圈的最大品質(zhì)因數(shù)：19.5電流頻率： 748KH四、傳感器的測(cè)量電路 如圖4.1所示，傳感器的測(cè)量電路由振蕩電路、交流電橋、放大器、相敏檢波器、低通濾波器和移相器組成。通過此轉(zhuǎn)換電路，可以將電感自感的變化轉(zhuǎn)化為電壓幅值的變化。1、交流電橋 圖4.1-1所示為傳感器交流電橋，初始時(shí)，銜鐵處于中間位置，即，而是固定臂，于是電橋平衡，輸出電壓。當(dāng)先鐵偏離中心位置時(shí)，兩線圈電感量一增一減 圖4.1-1 此時(shí)電橋失衡

10、，有電壓輸出，輸出為 由上式可求得，當(dāng)線圈的品質(zhì)因數(shù)很高，時(shí) 可見，輸出信號(hào)的幅值與銜鐵的位移幅度成正比，其相位取決于位移的方向，若銜鐵上移，輸出信號(hào)與激勵(lì)電源同相位；若銜鐵下移，輸出信號(hào)與激勵(lì)電源相位相差。式中：為電橋輸出電壓；為電橋輸入電壓；為差動(dòng)電感傳感器銜鐵在中間位置時(shí)的間隙；為銜鐵位移量。 由式可見，電橋輸出電壓的大小與銜鐵位移量成正比，其相位與銜鐵運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。若設(shè)銜鐵向上運(yùn)動(dòng)，為正，輸出為正；當(dāng)銜鐵向下運(yùn)動(dòng)，反相，為負(fù)，理想的輸出特性曲線如圖所示。以上可知，差動(dòng)變氣隙型自感傳感器相對(duì)單線圈變氣隙型自感傳感器，從理論上消除了起始時(shí)的零位輸入，銜鐵所受電磁引力平衡，靈敏度提高了一倍，

11、線性度得到改善（電感變化量的高次項(xiàng)部分相互抵消），差動(dòng)形式可減弱或消除溫度、電源變化及外界干擾等共模干擾的影響。因?yàn)檫@些干擾是以相同的方向、相同的幅度作用在兩個(gè)線圈上的，它們所引起的線圈自感變化的大小和符號(hào)是相同的，而信號(hào)調(diào)理電路實(shí)質(zhì)上是將兩個(gè)線圈自感的差值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2、 振蕩電路在一個(gè)電子線路中，不加輸入信號(hào)就有信號(hào)輸出的現(xiàn)象，稱為自激振蕩，實(shí)現(xiàn)震蕩的電路稱為振蕩器。本實(shí)驗(yàn)采用文式 電橋振蕩電路如圖4.2-1所示 由圖可知 圖4.2-1反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為 用j代替s得令，則上式可變?yōu)?圖4.2-2 圖4.2-2為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)由圖可知，當(dāng)時(shí)，經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)算同相端的電

12、壓與 同相 ，即有和。這樣，放大電路和由、組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系統(tǒng)，可以滿足相位平衡條件，此時(shí)，當(dāng)時(shí)，輸出穩(wěn)定幅度的正弦波，振蕩頻率。頻率一般在到3、 移相器因?yàn)橄嗝魴z波器要求測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)相位必須一致，但由于電橋電路輸出的電壓對(duì)載波信號(hào)有一定的超前角，因此把載波信號(hào)作為相敏檢波的參考電壓前需對(duì)其進(jìn)行一定的移相處理。圖4.3-1所示為移相器電路，因?yàn)殡姌螂娐份敵龅碾妷簩?duì)載波信號(hào)有一定的超前角，因此把載波信號(hào)作 圖4.3-1為相敏檢波的參考電壓前需對(duì)其進(jìn)行一定的移相處理。 設(shè)，則由得 移相角度 當(dāng)R=0時(shí) ，和反相 ，所以當(dāng)時(shí) 和同相 所以實(shí)現(xiàn)了相角從到的轉(zhuǎn)換4、 放大器 為了使從平

