電氣工程及其自動化論文

1、電氣工程及其自動化畢業(yè)論文電氣工程及其自動化畢業(yè)論文題 目：非接觸式電位器的研究 專 業(yè) ：電氣工程及其自動化摘 要 電位器是一種阻值可以根據(jù)用戶需要進行調(diào)整的可變電阻器，是應(yīng)用廣泛的通用機電元件。傳統(tǒng)的電位器大多為接觸式的，這樣的電位器存在許多缺點。為克服存在的缺陷，非接觸式電位器應(yīng)運而生。本次設(shè)計從現(xiàn)代傳感器技術(shù)入手，通過深入了解現(xiàn)代傳感器技術(shù)，從中選取合適的傳感器作為實現(xiàn)“非接觸式”的手段。在理論分析的基礎(chǔ)上，并考慮到實際制作環(huán)境的限制，從而選取了差動式電感傳感器作為電位器的調(diào)節(jié)端，并且改進了傳感器電路，提高了其調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和靈敏度。在該電位器的輸出端，接上了一運算放大器，使其輸出范圍大

2、大增加。通過對作品參數(shù)的測試，證明了其符合設(shè)計要求，實現(xiàn)了電位器的“非接觸式”調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞：電位器；非接觸式電位器；傳感器技術(shù)；差動式電感傳感器；運算放大器abstractpotentiomete is a resistor that can be adjusted according to the user who needs a variable resistance,its a widely used and general-purpose electromechanical components.most of the traditional potentiometes are con

3、tact-type component,there are many defects with them.in order to overcome these defects,the non-contact potentiometers are invented.this design is on the base of modern sensor technology.by a profound understanding of the modern sensor technology,i use a suited sensor to achieveing the “non-contact”

4、.not only i analyse the theory,but also i think over the practical setting,i choose the differential-inductive sensors as the modulatory terminal,and mend the sensor circuit,so the stability and susceptiveness have improved. in the output of the potentiometer,i use a operational amplifier to increas

5、e the output range.through the test of this work,i prove it meet the design requirements: achieveing the “non-contact” of the potentiometer.keywords：potentiometer，non-contact potentiometers，sensor technology， differential-inductive sensors，operational amplifier目 錄 摘 要 1abstract 2引 言 4第一章 設(shè)計任務(wù) 5 1.1

6、設(shè)計題目 5 1.2 設(shè)計背景 5 1.3 設(shè)計任務(wù) 5第二章 電位器的認識 6 2.1 傳統(tǒng)電位器 6 2.2 非接觸式電位器 7第三章 傳感器的電子學(xué)基礎(chǔ) 8 3.1 電橋 8 3.2 電橋的電源 10 3.3 傳感器信號的放大 11第四章 作品設(shè)計 12結(jié) 語 19參考文獻 21后 記 22致 謝 22引 言電位器是一種可調(diào)的電子元件。傳統(tǒng)的電位器是由一個電阻體和一個轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成。當電阻體的兩個固定觸電之間外加一個電壓時，通過轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)改變觸點在電阻體上的位置，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸點位置成一定關(guān)系的電壓。由于電阻體和滑動系統(tǒng)之間存在摩擦，且改變電參數(shù)必然需要

7、一定的力矩，這些對于高速運動和靈敏的儀器是極為有害的。電刷的長期摩擦?xí)菇佑|電阻發(fā)生變化，噪聲變大，可靠性變差，壽命變短，而非接觸式電位器則可以克服這些缺點。由于非接觸式電位器和傳統(tǒng)電位器相比具有不可比擬的優(yōu)越性，因此在許多對電位器要求高的場合，非接觸式電位器得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計由傳感器技術(shù)出發(fā)，較為詳細地介紹了相關(guān)的傳感器技術(shù)，敘述了設(shè)計的過程及相關(guān)數(shù)值計算。從設(shè)計材料的經(jīng)濟合理、易于制作的要求出發(fā)，確定了所需原件及設(shè)計方法。第一章 設(shè)計任務(wù)1.1 設(shè)計題目 非接觸式電位器的研究1.2 設(shè)計背景在現(xiàn)代社會中，科技迅速發(fā)展、各種技術(shù)日新月異，為我們的工作、生活提供了極大的便利。在調(diào)節(jié)和控制的

