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1、0 / 20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 測控 12-2 學(xué)生姓名 祖景瑞 學(xué)生學(xué)號 120601240222 指導(dǎo)教師 鄒彥艷 劉繼承 任務(wù)書課程課程 傳感器課程設(shè)計傳感器課程設(shè)計題目題目 電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計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 120601240222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

2、通過 LED 進行數(shù)字顯示。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，霍爾式位移傳感器等技術(shù)。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：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：機械工業(yè)出版社，2005：5-9.3 唐文彥.傳感器M.北京：機械工業(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

3、.8 指導(dǎo)教師 專業(yè)負責人 2015 年 7 月 1 日摘 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)用現(xiàn)狀，本文

4、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；測量位移；位移傳感器目 錄一、 設(shè)計要求 .11.功能與用途 .12. 課題研究的意義 .13. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .1二、方案設(shè)計 .21、方案一 .22. 方案二 .4三、傳感器工作原理 .5四、電路的工作原理 .6五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇 .61、正弦激勵電路 .62、相敏檢波電路設(shè)計 .73、程控放大電路 .74、A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊.85、參數(shù)計算 .96、器件選擇 .107、系統(tǒng)需要的元器件清單 .10六、總結(jié) .

5、11參考文獻 .12電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計1、設(shè)計要求1.功能與用途本設(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。2.課題研究的意義無論是科學(xué)研究還是生產(chǎn)實踐，需要進行位移測量的場合非常多，可用于位移測量的傳感器的種類也很多。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的規(guī)模逐漸擴大，自動化程度愈來愈高。要保證產(chǎn)品質(zhì)量，對產(chǎn)品的檢測和質(zhì)量管理都提出了更高的要求。我們?yōu)榇艘O(shè)計一種精度的檢測位移的儀器。電感測微儀是一種分辨率極高、工作

6、可靠、使用壽命很長的測量儀,應(yīng)用于微位移測量已有比較長的歷史.國外生產(chǎn)的電感測微儀產(chǎn)品比較成熟,精度高、性能穩(wěn)定,但價格昂貴.國內(nèi)生產(chǎn)的電感測微儀存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范圍小等問題,一直與國外的傳感器水平保持一定的差距.在超精密加工技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,這種測量精度越來越顯得不適應(yīng)加工技術(shù)發(fā)展的需求.該文針對這些問題,對電感傳感器測量電路進行了一定的設(shè)計和改進.對電感測微儀的正弦波生成電路、交流放大電路、帶通濾波電路、相敏檢波電路等進行分析及相應(yīng)設(shè)計。3.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 電感式傳感器利用電磁感應(yīng)將被測位移轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化,再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,

7、實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。傳感器分為自感式、互感式(如 LVDT)、電渦流式三種。電感式傳感器具有靈敏度和分辨力高,能測出 0.01 微米的位移變化,傳感器非線性誤差可達 0.05%-0.1%。伴隨著各國航空航天、船舶等軍事領(lǐng)域,及工業(yè)控制和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展,對位移傳感器的需求量也不斷上升,同時要求位移傳感器不斷地進行技術(shù)革新,不斷地有新技術(shù)、新材料的運用,以滿足不同場合、不同環(huán)境條件的需求。位移傳感器的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展,幾乎可以用于各個領(lǐng)域的位移、位置、行程的自動測量和自動控制,以及測量預(yù)先被變成位移的各種物理量,比如:伸縮、膨脹、差壓、振動、應(yīng)變、流量、厚度、重量等等。位移傳感器

8、同其他傳感器一樣,其發(fā)展的總趨勢就是利用新材料、新工藝實現(xiàn)微型化、集成化、智能化,利用新原理、新方法實現(xiàn)更多種類的信息獲取,輔以先進的信息處理技術(shù)提高傳感器的各項技術(shù)指標,以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用需求。(1) 微型化。各種控制儀器設(shè)備的功能越來越多,要求各個部件體積能占位置越小越好,因而傳感器本身體積也是越小越好,這就要求發(fā)展新的材料和加工技術(shù)。近年來,隨著微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的日趨成熟,傳感器制作技術(shù)進入了一個展新階段。微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)相結(jié)合,器件結(jié)構(gòu)從二維到三維,實現(xiàn)了進一步微型化、低功耗。(2) 集成化。集成傳感器的優(yōu)勢是傳統(tǒng)傳感器無法達到的,它不僅是一個簡單的傳感器,而且將輔

