1、精選優質文檔-傾情為你奉上 成績評定： 傳感器技術 課程設計 題 目 位移電渦流傳感器測量電路設計 摘要 電渦流傳感器由于具有對介質不敏感、非接觸的特點,廣泛應用于對金屬的位移檢測中。為擴大電渦流傳感器的測量范圍,采用恒頻調幅式測量電路,引用指數運算電路作為非線性補償環節。利用Matlab計算軟件輔助設計了直徑為60mm電渦流傳感器探頭,并結合測量電路進行實驗。實驗結果表明最大測量范圍接近90mm,驗證了該系統工作的穩定性,證明設計達到了預期效果。關鍵詞:電渦流傳感器;測量電路;大位移;線性化目 錄一 、設計目的1二、設計任務與要求12.1設計任務12.2設計要求1三、設計步驟及原理分析13.

2、1設計方法13.2設計步驟23.3設計原理分析6四、課程設計小結與體會6五、參考文獻6專心-專注-專業一 、設計目的1. 了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。2. 了解電渦流傳感器的前景及用途二、設計任務與要求2.1設計任務擴大電渦流傳感器的測量范圍,采用恒頻調幅式測量電路,引用指數運算電路作為非線性補償環節。驗證了該系統工作的穩定性,證明設計達到了預期效果。2.2設計要求1. 工作在常溫、常壓、穩態、環境良好；2. 設計傳感器應用電路并畫出電路圖;3. 應用范圍：測量物體的位移。三、設計步驟及原理分析3.1設計方法電渦流傳感器具有體積小、非接觸、對介質不敏感的特點,被廣泛應用于對金屬位

3、移等的測量中。盡管用電渦流傳感器非接觸測量位移已經得到廣泛的應用,但是測量位移的線性范圍受到傳感器線圈直徑的限制,位移測量范圍為線圈直徑的1/31/5,大直徑的傳感器,其測量范圍最大可以接近到直徑的1/2。在許多領域希望能進一步擴大傳感器的測量范圍,以滿足大位移的非接觸測量。文中采用指數運算電路作為非線性補償環節來改善傳感器原有的傳輸特性,擴大傳感器測量范圍。由電磁感應定律可知:閉合金屬導體中的磁通發生變化時,就會在導體中產生閉合的感應電渦流,阻礙磁通量的變化。如圖1所示,傳感線圈由交流信號激勵,在產生焦耳熱的同時,又要產生磁滯損耗,它們造成交變磁場能量的損失,進而使傳感器的等效阻抗Z發生變化

4、。影響阻抗Z的因素有被測導體的電導率、磁導率、線圈的激勵頻率f及傳感器與被測導體間的位移x等,只要保證這些影響因素只有位移x變化,其他都保持不變,則傳感器的等效阻抗Z將變成位移x的一元函數Z(x),經過線性化處理后用Z的變化就能很好地反映出x的變化,實現測量位移x的目的。 3.2設計步驟3.2.1測量電路的設計電渦流傳感器的測量電路可以歸納為調幅式和調頻式2種。調幅式電路又可細分成恒定頻率的調幅式與頻率變化的調幅式2種,文中采用恒定頻率調幅式電路,其特點是輸出可以被調理為直流電壓,優勢在于調節為直流電壓后,采用指數運算電路對傳感器的非線性段進行線性化補償,可最大限度地擴大傳感器測量范圍。測量電

5、路由電渦流傳感器、信號源電路、前級放大電路、檢波濾波電路、指數補償電路等5部分構成。3.2.2傳感器參數的確定傳感器的主要元件是一支固定于框架上的扁平線圈與一個電容并聯所構成的并聯諧振回路。線圈尺寸和形狀關系到傳感器的靈敏度和測量范圍,采用計算機Matlab計算軟件得到傳感器線圈的最優結構參數:外徑為60mm,內徑為57mm,軸向厚度為3mm,匝數為80,線徑為0.25mm.3.2.3信號源電路信號頻率及其穩定性對檢測效果的影響非常大,一般來說,若振蕩頻率變化1%,輸出變化大約在10%以上。DDS具有相位連續、轉換速度快、信號穩定度高等優點。采用AD9850與單片機產生正弦信號,經濾波、功率放