8、領(lǐng)域當中，電位器有著非常重要地位。傳統(tǒng)的電位器由于電刷的長期摩擦?xí)菇佑|電阻發(fā)生變化，噪聲變大、可靠性變差，使壽命變短，對于一些調(diào)節(jié)頻繁、要求調(diào)節(jié)精度高的場合，這樣的電位器在就難以應(yīng)付了。為了改善其性能，提高其適用性，非接觸電位器應(yīng)運而生。非接觸式電位器克服了傳統(tǒng)電位器的許多缺點，是調(diào)節(jié)性能大大提高，不管是在頻繁的調(diào)節(jié)場合或者是要求精確調(diào)節(jié)，非接觸式電位器都能很好的升任?？梢哉f，非接觸式電位器的出現(xiàn)，使各種工業(yè)控制和生活、生產(chǎn)方面的控制調(diào)節(jié)得到了很大的改善，提高了生產(chǎn)和生活的水平。1.3 設(shè)計任務(wù)設(shè)計一電位器，要求實現(xiàn)“非接觸式”調(diào)節(jié)。電位器在制作時應(yīng)考慮實際操作環(huán)境，要便于購買材料和易于制作

9、。第二章 電位器的認識2.1 傳統(tǒng)電位器電位器是一種可調(diào)的電子元件。大多數(shù)傳統(tǒng)的電位器是由一個電阻體和一個轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成。當電阻體的兩個固定觸電之間外加一個電壓時，通過轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)改變觸點在電阻體上的位置，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸點位置成一定關(guān)系的電壓。它大多是用作分壓器，這是電位器是一個四端元件。電位器基本上就是滑動變阻器，有幾種樣式，一般用在音箱音量開關(guān)和激光頭功率大小調(diào)節(jié) 電位器是一種可調(diào)的電子元件。它是由一個電阻體和一個轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成。當電阻體的兩個固定觸電之間外加一個電壓時，通過轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)改變觸點在電阻體上的位置，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸

10、點位置成一定關(guān)系的電壓。傳統(tǒng)的電位器在調(diào)節(jié)電位的時候，是通過觸點在電阻體上的滑動實現(xiàn)的。這樣的調(diào)節(jié)方式雖然簡單，但是存在許多缺點。首先，觸點的滑動會與電阻體（圖中r）產(chǎn)生摩擦，如此長期下去，電位器的調(diào)節(jié)精確度必然會下降，從而影響了機器的正常運行。另一方面，由于觸點和電阻體摩擦的緣故，會使電位器的壽命大大減小，影響了機器的使用周期。特別是在調(diào)節(jié)場合頻繁的時候，劇烈的摩擦?xí)乐亟档驼{(diào)節(jié)的可靠性。由此可見，傳統(tǒng)的電位器雖然可以實現(xiàn)電位的調(diào)節(jié)，但是本身存在的不足限制其使用的范圍。為了克服傳統(tǒng)電位器的種種缺點，非接觸式電位器變應(yīng)運而生了。2.2 非接觸式電位器 上一節(jié)簡單介紹了傳統(tǒng)電位器的結(jié)構(gòu)，以及傳統(tǒng)

11、電位器的不足。為了克服傳統(tǒng)電位器在調(diào)節(jié)過程中的摩擦所帶來的不良后果，科學(xué)家們通過反復(fù)研究和實驗，制作出了非接觸式電位器。這種電位器和傳統(tǒng)電位器最大的不同點在于，其調(diào)節(jié)端是“非接觸”的，調(diào)節(jié)電位的時候，不會產(chǎn)生像傳統(tǒng)電位器那樣的摩擦，從而大大提高了電位器的調(diào)節(jié)精確度和使用壽命。常見的非接觸式電位器的調(diào)節(jié)端大部分是使用現(xiàn)代傳感器，例如霍爾傳感器、電渦流傳感器、電感傳感器等。這些傳感器在調(diào)節(jié)時，通常是將一些非電量，如位移、傾角、壓力等的變化轉(zhuǎn)換為一定的信號，并通過這些信號的變化，控制輸出端的信號輸出。傳感器的相關(guān)知識將在下章介紹。第三章 傳感器的電子學(xué)基礎(chǔ)根據(jù)傳感器輸入信號的不同，檢測系統(tǒng)分為直流檢