9、助電路中的元件與傳感元件同時集成在一塊芯片上,使之具有校準、補償、自診斷和網(wǎng)絡(luò)通信的功能,可降低成本、增加產(chǎn)量。把傳感器、信號調(diào)節(jié)電路、單片機集成在一個芯片上形成超大規(guī)模集成化的高級智能傳感器已經(jīng)成為一個新的發(fā)展趨勢。(3) 智能化。智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器,是微型計算機和傳感器相結(jié)合的成果,它兼有檢測、判斷和信息處理功能,與傳統(tǒng)傳感器相比有很多優(yōu)點,具有判斷和信息處理功能,可實現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)測量,有自檢、自校和自診斷功能,測量數(shù)據(jù)可存取,且具有數(shù)據(jù)通信接口,能與微型計算機直接通信。智能化傳感器已從傳統(tǒng)傳感器的單一功能、單一檢測向多功能和多變量檢測方向發(fā)展,它的準確度、穩(wěn)定性和

10、可靠性都是傳統(tǒng)傳感器不可比擬的。(4) 無線網(wǎng)絡(luò)化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當前國際上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點領(lǐng)域,它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等,能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理,并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。二、方案設(shè)計1、方案一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

11、/D 轉(zhuǎn)換電路、LED顯示電路等構(gòu)成。總體設(shè)計框圖如下。 圖圖 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，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

12、一樣。由圖 2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。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 圖 3 磁通半徑作用修正系數(shù)2.方案二 系統(tǒng)主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器、A/D 轉(zhuǎn)換、LCD 顯示及單片機系統(tǒng)

13、。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵電壓，正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中由線圈和電位器組成 的電感橋路上。工件的微小位移經(jīng)電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內(nèi)銜鐵移動，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對的變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當測頭帶動銜鐵上下移動時，若上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少；若上線圈的電感量減少，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應(yīng)地變化，電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正 比，頻率與振蕩器頻率相同，相位與位移方向相對應(yīng)的調(diào)制信號。此信號由相 敏檢波器鑒出極性，得到一個與銜鐵位移相對應(yīng)的直流電壓信號，經(jīng)放大

14、和 A/D 轉(zhuǎn)換后輸入到單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進行顯示。總體設(shè)計框圖如下。圖圖 4 4 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)計總體框圖正弦激勵電路電感式傳感器相敏檢波電路程控放大電路LCD 顯示A/D 轉(zhuǎn)換電路三、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。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

15、。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。圖 4 自感式傳感器工作原理示意圖電感式傳感器的原理是：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。 （1）mmmmRFNIF, （2）mRNL2式中：N線圈匝數(shù)；Rm磁路的總磁阻

16、。四、電路的工作原理 該系統(tǒng)主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器、A/D 轉(zhuǎn)換、LCD 顯示及單片機系統(tǒng)。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵電壓，正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中由線圈和電位器組成 的電感橋路上。工件的微小位移經(jīng)電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內(nèi)銜鐵移動，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對的變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當測頭帶動銜鐵上下移動時，若上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少；若上線圈的電感量減少，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應(yīng)地變化，電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正 比，頻率與振

17、蕩器頻率相同，相位與位移方向相對應(yīng)的調(diào)制信號。此信號由相 敏檢波器鑒出極性，得到一個與銜鐵位移相對應(yīng)的直流電壓信號，經(jīng)放大和 A/D 轉(zhuǎn)換后輸入到單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進行顯示。五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇1、正弦激勵電路傳感器要求激勵源必須非常的穩(wěn)定，不能隨負載和溫度的變化。所以采用文氏橋振蕩電路作為差動變壓器的激勵電源。正弦波振蕩器由放大器和 RC（電阻電容）或 LC（電感電容）電路組成，這種振蕩器的振蕩頻率是可調(diào)的。正弦波振蕩器也可以用晶體構(gòu)成，但晶體振蕩器的振蕩頻率是固定的。像張弛振蕩器可以用來產(chǎn)生三角波、鋸齒波、方波、脈沖波或指數(shù)形波形。 圖 5 正弦激勵電路圖2 2、相敏檢波

