傳感器原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)

傳感器原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)傳感器原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)班級(jí)：測(cè)控1141班姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：張立新馮璐撰寫(xiě)日期：2013年12月19日目錄目錄第一章課程設(shè)計(jì)的目的、內(nèi)容、要求 11.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?11.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 11.3實(shí)驗(yàn)要求 1第二章CSY2001B使用說(shuō)明 22.1詳細(xì)參數(shù) 22.2使用說(shuō)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(gòu)成 53.2磁電式傳感器的原理 53.3磁電式傳感器的應(yīng)用 7第四章磁電式傳感器實(shí)驗(yàn) 84.1實(shí)驗(yàn)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(cè)量 12總結(jié) 14參考文獻(xiàn) 15附錄磁電式傳感器實(shí)物連線圖 16第一章課程設(shè)計(jì)的目的、內(nèi)容、要求PAGE21第一章課程設(shè)計(jì)的目的、內(nèi)容、要求1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．培養(yǎng)學(xué)生測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。2．系統(tǒng)訓(xùn)練典型傳感器的應(yīng)用能力。3．提高傳感器及其應(yīng)用電路的調(diào)試能力。4．重點(diǎn)掌握典型傳感器的應(yīng)用方法、測(cè)量范圍、應(yīng)用電路以及檢測(cè)精度與誤差等解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案和操作方法。1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．提出總體設(shè)計(jì)方案。2．應(yīng)用傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備與自制電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。3．系統(tǒng)硬件電路調(diào)試。4．撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)論文。5．完成課程設(shè)計(jì)答辯。1.3實(shí)驗(yàn)要求1．課程設(shè)計(jì)題目的方案及論證由學(xué)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(huà)電路圖，電源除外）3．掌握各式傳感器標(biāo)定方法及應(yīng)用注意事項(xiàng)。4．掌握傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)用的環(huán)境和對(duì)象。5．設(shè)計(jì)結(jié)束學(xué)生應(yīng)撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)論文一份，并完成課程設(shè)計(jì)答辯。第二章CSY2001B使用說(shuō)明第二章CSY2001B使用說(shuō)明2.1詳細(xì)參數(shù)大型桌式傳感器與檢測(cè)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用完全模塊化組合方式。主機(jī)包含實(shí)驗(yàn)所需的各種信號(hào)激勵(lì)控制源、儀表顯示、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及傳感器動(dòng)、靜態(tài)實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K包含實(shí)驗(yàn)處理電路、一種或一類(lèi)傳感器及實(shí)驗(yàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可按實(shí)驗(yàn)所需靈活組合。位移機(jī)構(gòu)采用進(jìn)口精密導(dǎo)軌組成，能確保純直線性位移，以真實(shí)地反映傳感器的性能。KYCSY2001B型傳感器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)適用于各大專(zhuān)院校開(kāi)設(shè)的“傳感器原理與應(yīng)用”、“自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)”、“自動(dòng)化儀表”、“機(jī)械電子工程”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。2.2使用說(shuō)明CSY系列傳感器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)為完全模塊式結(jié)構(gòu)，分主機(jī)、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和實(shí)驗(yàn)桌三部分。根據(jù)用戶不同的需求分為基本型和增強(qiáng)性兩種配置。主機(jī)由實(shí)驗(yàn)工作平臺(tái)，傳感器綜合系統(tǒng)、高穩(wěn)定交、直流信號(hào)源，溫控電加熱源，旋轉(zhuǎn)源、位移機(jī)構(gòu)、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、儀表顯示、電動(dòng)氣壓源、數(shù)據(jù)采集處理和通信系統(tǒng)（RS232接口）、實(shí)驗(yàn)軟件等組成。全套13個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中均包含一種或一類(lèi)傳感器及實(shí)驗(yàn)所需的電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（位移裝置均由進(jìn)口精密導(dǎo)軌組成，以確保純直線性位移），實(shí)驗(yàn)時(shí)模塊可按實(shí)驗(yàn)要求靈活組合，儀器性能穩(wěn)定可靠，方便實(shí)用。主機(jī)配置：1.直流穩(wěn)壓電源：（傳感器工作直流激勵(lì)源與實(shí)驗(yàn)?zāi)K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(hào)源：（傳感器工作交流激勵(lì)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(hào)源：（供主機(jī)位移平臺(tái)與雙平行懸臂梁振動(dòng)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)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(tái)）的振動(dòng)源。轉(zhuǎn)換鈕子開(kāi)關(guān)的作用：（請(qǐng)?zhí)貏e注意）當(dāng)?shù)瓜騐0側(cè)時(shí)，低頻信號(hào)源正常使用，V0端輸出低頻信號(hào)，倒向Vi側(cè)時(shí)，斷開(kāi)低頻信號(hào)電路，V0端無(wú)低頻信號(hào)輸出，停止激振Ⅰ、Ⅱ的激勵(lì)。