傳感器原理與應用課程設計

傳感器原理與應用課程設計傳感器原理與應用課程設計班級：測控1141班姓名：學號：指導教師：張立新馮璐撰寫日期：2013年12月19日目錄目錄第一章課程設計的目的、內(nèi)容、要求 11.1實驗目的 11.2實驗內(nèi)容 11.3實驗要求 1第二章CSY2001B使用說明 22.1詳細參數(shù) 22.2使用說明 22.3操作須知 4第三章磁電式傳感器介紹 53.1磁電式傳感器的構成 53.2磁電式傳感器的原理 53.3磁電式傳感器的應用 7第四章磁電式傳感器實驗 84.1實驗所需模塊介紹 84.2霍爾傳感器—直流特性 104.3霍爾傳感器—交流特性 114.4霍爾傳感器—振幅測量 12總結 14參考文獻 15附錄磁電式傳感器實物連線圖 16第一章課程設計的目的、內(nèi)容、要求PAGE21第一章課程設計的目的、內(nèi)容、要求1.1實驗目的1．培養(yǎng)學生測控系統(tǒng)的設計能力。2．系統(tǒng)訓練典型傳感器的應用能力。3．提高傳感器及其應用電路的調(diào)試能力。4．重點掌握典型傳感器的應用方法、測量范圍、應用電路以及檢測精度與誤差等解決實際工程問題的方案和操作方法。1.2實驗內(nèi)容1．提出總體設計方案。2．應用傳感器實驗設備與自制電路系統(tǒng)進行設計。3．系統(tǒng)硬件電路調(diào)試。4．撰寫課程設計論文。5．完成課程設計答辯。1.3實驗要求1．課程設計題目的方案及論證由學生自選完成。2．完成各傳感器性能、參數(shù)、工作原理的分析。（要求畫電路圖，電源除外）3．掌握各式傳感器標定方法及應用注意事項。4．掌握傳感器設計應用的環(huán)境和對象。5．設計結束學生應撰寫課程設計論文一份，并完成課程設計答辯。第二章CSY2001B使用說明第二章CSY2001B使用說明2.1詳細參數(shù)大型桌式傳感器與檢測技術綜合實驗臺，采用完全模塊化組合方式。主機包含實驗所需的各種信號激勵控制源、儀表顯示、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及傳感器動、靜態(tài)實驗機構。每個實驗模塊包含實驗處理電路、一種或一類傳感器及實驗執(zhí)行機構，可按實驗所需靈活組合。位移機構采用進口精密導軌組成，能確保純直線性位移，以真實地反映傳感器的性能。KYCSY2001B型傳感器系統(tǒng)綜合實驗臺適用于各大專院校開設的“傳感器原理與應用”、“自動檢測技術”、“自動化儀表”、“機械電子工程”等課程的實驗教學課程。2.2使用說明CSY系列傳感器系統(tǒng)綜合實驗臺為完全模塊式結構，分主機、實驗模塊和實驗桌三部分。根據(jù)用戶不同的需求分為基本型和增強性兩種配置。主機由實驗工作平臺，傳感器綜合系統(tǒng)、高穩(wěn)定交、直流信號源，溫控電加熱源，旋轉源、位移機構、振動機構、儀表顯示、電動氣壓源、數(shù)據(jù)采集處理和通信系統(tǒng)（RS232接口）、實驗軟件等組成。全套13個實驗模塊中均包含一種或一類傳感器及實驗所需的電路和執(zhí)行機構（位移裝置均由進口精密導軌組成，以確保純直線性位移），實驗時模塊可按實驗要求靈活組合，儀器性能穩(wěn)定可靠，方便實用。主機配置：1.直流穩(wěn)壓電源：（傳感器工作直流激勵源與實驗模塊工作電源）±2V~±10V分五檔輸出，最大輸出電流1.5A±15V（±12V）、最大輸出電流1.5A；激光器電源。2．音頻信號源：（傳感器工作交流激勵源）0.4KHz-10KHz輸出連續(xù)可調(diào)，最大Vp-p值20V。LV端口功率輸出，最大輸出電流1.5A3．低頻信號源：（供主機位移平臺與雙平行懸臂梁振動激勵，實現(xiàn)傳感器動態(tài)測試）1Hz~30Hz輸出，連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流1.5A，最大Vp-p值20V，激振I（雙平行懸臂梁）、激振II（圓形位移平臺）的振動源。