18、電路設(shè)計、相敏檢波電路設(shè)計 相敏檢波電路具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路 。圖 6 相敏檢波電路圖3 3、程控放大電路、程控放大電路 程控放大電路是采用反相放大電路的基本形式，反相放大電路的特點：運放兩個輸入端電壓相等并等于 0，故沒有共模輸入信 號，這樣對運放的共模抑制比沒有特殊要求；電路在深度負反饋條件下，電路的輸 出電阻近似為 0。 圖 7 程控放大電路圖4、A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊 模擬信號在時間和數(shù)值上都是連續(xù)的，而數(shù)字信號在時間和數(shù)值上都是離散的，所以進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時只能在一些選定的瞬間對輸入的模擬信號進行采樣，使它變成時間上離散的采樣信號，然后將信號保持一定的時間，以便在此時間

19、內(nèi)對其進行量化，使采樣值變成數(shù)值上離散的量化值，再按一定的編碼形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換通常需要經(jīng)歷采樣、量化和編碼 3 個步驟。不同的量化和編碼過程對應(yīng)不同原理的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 圖 8 A/D 轉(zhuǎn)換模塊5、參數(shù)計算標定公式如下： （3bSKU）式中：U 為測頭電路系統(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。由標定記錄可得到：1） 測頭的靈敏度左齒面： - 010186 mV /mm;右齒面： 010183 mV /mm.2） 測頭位移量線性測量范圍左齒面： 31251112m;右齒面： 41150717m.3

20、） 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。6、器件選擇R1、C1 為時鐘振蕩的 RC 網(wǎng)絡(luò)。R2、R3 是基準電壓的分壓電路，R2 是可調(diào)電阻，R3 是固定電阻。調(diào)整 R2 使基準電壓 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 分別是基準電容和自動調(diào)零電容

21、。R5、C5 分別是積分電阻和積分電容。7、系統(tǒng)需要的元器件清單表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電容基準電容1C3電容輸入端1C4電容自動調(diào)零1C5電容積分電容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

22、感器課程設(shè)計，讓我對傳感器的相關(guān)知識有了進一步的了解，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，讓我們充分認識到它的重要性。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。參考文獻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：機械工業(yè)出版社，2005：5-9.3 唐文彥.傳感

23、器M.北京：機械工業(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：機械工業(yè)出版社,2007.6 劉守義.單片機應(yīng)用技術(shù)M.北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.東北石油大學(xué)課程設(shè)計成績評價表課程名稱傳感器課程設(shè)計題目名稱電感式位置傳感器應(yīng)用電路設(shè)計學(xué)生姓名祖景瑞學(xué)號120601240222指導(dǎo)教師姓名鄒彥艷劉繼承職稱副教授 教授序號評價項目指 標滿分評分1工作量、工作態(tài)度和出勤率按期圓滿的完成了規(guī)定的任務(wù)，難易程度和工作量符合教學(xué)要求，工作努力，遵守紀律，出勤率高，工作作風(fēng)嚴謹，善于與他人合作。202課程設(shè)計質(zhì)量課程設(shè)計選題合理，計算過程簡練準確，分析問題思路清晰，結(jié)構(gòu)嚴謹，文理通順，撰寫規(guī)范，圖表完備正確。453創(chuàng)新工作中有創(chuàng)新意識，對前人工作有一些改進或有一定應(yīng)用價值。54答辯能正確回答指導(dǎo)教師所提出的問題。30總分評語：指導(dǎo)教師： 年 月 日 溫馨提示：最好仔細閱讀后才下載使用，萬分感謝！