Vi作為電流放大器的信號(hào)輸入端，輸出端仍為V0端。激振不工作時(shí)激振選擇開(kāi)關(guān)應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(cè)溫、標(biāo)定和傳感器溫度效應(yīng)的溫度源等。5．旋轉(zhuǎn)源：（光電、電渦流傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速之用）低噪聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)，轉(zhuǎn)速0-2400轉(zhuǎn)/分，連續(xù)可調(diào)。（特別注意：電機(jī)不工作時(shí)鈕子開(kāi)關(guān)應(yīng)置于“關(guān)”，否則直流穩(wěn)壓電源負(fù)電源會(huì)無(wú)輸出）。6．氣壓源：（提供壓力傳感器氣壓源）電動(dòng)氣泵：氣壓輸出應(yīng)≤40KP，連續(xù)可調(diào),使用時(shí)請(qǐng)注意控制氣壓。手動(dòng)加壓氣囊：可加壓至滿量程40KP，通過(guò)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．?dāng)?shù)字式溫度表（E分度）溫度顯：0-800℃（用其他熱電偶測(cè)溫時(shí)應(yīng)查對(duì)相應(yīng)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(dǎo)體應(yīng)變（2片）、金屬箔式應(yīng)變（工作片4片，溫度補(bǔ)償片2片）、衍射光柵（增強(qiáng)型）。雙平行懸臂梁旁的支柱安裝有螺旋測(cè)微儀，可帶動(dòng)懸臂梁上下位移。圓形位移（振動(dòng)）平臺(tái)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(tái)振動(dòng)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。2.3操作須知1.使用本儀器前，請(qǐng)先熟悉儀器的基本狀況，對(duì)各傳感器激勵(lì)信號(hào)的大小、信號(hào)源、顯示儀表、位移及振動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作范圍做到心中有數(shù)。主機(jī)面板上的紐子開(kāi)關(guān)都應(yīng)選擇好正確的倒向。2.了解測(cè)試系統(tǒng)的基本組成：合適的信號(hào)激勵(lì)源→傳感器→處理電路（傳感器狀態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)）→儀表顯示（數(shù)據(jù)采集或圖象顯示）。3．實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，在用實(shí)驗(yàn)連接線接好各系統(tǒng)并確認(rèn)無(wú)誤后方可打開(kāi)電源，各信號(hào)源之間嚴(yán)禁用連接線短路，主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K的直流電源連接線插頭與插座連接時(shí)尤要注意標(biāo)志端對(duì)準(zhǔn)后插入，如開(kāi)機(jī)后發(fā)現(xiàn)信號(hào)燈、數(shù)字表有異常狀況，應(yīng)立即關(guān)機(jī)，查清原因后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4．實(shí)驗(yàn)連接線插頭為燈籠狀簧片結(jié)構(gòu)，插入插孔即能保證接觸良好，不須旋轉(zhuǎn)鎖緊，使用時(shí)應(yīng)避免搖晃。為延長(zhǎng)使用壽命，操作時(shí)請(qǐng)捏住插頭連接疊插。5．實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)中的“注意事項(xiàng)”不可忽略。傳感器的激勵(lì)信號(hào)不準(zhǔn)隨意加大，否則可能會(huì)造成傳感器永久性的損壞。6．本實(shí)驗(yàn)儀為教學(xué)實(shí)驗(yàn)用儀器，而非測(cè)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(gè)信號(hào)變化范圍都是呈線性變化。限于實(shí)驗(yàn)條件，有些實(shí)驗(yàn)只能做為定性演示（如濕敏、氣敏傳感器），能完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，則整臺(tái)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(yīng)原理將輸入運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出，是一種有源傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)。并且，它具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力矩發(fā)生器和電磁激振器等。有時(shí)磁電式傳感器也稱(chēng)作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器，它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)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(gòu)成磁電式構(gòu)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(chǎng)。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(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。作為一個(gè)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(zhuǎn)的觸發(fā)輪（被等分的齒輪盤(pán),上面有多齒或缺齒）和相對(duì)靜止的感應(yīng)線圈兩部分組成。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，觸發(fā)輪與傳感器之間的間隙周期性變化，磁通量也會(huì)以同樣的周期變化，從而在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電壓信號(hào)。圖3-1磁電式傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是以磁電感應(yīng)為基本原理來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線圈等部件組成的，測(cè)量對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器的線圈會(huì)產(chǎn)生磁力線，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生的電壓大小，和被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)速有關(guān)，被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速越快輸出的電壓也就越大，也就是說(shuō)輸出電壓和轉(zhuǎn)速成正比。