轉換鈕子開關的作用：（請?zhí)貏e注意）當?shù)瓜騐0側時，低頻信號源正常使用，V0端輸出低頻信號，倒向Vi側時，斷開低頻信號電路，V0端無低頻信號輸出，停止激振Ⅰ、Ⅱ的激勵。Vi作為電流放大器的信號輸入端，輸出端仍為V0端。激振不工作時激振選擇開關應位于置中位置。4．溫控電加熱源：（溫度傳感器加熱源）由E分度熱電偶控溫的300W電加熱爐，最高控制爐溫400℃，實驗控溫≤200℃。交流220V插口提供電爐加熱電源，作為溫度傳感器熱源、及熱電偶測溫、標定和傳感器溫度效應的溫度源等。5．旋轉源：（光電、電渦流傳感器測轉速之用）低噪聲旋轉電機，轉速0-2400轉/分，連續(xù)可調(diào)。（特別注意：電機不工作時鈕子開關應置于“關”，否則直流穩(wěn)壓電源負電源會無輸出）。6．氣壓源：（提供壓力傳感器氣壓源）電動氣泵：氣壓輸出應≤40KP，連續(xù)可調(diào),使用時請注意控制氣壓。手動加壓氣囊：可加壓至滿量程40KP，通過減壓閥調(diào)節(jié)氣壓值。儀表顯示部分：1．電壓/頻率表1/2位數(shù)字表、電壓顯示分0~2V、0~20V兩檔。頻率顯示分0~2KHz、0~20KHz兩檔，靈敏度≤50mv。2．數(shù)字式溫度表（E分度）溫度顯：0-800℃（用其他熱電偶測溫時應查對相應的熱電偶分度表）。3．氣壓表0-40KP（0-300mmHg）顯示。磁電式、壓電加速度、半導體應變（2片）、金屬箔式應變（工作片4片，溫度補償片2片）、衍射光柵（增強型）。雙平行懸臂梁旁的支柱安裝有螺旋測微儀，可帶動懸臂梁上下位移。圓形位移（振動）平臺旁的支架可安裝電感、電容、霍爾、光纖、電渦流等傳感器探頭，在平臺振動時進行動態(tài)實驗。2.3操作須知1.使用本儀器前，請先熟悉儀器的基本狀況，對各傳感器激勵信號的大小、信號源、顯示儀表、位移及振動機構的工作范圍做到心中有數(shù)。主機面板上的紐子開關都應選擇好正確的倒向。2.了解測試系統(tǒng)的基本組成：合適的信號激勵源→傳感器→處理電路（傳感器狀態(tài)調(diào)節(jié)機構）→儀表顯示（數(shù)據(jù)采集或圖象顯示）。3．實驗操作時，在用實驗連接線接好各系統(tǒng)并確認無誤后方可打開電源，各信號源之間嚴禁用連接線短路，主機與實驗模塊的直流電源連接線插頭與插座連接時尤要注意標志端對準后插入，如開機后發(fā)現(xiàn)信號燈、數(shù)字表有異常狀況，應立即關機，查清原因后再進行實驗。4．實驗連接線插頭為燈籠狀簧片結構，插入插孔即能保證接觸良好，不須旋轉鎖緊，使用時應避免搖晃。為延長使用壽命，操作時請捏住插頭連接疊插。5．實驗指導中的“注意事項”不可忽略。傳感器的激勵信號不準隨意加大，否則可能會造成傳感器永久性的損壞。6．本實驗儀為教學實驗用儀器，而非測量用儀器，各傳感器在其工作范圍內(nèi)有一定的線性和精度，但不能保證在整個信號變化范圍都是呈線性變化。限于實驗條件，有些實驗只能做為定性演示（如濕敏、氣敏傳感器），能完成實驗指導書中的實驗內(nèi)容，則整臺儀器正常。7．本儀器的工作環(huán)境溫度≤40℃，需防塵。第三章磁電式傳感器介紹第三章磁電式傳感器介紹磁電式傳感器利用電磁感應原理將輸入運動速度變換成感應電勢輸出，是一種有源傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械能轉換成易于測量的電信號。并且，它具有雙向轉換特性，利用其逆轉換效應可構成力矩發(fā)生器和電磁激振器等。有時磁電式傳感器也稱作電動式或感應式傳感器，它只適合進行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為10～1000Hz。3.1磁電式傳感器的構成磁電式構成：磁路系統(tǒng)、線圈1．磁路系統(tǒng)由它產(chǎn)生恒定直流磁場。為了減小傳感器的體積，一般都采用永久磁鐵。