13、衡電橋輸出的電壓值能滿足需要，有必要在電橋電路后加一個(gè)增益環(huán)節(jié)，本電路采用同相比例放大器。而同相比例放大的輸入電阻趨于無窮大，更適合于做隔離電路。因此兼顧調(diào)節(jié)幅值和隔離電路的兩個(gè)功能，本次設(shè)計(jì)選用同相比例放大電路來做增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。由于傳感器輸出可能雜有共模電壓，選取高共模抑制比的LM324作為放大器來達(dá)到凈化信號(hào)電壓的目的。根據(jù)虛短和虛斷的概念有：，由圖可知 從而可的電壓增益為 為正值，表示與同相，并且總是大于1，至少等于1。由式可以看出，由于電路中引入負(fù)反饋的值只取決于運(yùn)放外部電路的原件值，即和，與運(yùn)放本身的，和無關(guān) 5、 相敏檢波器 圖4.5-1所示為相敏檢波電路。變壓器A的輸入為放大了的

14、自感傳感器的的輸出信號(hào)而其輸出為變壓器 B 的輸入信號(hào) 和自感傳感器的激勵(lì)電壓共用同一電源，稱為檢波器的參考信號(hào)，中間通過適當(dāng)?shù)囊葡嚯娐穪肀ＷC兩個(gè)輸入信號(hào)同頻 圖4.5-1 同相或反相。 1)當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)以上移動(dòng)，即輸入信號(hào)X（t）>0時(shí) （1）載波信號(hào)為上半周（0-） 與同相，即變壓器A次級(jí)輸出電壓上正下負(fù)、上正下負(fù)；變壓器B次級(jí)輸出電壓左正右負(fù)，左正右負(fù)； 正端接節(jié)點(diǎn)4，正端接節(jié)點(diǎn)，由于<<，所以4點(diǎn)電位低于1點(diǎn)，截止； 正端接4，負(fù)端接3,3點(diǎn)電位低于4點(diǎn)，截止； 負(fù)端接2，負(fù)端接1，1點(diǎn)電位高于2點(diǎn)，導(dǎo)通； 負(fù)端接2，負(fù)端接3，由于>>,3點(diǎn)比4點(diǎn)電位更負(fù)

15、，導(dǎo)通。 、截止，所在的上線圈短路；、導(dǎo)通，所在的下線圈接入回路。電流自正極出發(fā)，向上流經(jīng)，經(jīng)變壓器B的左線圈，再經(jīng)流回到的負(fù)極回路電流以表示。在這個(gè)回路中和是正向串聯(lián)的，所以 電流自下而上流經(jīng)同時(shí)在下線圈、負(fù)載電阻、右線圈、R構(gòu)成的另一個(gè)回路中，由于>>,所以電流自正極出發(fā)，向下經(jīng)、經(jīng)下線圈，再經(jīng)流回到的負(fù)極，電流為 通常=，=，可見>所以流經(jīng)的電流為兩個(gè)電流的代數(shù)和，即，其方向?yàn)樽韵露?，且定為正向，則負(fù)載電阻將得到正電壓（2）載波信號(hào)為下半周（2）; 上負(fù)下正，上負(fù)下正，左負(fù)右正，左負(fù)右正； 負(fù)端接4，負(fù)端接1，4點(diǎn)電位高于1點(diǎn)，導(dǎo)通； 負(fù)端接4，負(fù)端接3,3點(diǎn)電位高于

16、4點(diǎn)，導(dǎo)通； 正端接2，負(fù)端接1,1點(diǎn)電位低于2點(diǎn)，截止； 正端接2，負(fù)端接3,2點(diǎn)電位低于3點(diǎn)，截止； ，截止，下線圈斷路。、導(dǎo)通，上線圈工作。 在上線圈、右線圈、R組成的回路中，和正向串聯(lián)，電流自正極出發(fā)，自下而上流過，流經(jīng)右線圈，再流過，回到負(fù)極，其大小為。同時(shí)，在上線圈、左線圈、R構(gòu)成了另一個(gè)回路。在此回路中，由于和反相串聯(lián)，且>>，所以電流是與方向相反的，自上而下流經(jīng)，其大小為 可見，>，所以電流，因而負(fù)載電阻仍得到正的電壓。 有上述可得：當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)以上移動(dòng)時(shí)，不論載波是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載電阻上得到的電壓始終為正。2） 當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)以下移動(dòng)時(shí)，即x（t）&l