但是在被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速超過(guò)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量范圍時(shí)，磁路損耗會(huì)過(guò)大，使得輸出電勢(shì)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(hào)的頻率與齒輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，其關(guān)系為式中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(hào)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(guān),而且與n有關(guān)。為了設(shè)計(jì)合理的磁電式傳感器信號(hào)處理，本研究在不同的d以及n條件下，通過(guò)大量的試驗(yàn)測(cè)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(guān)系；在不同的d條件下，7X傳感器輸出峰值電壓與n的關(guān)系。X傳感器輸出峰值電壓信號(hào)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(guān)的參數(shù)。3.3磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。第四章磁電式傳感器實(shí)驗(yàn)第四章磁電式傳感器實(shí)驗(yàn)4.1實(shí)驗(yàn)所需模塊介紹1．相敏檢波器顧名思義，就是對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的相位進(jìn)行檢波。在實(shí)際應(yīng)用中，這兩個(gè)信號(hào)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(hào)(相位差=0)為最大，相位差=90時(shí)為零，在這之間則與COS甲成比例。這種電路具有明顯的特點(diǎn)，即能對(duì)噪聲有相當(dāng)?shù)囊种谱饔谩Ｏ嗝魴z波電路是具有鑒別調(diào)制信號(hào)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(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)的能力。為了使檢波電路具有判別信號(hào)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(dòng)放大器差動(dòng)放大電路又叫差分電路，他不僅能有效的放大直流信號(hào)，而且能有效的減小由于波動(dòng)和隨溫度變化多引起的零點(diǎn)漂移，因而獲得廣泛的應(yīng)用。特別是大量的應(yīng)用于集成運(yùn)放電路，他常被用作多級(jí)放大器的前置級(jí)。差動(dòng)放大原理電路如圖Z0501所示。它由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的共射信號(hào)從兩管的基極輸入，從兩管的集電極輸出，這種連接方式稱(chēng)為雙端輸入雙端輸出方式。工作原理是：當(dāng)輸入信號(hào)Ui=0時(shí)，則兩管的電流相等，兩管的集點(diǎn)極電位也相等，所以輸出Uo=UC1-UC2=0。溫度上升時(shí)，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(dòng)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(hào)通過(guò)，但高于截止頻率的信號(hào)不能通過(guò)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?yàn)V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(shí)，就有霍爾電勢(shì)輸出，霍爾電勢(shì)的大小正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度（磁場(chǎng)位置），當(dāng)所處的磁場(chǎng)方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。設(shè)計(jì)所需部件：霍爾傳感器、直流穩(wěn)壓電源（2V）、霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、電壓表、測(cè)微儀實(shí)驗(yàn)圖如圖4-5所示。－－＋WDR+2V差動(dòng)放大器電壓表圖4-5霍爾傳感器測(cè)直流特性實(shí)驗(yàn)圖設(shè)計(jì)步驟：1．安裝好模塊上的梯度磁場(chǎng)及霍爾傳感器，連接主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K電源及傳感器接口，確認(rèn)霍爾元件直流激勵(lì)電壓為2V，霍爾元件另一激勵(lì)端接地，實(shí)驗(yàn)接線按附錄圖一所示，差動(dòng)放大器增益10倍左右。2．用螺旋測(cè)微儀調(diào)節(jié)精密位移裝置使霍爾元件置于梯度磁場(chǎng)中間，并調(diào)節(jié)電橋直流電位器WD，使輸出為零。3．從中點(diǎn)開(kāi)始，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微儀，前后移動(dòng)霍爾元件各3.5mm，每變化0.5mm讀取相應(yīng)的電壓值，并記入下表4-1所示：表4-1直流特性實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)步驟：1．連接主機(jī)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K電源線，按附錄圖二接好實(shí)驗(yàn)電路，差動(dòng)放大器增益適當(dāng)，音頻信號(hào)輸出從1800端口（電壓輸出）引出，幅度Vp-p≤4V，示波器兩個(gè)通道分別接相敏檢波器①、②端。實(shí)驗(yàn)圖如下圖4-6所示。圖4-6霍爾傳感器交流特性實(shí)驗(yàn)圖2．開(kāi)啟主機(jī)電源，按實(shí)驗(yàn)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(chǎng)中間時(shí)輸出電壓為零。3．調(diào)節(jié)測(cè)微儀，帶動(dòng)霍爾元件在磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)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(cè)量設(shè)計(jì)步驟：1．將梯度磁場(chǎng)安裝到主機(jī)振動(dòng)平臺(tái)旁的磁場(chǎng)安裝座上，霍爾元件連加長(zhǎng)桿插入振動(dòng)平臺(tái)旁的支座中，調(diào)整霍爾元件于梯度磁場(chǎng)中間位置。2．激振器開(kāi)關(guān)倒向“激振I”側(cè)，振動(dòng)臺(tái)開(kāi)始起振，保持適當(dāng)振幅，用示波器觀察輸出波形。3．提高振幅，改變頻率，使振動(dòng)平臺(tái)處于諧振（最大）狀態(tài)，示波器可觀察到削頂?shù)恼也?，說(shuō)明霍爾元件已進(jìn)入均勻磁場(chǎng)，霍爾電勢(shì)不再隨位移量的增加而增加。4．重按實(shí)驗(yàn)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(fù)對(duì)稱(chēng)。5．接通“激振I”，保持適當(dāng)振幅，用示波器觀察差動(dòng)放大器和低通濾波器的波