1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)東北石油大學(xué)課 程 設(shè) 計 2015 年 7 月 8 日課 程 傳感器課程設(shè)計 題 目 電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計題目 電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 姓名 祖景瑞 學(xué)號 2主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：本設(shè)計要完成電感式位移傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計，通過學(xué)習(xí)和掌握電感式傳感器的原理、工作方式及應(yīng)用來設(shè)計一個電路。電路要能夠檢測一定范圍內(nèi)位移的測量，并且能夠通過 LED 進(jìn)行數(shù)字顯示。位移傳感器又稱為線性傳感器，

2、常用的有電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器等技術(shù)。基本要求：基本要求：1、能夠檢測 020cm 的位移；2、電壓輸出為 15V；3、電流輸出為 420mA；主要參考資料：主要參考資料：1 賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù)M.南京：東南大學(xué)出版社，2006：68-69.2 王煜東. 傳感器及應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：5-9.3 唐文彥.傳感器M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007: 48-50.4 謝志萍.傳感器與檢測技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2002:80-90.完成期限 2015.7.42015.7.8 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 20

3、15 年 7 月 1 日精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)摘 要測量位移的方法很多，現(xiàn)已形成多種位移傳感器,而且有向小型化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的趨勢。位移傳感器又稱為線性傳感器，常用的有電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器，磁致伸縮位移傳感器以及基于光學(xué)的干涉測量法，光外差法，電鏡法，激光三角測量法和光譜共焦位移傳感器等技術(shù)。電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。電感式位移傳感器主要應(yīng)用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制方面。針對目前電感式位移傳感器的應(yīng)用

4、現(xiàn)狀，本文提出了一種電感式位移傳感器的設(shè)計方法，具有控制及數(shù)據(jù)處理等功能，結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械位移的測量與控制。關(guān)鍵詞：電感式傳感器；自感式傳感器；結(jié)構(gòu)簡單；成本低精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目 錄一、設(shè)計要求一、設(shè)計要求 .1 1二、方案設(shè)計二、方案設(shè)計 .1 1 1、方案說明.1 1 2、方案論證 .1 1三、傳感器工作原理三、傳感器工作原理 .2 2四、電路的工作原理四、電路的工作原理 .4 4五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇 .5 5 1、單元電路設(shè)計 .5 5 2、參數(shù)計算 .6 6 3、器件選擇 .6 6六

5、、總結(jié)六、總結(jié) .7 7參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .8 8精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計一、設(shè)計要求本設(shè)計要應(yīng)用電感式傳感器的原理來設(shè)計一個位移傳感器的應(yīng)用電路，要求能夠檢測能夠檢測 020cm 的位移；電壓輸出為 15V；電流輸出為 420mA；并且能夠通過 LED 進(jìn)行數(shù)字顯示，具有控制及數(shù)據(jù)處理等功能，結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。二、方案設(shè)計1、方案說明利用電感式傳感器的原理設(shè)計一個位移傳感器的應(yīng)用電路，設(shè)計的總體模塊主要由直流穩(wěn)壓電源、振蕩電路、電感傳感器、解調(diào)器、差動放大電路、V/I 轉(zhuǎn)換電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、LED顯示電路等構(gòu)成?？傮w設(shè)計框圖如下： 圖

6、圖 1 1 電感式位移傳感器的設(shè)計總體框圖電感式位移傳感器的設(shè)計總體框圖2、方案論證圖2為為螺管式自感傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。它由平均半徑為 r 的螺管線圈、銜鐵和磁性套筒等組成。隨著銜鐵插入的深度的不同將引起線圈泄露路徑中磁阻變直流穩(wěn)壓電路振蕩電路電感式傳感器解調(diào)差動放大電路V/I 轉(zhuǎn)換電路取樣A/D 轉(zhuǎn)換電路LED 顯示220V精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)，磁通主要由兩部分構(gòu)成：沿軸向貫穿整個線圈后閉合的主磁通m和經(jīng)銜鐵側(cè)面氣隙閉合的側(cè)磁通s。因氣隙較大，故磁性材料的磁阻可忽略不計。圖 2 螺管式自感傳感器原理圖側(cè)磁通通過銜鐵側(cè)面與線圈交鏈

