1、精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業東北石油大學課 程 設 計 2015 年 7 月 8 日課 程 傳感器課程設計 題 目 電感式位移傳感器應用電路設計 院 系 電氣信息工程學院 專業班級 學生姓名 學生學號 指導教師 精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業任務書課程 傳感器課程設計題目 電感式位移傳感器應用電路設計專業 測控技術與儀器 姓名 祖景瑞 學號 2主要內容：主要內容：本設計要完成電感式位移傳感器應用電路的設計，通過學習和掌握電感式傳感器的原理、工作方式及應用來設計一個電路。電路要能夠檢測一定范圍內位移的測量，并且能夠通過 LED 進行數字顯示。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。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M.南京：東南大學出版社，2006：68-69.2 王煜東. 傳感器及應用M.北京：機械工業出版社，2005：5-9.3 唐文彥.傳感器M.北京：機械工業出版社，2007: 48-50.4 謝志萍.傳感器與檢測技術M.北京：高等教育出版社，2002:80-90.完成期限 2015.7.42015.7.8 指導教師 專業負責人 20

3、15 年 7 月 1 日精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業摘 要測量位移的方法很多，現已形成多種位移傳感器,而且有向小型化、數字化、智能化方向發展的趨勢。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。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用在自動化裝備生產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用

4、現狀，本文提出了一種電感式位移傳感器的設計方法，具有控制及數據處理等功能，結構簡單、成本低等優點，可以廣泛應用于機械位移的測量與控制。關鍵詞：電感式傳感器；自感式傳感器；結構簡單；成本低精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業目 錄一、設計要求一、設計要求 .1 1二、方案設計二、方案設計 .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、單元電路設計、參數計算和器件選擇五、單元電路設計、參數計算和器件選擇 .5 5 1、單元電路設計 .5 5 2、參數計算 .6 6 3、器件選擇 .6 6六

5、、總結六、總結 .7 7參考文獻參考文獻 .8 8精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業電感式位移傳感器應用電路設計一、設計要求本設計要應用電感式傳感器的原理來設計一個位移傳感器的應用電路，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 進行數字顯示，具有控制及數據處理等功能，結構簡單、成本低等優點。二、方案設計1、方案說明利用電感式傳感器的原理設計一個位移傳感器的應用電路，設計的總體模塊主要由直流穩壓電源、振蕩電路、電感傳感器、解調器、差動放大電路、V/I 轉換電路、A/D 轉換電路、LED顯示電路等構成。總體設計框圖如下： 圖

6、圖 1 1 電感式位移傳感器的設計總體框圖電感式位移傳感器的設計總體框圖2、方案論證圖2為為螺管式自感傳感器結構原理圖。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壓電路振蕩電路電感式傳感器解調差動放大電路V/I 轉換電路取樣A/D 轉換電路LED 顯示220V精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業化，從而使線圈的電感發生變化。根據磁路結構，磁通主要由兩部分構成：沿軸向貫穿整個線圈后閉合的主磁通m和經銜鐵側面氣隙閉合的側磁通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磁通通過銜鐵側面與線圈交鏈

7、，交鏈部分只是銜鐵側面遮蓋部分的線圈。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也不一樣。由圖 5可知離線圈端面 x 處的磁勢，根據兩同心圓柱面磁極間的磁導計算公式，可得半徑為 ra 的銜鐵與內徑為 D 的磁性套筒間的比磁導。于是，可得微分單元磁導以及x 處的微分單元磁通。整個線圈的總磁鏈為主磁鏈和側磁鏈之和。由于傳感器軸向氣隙較大，存在磁通邊緣效應，故可認為在銜鐵移動的一定范圍內主磁通近似不變。這時，銜鐵位移僅引起側電感 Ls 變化。 圖 3 磁通半徑作用修正系數三、傳感器工作原理測量位移的方法很多，現已形成多種位移傳感器,而且有向小型化、數字化、智能化方向發展的趨勢。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質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業感器，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。電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件，將直線或角位移的變化轉換為線圈電感量變化，接通電源后，在開關的感應面將產生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應面時，金屬中則產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用在自動化裝備生產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，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數百毫伏的輸出。（4）線性度高、重復性好，在一定位移范圍（幾十微米至數毫米）內，傳感器非線性誤差可達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定性要求較高；（8）頻率響應較低，不適用于高頻動態測量。電感式傳感器主要用于位

10、移測量和可以轉換成位移變化的機械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比重、轉矩等）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換成自感 L 的變化，通過一定的轉換電路轉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生改變，引起磁路磁阻變化，導致線圈電感值發生改變，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質文檔-傾情為你

11、奉上專心-專注-專業由于 （1）,LINm （2）mmmmRFNIF,所以 （3）mRNL2式中：N線圈匝數；Rm磁路的總磁阻。四、電路的工作原理如下圖直流穩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壓電源 圖 6 電感式位移傳感器的具體電路圖直流穩壓電源為整個電路提供電源，圖6 中 IC2 構成電壓跟隨器，產生并輸出提供給模擬電路電位公共點；IC3 構成方波信號發生器，在電路中產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 精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業-電流（V/I）轉換電路，產生電流通過 6 腳輸出，提供給雙積分 A/D 轉換器，然后再在 LED 顯示器上顯示出來圖 7 數字電壓表接線圖五、單元電路設計、參數計算和器件選擇1、單元電路設計信號轉換電路：信號轉換電路的功能是將傳感器輸出的交流電壓信號轉換為相應的直流電壓信號。信號轉換電路的設計直接影響到整個測頭電路系統的測量精度，是測頭電路系統的核心部分。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，磁芯

13、的移動可改變初級線圈之間的耦合磁通，從而產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轉換后的信號不同的交流電壓進行進一步調節，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。它由多個不同參數的比較電路單元構成，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行比較，從而實時反映測頭不同的運動狀態。精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業2、參數計算標定公式如下： （4bSKU）式中：U 為測頭

14、電路系統輸出電壓值，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： - 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.實驗數據表明測頭電路系統測量精度較高，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 網絡。R2、R3 是基準電壓的分壓電路，R2 是可調電阻，R3 是固

15、定電阻。調整 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零電容。R5、C5 分別是積分電阻和積分電容。系統需要的元器件清單精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業表1 元器件清單編號名稱型號數量R1電阻RC 網絡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 網絡1C2電容基準電容1C3電容輸入端1C4電容自動調零1C5電容積分

16、電容1六、總結該設計的電路模塊主要包括直流穩壓電源、振蕩電路、電感傳感器、解調器、差動放大電路、V/I 轉換電路、A/D 轉換電路、LED 顯示電路等，結構簡單，容易實現。短短的一個星期的課程設計讓我受益頗多。雖然課程設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。通過這次傳感器課程設計，讓我對傳感器的相關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。課程設計不僅拓展了我們的知識，而且更讓我們切身認識到所學知識的用途，傳感器做為自動控制系統中不可缺少的部分，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。

17、我相信通過或這次課程設計，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，讓我們在實踐中學習知識，在實踐中掌握知識，更在實踐中拓展知識。精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業參考文獻1 賈伯年，俞樸.傳感器技術M.南京：東南大學出版社，2006：68-69 .2 王煜東. 傳感器及應用M.北京：機械工業出版社，2005：5-9.3 唐文彥.傳感器M.北京：機械工業出版社，2007: 48-50.4 謝志萍.傳感器與檢測技術M.北京：高等教育出版社，2002:80-90.5 張國維.測控電路M.北京：機械工業出版社,2007.6 劉守義.單片機應用技術M.北京：西安電子科技大學出版社，2004.精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業東北石油大學課程設計成績評價表課