2．線圈由它運動切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢。作為一個完整的磁電式傳感器，除了磁路系統(tǒng)和線圈外，還有一些元件，如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等。3.2磁電式傳感器的原理1．工作原理磁電式傳感器的工作原理如圖3-1所示，它主要由旋轉的觸發(fā)輪（被等分的齒輪盤,上面有多齒或缺齒）和相對靜止的感應線圈兩部分組成。當柴油機運行時，觸發(fā)輪與傳感器之間的間隙周期性變化，磁通量也會以同樣的周期變化，從而在線圈中感應出近似正弦波的電壓信號。圖3-1磁電式傳感器磁電式轉速傳感器是以磁電感應為基本原理來實現(xiàn)轉速測量的。磁電式轉速傳感器由鐵芯、磁鋼、感應線圈等部件組成的，測量對象轉動時，轉速傳感器的線圈會產(chǎn)生磁力線，齒輪轉動會切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應線圈內(nèi)產(chǎn)生電動勢。磁電式轉速傳感器的感應電勢產(chǎn)生的電壓大小，和被測對象轉速有關，被測物體的轉速越快輸出的電壓也就越大，也就是說輸出電壓和轉速成正比。但是在被測物體的轉速超過磁電式轉速傳感器的測量范圍時，磁路損耗會過大，使得輸出電勢飽甚至是銳減。2．輸出特性由磁電式傳感器工作原理可知，其產(chǎn)生的交流電壓信號的頻率與齒輪轉速和齒數(shù)成正比。在齒數(shù)確定的情況下，傳感器線圈輸出的電壓頻率正比于齒輪的轉速，其關系為式中，n為發(fā)動機轉速r/s；z為觸發(fā)輪被等分的齒數(shù)；f為磁電式傳感器的輸出信號頻率Hz。磁電式傳感器的輸出電壓不僅與傳感器和觸發(fā)輪間的間隙（d）有關,而且與n有關。為了設計合理的磁電式傳感器信號處理，本研究在不同的d以及n條件下，通過大量的試驗測出傳感器的輸出電壓特性。在不同的n條件下，7X傳感器輸出峰值電壓與d的關系；在不同的d條件下，7X傳感器輸出峰值電壓與n的關系。X傳感器輸出峰值電壓信號特征也如此。從而可以看出,在同一d條件下,傳感器輸出的峰值電壓隨n升高而增大；在同一n條件下,d越小,其輸出峰值電壓越高。由此可以擬合出傳感器的輸出峰值電壓特性為式中，V為傳感器輸出峰值電壓V；n為發(fā)動機轉速r/s；d為傳感器與觸發(fā)輪間的間隙mm；K為與傳感器有關的參數(shù)。3.3磁電式傳感器的應用磁電式傳感器主要用于振動測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準，它直接安裝在振動體上進行測量，因而在地面振動測量及機載振動監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。第四章磁電式傳感器實驗第四章磁電式傳感器實驗4.1實驗所需模塊介紹1．相敏檢波器顧名思義，就是對兩個信號之間的相位進行檢波。在實際應用中，這兩個信號往往是同頻的，或者是互為倍數(shù)。檢波以后的輸出以同相信號(相位差=0)為最大，相位差=90時為零，在這之間則與COS甲成比例。這種電路具有明顯的特點，即能對噪聲有相當?shù)囊种谱饔谩Ｏ嗝魴z波電路是具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路，如圖4-1所示。圖4-1相敏檢波電路對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復調(diào)制信號，這就是說它不具有鑒別信號的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。2．差動放大器差動放大電路又叫差分電路，他不僅能有效的放大直流信號，而且能有效的減小由于波動和隨溫度變化多引起的零點漂移，因而獲得廣泛的應用。特別是大量的應用于集成運放電路，他常被用作多級放大器的前置級。