7、，交鏈部分只是銜鐵側(cè)面遮蓋部分的線圈。在線圈的軸向不同位置處，磁勢是不同的，且交鏈到的線圈匝數(shù)也不一樣。由圖 5可知離線圈端面 x 處的磁勢，根據(jù)兩同心圓柱面磁極間的磁導(dǎo)計算公式，可得半徑為 ra 的銜鐵與內(nèi)徑為 D 的磁性套筒間的比磁導(dǎo)。于是，可得微分單元磁導(dǎo)以及x 處的微分單元磁通。整個線圈的總磁鏈為主磁鏈和側(cè)磁鏈之和。由于傳感器軸向氣隙較大，存在磁通邊緣效應(yīng)，故可認(rèn)為在銜鐵移動的一定范圍內(nèi)主磁通近似不變。這時，銜鐵位移僅引起側(cè)電感 Ls 變化。 圖 3 磁通半徑作用修正系數(shù)三、傳感器工作原理測量位移的方法很多，現(xiàn)已形成多種位移傳感器,而且有向小型化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的趨勢。位移傳感

8、器又稱為線性傳感器，常用的有電感式位移傳精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器，磁致伸縮位移傳感器以及基于光學(xué)的干涉測量法，光外差法，電鏡法，激光三角測量法和光譜共焦位移傳感器等技術(shù)。電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化，接通電源后，在開關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影

9、響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。電感式位移傳感器主要應(yīng)用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制方面。電感式傳感器的特點是：（1）無活動觸點、可靠度高、壽命長；（2）分辨率和靈敏度高，能測出 0.01 微米的位移變化；（3）傳感器的輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出。（4）線性度高、重復(fù)性好，在一定位移范圍（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差可達(dá)0.05%0.1%；（5）測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低）；（6）無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差；（7）對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；（8）頻率響應(yīng)較低，不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位

10、移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 自感式傳感器是把被測量變化轉(zhuǎn)換成自感 L 的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。傳感器在使用時，其運動部分與動鐵心（銜鐵）相連，當(dāng)動鐵芯移動時，鐵芯與銜鐵間的氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路磁阻變化，導(dǎo)致線圈電感值發(fā)生改變，只要測量電感量的變化，就能確定動鐵芯的位移量的大小和方向。圖 4 自感式傳感器工作原理示意圖精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你

11、奉上專心-專注-專業(yè)由于 （1）,LINm （2）mmmmRFNIF,所以 （3）mRNL2式中：N線圈匝數(shù)；Rm磁路的總磁阻。四、電路的工作原理如下圖直流穩(wěn)壓電源為整個電路提供電源：圖 5 電感式位移傳感器的直流穩(wěn)壓電源 圖 6 電感式位移傳感器的具體電路圖直流穩(wěn)壓電源為整個電路提供電源，圖6 中 IC2 構(gòu)成電壓跟隨器，產(chǎn)生并輸出提供給模擬電路電位公共點；IC3 構(gòu)成方波信號發(fā)生器，在電路中產(chǎn)生方波電壓提供給電感式傳感器，電感式傳感器接成橋式電路，電橋輸出的不平衡電壓與傳感器中銜鐵位移成正比。電橋輸出的信號比較小，則需圖 6 中 IC1 差動放大電路放大到一定程度才能工作。需圖 3 中 I

12、C3 與中功率三極管 T 組成電壓 精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)-電流（V/I）轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生電流通過 6 腳輸出，提供給雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，然后再在 LED 顯示器上顯示出來圖 7 數(shù)字電壓表接線圖五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設(shè)計信號轉(zhuǎn)換電路：信號轉(zhuǎn)換電路的功能是將傳感器輸出的交流電壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓信號。信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計直接影響到整個測頭電路系統(tǒng)的測量精度，是測頭電路系統(tǒng)的核心部分。傳感器為線性差分式位移傳感器，它的輸入為磁芯的機(jī)械位移，輸出為與磁芯位置成正比的交流電壓信號。傳感器初級線圈由外部參考正弦波信號源激勵，兩個次級線圈反向串聯(lián)，磁芯