6、大等處理后送給傳感器。AD9850與單片機組成的信號源電路,在參考時鐘為125MHz下,輸出頻率分辨率可達0.029Hz。3.2.4前級放大電路電渦流位移傳感器是將位移量轉化為電信號,由于信號為變化緩慢的非周期信號,而且比較微弱,只有通過放大才能驅動負載。同時,要求放大電路要有高的輸入阻抗,以減小測量電路的負載,提高LC并聯諧振回路的品質因數。采用低噪聲、精密集成運算放大器OP37搭建同相輸入前級放大電路,同時得到1M以上的高輸入阻抗和較低的輸出阻抗。3.2.5檢波濾波電路采用二倍壓檢波電路與有源二階低通濾波電路,如圖2所示,得到與交流電壓信號幅值變化相對應的直流電壓信號。電路還具有電壓的調節

7、作用,即調節反饋電阻RW1獲取傳感器線圈與被測位移為0處所對應的輸出電壓,為后面的指數非線性補償等處理做準備。 圖2檢波與濾波電路3.2.6指數補償電路當位移x在50mm以外變化時,電渦流傳感器輸出電壓仍有變化,只是變化十分緩慢。為增大測量范圍,需要一個補償環節,其傳輸特性如圖3第三象限中曲線2所示,它與第一象限中傳感器輸出特性(曲線1)一起,實現最終第四象限的線性結果。在第三象限較遠處,當輸入(橫軸方向)逐漸增大變化時,輸出(縱軸方向)的變化率不斷增大,這種曲線類似指數運算。故利用2支雙極型晶體管與精密、低噪聲運放AD704設計一個指數運算電路,可以達到上述要求。 圖3 非線性化補償圖解如圖

8、4所示,在進行指數補償之前,通過運算放大器A3的減法運算得到位移x的對應變化電壓V2,運算放大器A4和A5的作用是選擇指數補償的起點電壓。5V電壓基準Vref1、Vref2及后面Vref3均由低噪聲、低漂移、精密電壓基準MAX6250提供;開關二極管D3保證輸出電壓的單一方向,即V3>0,對指數補償電路起保護作用。 圖4 非線性補償起點獲取電路指數補償電路如圖5所示,放大器A6、A7與三極管Q1、Q2組成指數補償電路,放大器A8與A9組成豪蘭德(Howland)電流源電路,為指數運算電路提供如圖所示的恒定電流: 圖5 指數補償電路 由于指數運算電路只對較遠處起作用,對較近的距離反而具有衰

9、減的負面效應,為解決此問題,將指數運算電路輸出V4與圖5中通過A3減法運算得到位移x的對應變化電壓V2相加得到最終的輸出電壓Vout。 3.27實驗結果把電渦流位移傳感器固定在一方,在另一方放置一塊厚度為2cm,面積為(200*200)mm2的鋼板作為被測導體,當鋼板移動時,用游標卡尺讀出位移x,在數字電壓表上讀出補償前后電壓值Vout1和Vout2,并轉化成對應的相對電壓Vob1和Vob2(輸出電壓值Vout與最大輸出電壓Vomax的比值),如表1所示。把這2組數據畫成位移-電壓曲線如圖6所示。 圖6 位移-電壓曲線 3.3設計原理分析實驗結果表明:采用指數運算電路作為電渦流位移傳感器的非線性補償環節,能夠有效地改善傳感器原有的傳輸特性,線性測量范圍由原來不足直徑的1/2最大可擴展到直徑的1倍以上,基本能夠滿足大位移測量需要。四、課程設計小結與體會在這幾天的課程設計中我學到了許多，既有有因無從下手和失敗而迷茫和沮喪，也有獲得成功后的沾沾自喜。而且發現自己的知識儲備實在太少。在課程設計中每天不斷的查資料分析電路，要找出試驗電路和經典電路之間的共性。課