差動放大原理電路如圖Z0501所示。它由兩個對稱的共射信號從兩管的基極輸入，從兩管的集電極輸出，這種連接方式稱為雙端輸入雙端輸出方式。工作原理是：當輸入信號Ui=0時，則兩管的電流相等，兩管的集點極電位也相等，所以輸出Uo=UC1-UC2=0。溫度上升時，兩管電流均增加，則集電極電位均下降，由于它們處于同一溫度環(huán)境，因此兩管的電流和電壓變化量均相等，其輸出電壓仍然為零。如圖4-2所示。圖4-2差動放大器電路原理圖3．低通濾波器低通濾波器(Lowpassfilter)是容許低于截至頻率的信號通過，但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器。如圖4-3，4-4所示。圖4-3低通濾波器圖圖4-4低通濾波器仿真圖4.2霍爾傳感器—直流特性霍爾元件通以恒定電流時，就有霍爾電勢輸出，霍爾電勢的大小正比于磁場強度（磁場位置），當所處的磁場方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。設計所需部件：霍爾傳感器、直流穩(wěn)壓電源（2V）、霍爾傳感器實驗模塊、電壓表、測微儀實驗圖如圖4-5所示。－－＋WDR+2V差動放大器電壓表圖4-5霍爾傳感器測直流特性實驗圖設計步驟：1．安裝好模塊上的梯度磁場及霍爾傳感器，連接主機與實驗模塊電源及傳感器接口，確認霍爾元件直流激勵電壓為2V，霍爾元件另一激勵端接地，實驗接線按附錄圖一所示，差動放大器增益10倍左右。2．用螺旋測微儀調(diào)節(jié)精密位移裝置使霍爾元件置于梯度磁場中間，并調(diào)節(jié)電橋直流電位器WD，使輸出為零。3．從中點開始，調(diào)節(jié)螺旋測微儀，前后移動霍爾元件各3.5mm，每變化0.5mm讀取相應的電壓值，并記入下表4-1所示：表4-1直流特性實驗數(shù)據(jù)Xmm-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.533.5V0mv-3.72-3.33-2.94-2.41-1.73-1.22-0.6400.581.221.792.292.642.822.904.3霍爾傳感器—交流特性設計步驟：1．連接主機與實驗模塊電源線，按附錄圖二接好實驗電路，差動放大器增益適當，音頻信號輸出從1800端口（電壓輸出）引出，幅度Vp-p≤4V，示波器兩個通道分別接相敏檢波器①、②端。實驗圖如下圖4-6所示。圖4-6霍爾傳感器交流特性實驗圖2．開啟主機電源，按實驗十交流全橋的調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)移相器及電橋，使霍爾元件位于磁場中間時輸出電壓為零。3．調(diào)節(jié)測微儀，帶動霍爾元件在磁場中前后各位移3.5mm，記錄電壓讀數(shù)并記入下表4-2所示：表4-2交流特性實驗數(shù)據(jù)Xmm-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.500.511.522.533.5Vmv-2.01-2.04-2.08-2.05-2.03-1.94-1.8700.861.701.651.691.661.701.684.4霍爾傳感器—振幅測量設計步驟：1．將梯度磁場安裝到主機振動平臺旁的磁場安裝座上，霍爾元件連加長桿插入振動平臺旁的支座中，調(diào)整霍爾元件于梯度磁場中間位置。2．激振器開關倒向“激振I”側，振動臺開始起振，保持適當振幅，用示波器觀察輸出波形。3．提高振幅，改變頻率，使振動平臺處于諧振（最大）狀態(tài)，示波器可觀察到削頂?shù)恼也?，說明霍爾元件已進入均勻磁場，霍爾電勢不再隨位移量的增加而增加。4．重按實驗三十七接線，調(diào)節(jié)移相器、電橋，使低通濾波器輸出電壓波形正負對稱。5．接通“激振I”，保持適當振幅，用示波器觀察差動放大器和低通濾波器的波