13、的移動可改變初級線圈之間的耦合磁通，從而產(chǎn)生兩個幅值不同的交流電壓信號。運算放大電路及濾波輸出電路：運算放大電路及濾波輸出電路對經(jīng)轉(zhuǎn)換后的信號不同的交流電壓進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)，可很好地匹配，并滿足下一級電路的處理需求。濾波輸出電路由一個二階“”型濾波電路構(gòu)成，在滿足濾波精度要求的前提下，可保證較短的延遲時間。窗口電壓比較電路：窗口電壓比較電路的功能是實時顯示測頭運動狀態(tài)。它由多個不同參數(shù)的比較電路單元構(gòu)成，將濾波輸出后的電壓信號分別與每個比較單元的參考電壓值進(jìn)行比較，從而實時反映測頭不同的運動狀態(tài)。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2、參數(shù)計算標(biāo)定公式如下： （4bSKU）式中：U 為測頭

14、電路系統(tǒng)輸出電壓值，V；k 為測頭靈敏度，mV /mm; S 為測頭位移量，mm; b 為零位電壓值偏移量，mV。由標(biāo)定記錄可得到：1） 測頭的靈敏度左齒面： - mV /mm;右齒面： mV /mm.2） 測頭位移量線性測量范圍左齒面： 31251112m;右齒面： 41150717m.3） 零位電壓值偏移量左齒面： 41412 mV;右齒面： 51027 mV.實驗數(shù)據(jù)表明測頭電路系統(tǒng)測量精度較高，線性測量線性范圍大（ 500 m） , 滿足 891EA 齒輪測量中心的測量需求。3、器件選擇R1、C1 為時鐘振蕩的 RC 網(wǎng)絡(luò)。R2、R3 是基準(zhǔn)電壓的分壓電路，R2 是可調(diào)電阻，R3 是固

15、定電阻。調(diào)整 R2 使基準(zhǔn)電壓 VREF=100.0mV。R2 一般采用精密多圈電位器。R4、C3 為輸入端阻容濾波電路，以提高儀表的抗干擾能力，并能增強(qiáng)儀表的過載能力。因 7107 輸入阻抗很高，輸入電流極小，故可取 R4=1M，C3=0.01uF。C2、C4 分別是基準(zhǔn)電容和自動調(diào)零電容。R5、C5 分別是積分電阻和積分電容。系統(tǒng)需要的元器件清單精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)表1 元器件清單編號名稱型號數(shù)量R1電阻RC 網(wǎng)絡(luò)1R2電阻分壓電路1R3電阻分壓電路1R4電阻輸入端1R5電阻積分電阻1C1電容RC 網(wǎng)絡(luò)1C2電容基準(zhǔn)電容1C3電容輸入端1C4電容自動調(diào)零1C5電容積分

16、電容1六、總結(jié)該設(shè)計的電路模塊主要包括直流穩(wěn)壓電源、振蕩電路、電感傳感器、解調(diào)器、差動放大電路、V/I 轉(zhuǎn)換電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、LED 顯示電路等，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。短短的一個星期的課程設(shè)計讓我受益頗多。雖然課程設(shè)計對我們來說還比較困難，但是我們并沒有因此而退縮，而是憑著一絲不茍和持之以恒的精神，如期完成了任務(wù)。通過這次傳感器課程設(shè)計，讓我對傳感器的相關(guān)知識有了進(jìn)一步的了解，特別是對位移傳感器這個方面的知識更是收獲不少。課程設(shè)計不僅拓展了我們的知識，而且更讓我們切身認(rèn)識到所學(xué)知識的用途，傳感器做為自動控制系統(tǒng)中不可缺少的部分，在測控理論中也起著非常重要的作用，讓我們充分認(rèn)識到它的重要性。

17、我相信通過或這次課程設(shè)計，將會對我們今后的工作或多或少的帶來幫助。希望以后能夠有更多實踐的機(jī)會，讓我們在實踐中學(xué)習(xí)知識，在實踐中掌握知識，更在實踐中拓展知識。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)參考文獻(xiàn)1 賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù)M.南京：東南大學(xué)出版社，2006：68-69 .2 王煜東. 傳感器及應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：5-9.3 唐文彥.傳感器M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007: 48-50.4 謝志萍.傳感器與檢測技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2002:80-90.5 張國維.測控電路M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.6 劉守義.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)M.北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)東北石油大學(xué)課程設(shè)計成績評價表課