17、t;0時(shí)（1） 載波信號(hào)為下半周（0-）：u與反相（由于銜鐵位移與上述情況相反，因而輸出相位變化為），即上負(fù)下正，上負(fù)下正，左負(fù)右正，左正右負(fù)。根據(jù)前述的方法分析出<0，流向與前述相反，因而上得到負(fù)電壓。（2） 載波信號(hào)為上半周（2):這時(shí)u與仍然反相，上正下負(fù)，上正下負(fù)，左負(fù)右正，左負(fù)右正，同樣<0,上得到負(fù)電壓。由上述得：當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)以下移動(dòng)時(shí)，不論載波是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載電阻上得到的電壓始終為負(fù)。綜上所述，經(jīng)過相敏檢波電路，正位移輸出正電壓，負(fù)位移輸出負(fù)電壓，電壓值的大小表示位移的大小，電壓的正負(fù)表明位移的方向，因此，原來的“V”字形輸出特性曲線就變成了過零點(diǎn)的一條直線

18、，見圖4.5-2 圖4.5-2 6、低通濾波器 動(dòng)態(tài)測(cè)量信號(hào)經(jīng)相敏檢波后，輸出波形中仍含有高頻分量，因而必須通過低通濾波器濾除高頻分量取出被測(cè)信息。本實(shí)驗(yàn)選用二階有源低通濾波器，如圖4.6-1所示，它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比列放大器組成，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。 電路的傳遞函數(shù)為。令 ， 則 其中為特征角頻率，也是為0.707時(shí)的3dB截止角頻率，用代入上式，可得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)表達(dá)式，分別為 式表明，當(dāng)=0時(shí)，；當(dāng)時(shí)顯然這是低通濾波的特性。根據(jù)式可畫出不同Q值下的幅頻響應(yīng)，如圖4.6-2所示。由圖可見，當(dāng)Q=0.707時(shí)，幅頻響應(yīng)平坦。當(dāng)Q=0.707和/=1的情況下，; 而當(dāng)/

19、 =10時(shí)，。選用二階低通濾波器可盡快的將高頻波濾掉。5、 誤差分析誤差是指電感傳感的實(shí)際特性曲線與理想特性直線之間的偏差。為了減少誤差，首先要對(duì)誤差進(jìn)行分析。1、輸出特性的非線性根據(jù)對(duì)各種類型的輸出特性的分析可知，如邊間隙型傳感器的電感變化與銜鐵位移之間的關(guān)系是非線性的，而電橋本身也是非線性的，則從原理上來說就帶來了非線性誤差。為了改善這種非線性，可以采用差動(dòng)式電感傳感器和限制銜鐵最大位移量，以減少非線性誤差。2、 零位誤差 差動(dòng)電感式傳感器實(shí)際特性曲線如圖4.5-2所示，由圖可見，銜鐵在中間位置時(shí)，即位移為零時(shí)電橋理論上處于平衡狀態(tài)，輸出電壓=0，但實(shí)際上，位移為零時(shí)，輸出電壓并不為零，這樣就帶來了零位誤差。產(chǎn)生零位誤差的原因是：（1）差動(dòng)傳感器兩個(gè)線圈和導(dǎo)磁體不完全對(duì)稱；（2）傳感器工作在磁化曲線的非線性段，因而因其輸出電壓有高次諧波；（3）激勵(lì)信號(hào)有高次諧波；（4）分布電容的影響。為減小零位誤差，可采取相應(yīng)的措施，如減小激勵(lì)信號(hào)的諧波成分，減小激磁電流，以使傳感器工作在磁化曲線的線性段，還可采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償。3、 溫度影響溫度變化會(huì)影響線圈的電阻和導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率，這樣線圈的阻抗就會(huì)發(fā)生變化，即當(dāng)無被測(cè)量變化時(shí)，也有電量輸出，這就造成了誤差。另外溫度變化會(huì)導(dǎo)致零件幾何尺寸變化，特別是銜鐵與導(dǎo)磁體