12、測系統(tǒng)和交流檢測系統(tǒng)兩大類，如下圖所示。 3.1 電橋電橋主要用于把被測的非電量（或電量）轉(zhuǎn)換成電阻、電感、電容的變化，再變成電流或電壓的變化。電橋在測量系統(tǒng)中的使用十分廣泛。根據(jù)供電電源的不同，電橋分為直流電橋和交流電橋。直流電橋主要用于應(yīng)變式傳感器，就聊電橋主要用來測電感和電容的變化，例如，用于電感式傳感器和電容式傳感器。3.1.1 直流電橋直流電橋原理電路如圖3-1： 電橋輸出電壓為： 電橋平衡條件是=0，即 3.1.2 交流電橋如圖3-2，交流電橋的激勵源為交流電源，四個橋臂上接的是阻抗元件。 用復(fù)阻抗z代替電阻r，且輸入電壓和輸出電壓均用復(fù)數(shù)表示，即分別為和，則交流電橋的輸出電壓表達

13、式與直流電橋相同，即 把各復(fù)阻抗用指數(shù)形式表示，即用表示，則交流電橋平衡課寫成 根據(jù)復(fù)數(shù)相等條件，交流電橋平衡必須滿足下面條件由以上兩式可知，交流電橋平衡有兩個條件：相對兩臂阻抗模乘積相等；兩相對橋臂復(fù)阻抗角之和相等。兩個平衡條件缺一不可，否則交流電橋永遠不平衡。3.2 電橋的電源直流電橋使用的是直流電源，交流電橋使用的是交流電源。3.2.1 直流電橋的電源為了獲得穩(wěn)定的電橋驅(qū)動電源，減小電源變化對電橋工作的影響，一般采用恒壓源或恒流源做直流電橋的電源。1. 直流電橋的恒壓電源在直流電橋中，為了獲得穩(wěn)定的電橋驅(qū)動電壓，常常采用單獨的恒壓源供電。常用的有以下幾種：（1） 集成電路穩(wěn)壓電源（2）

14、可編程穩(wěn)壓電源（3） 專用傳感器電源模塊2b35k（4） 其他低成本電橋電源2. 直流電橋的恒流源電源在應(yīng)變式、壓阻式傳感器測量電路中，為了減小環(huán)境溫度和流過電橋臂上電阻電流變化產(chǎn)生的影響，要求流過的電流要穩(wěn)定，以減小因電流變化產(chǎn)生的熱量變化導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化，給測量帶來額外的誤差。因此，要求電橋在恒流電源下工作。3.2.2 交流電橋的電源交流電橋的電源要求為純凈的正弦信號。獲得穩(wěn)定的交流電橋驅(qū)動電源的方法有多種。對于音頻電橋，一般采用rc振蕩器。只有在工頻下工作的高壓交流電源，才直接使用電網(wǎng)電壓。對于有嚴格要求的交流電橋，目前常采用石英體振蕩器，通過頻率綜合器或可編程分析器得到所需要的頻率。

15、隨著集成電路的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了專用正弦信號發(fā)生集成電路，為用戶獲得所需頻率的信號源提供了極大方便。隨著專用集成電路和單片機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，可編程控制的多功能數(shù)字式正弦波發(fā)生器也得到了廣泛使用。交流電橋的電源在使用時應(yīng)注意一下條件：1. 有效頻率范圍2. 頻率穩(wěn)定度3. 幅值穩(wěn)定度4. 電源輸出電壓和輸出功率3.3 傳感器信號的放大傳感器信號放大的目的是為了將微弱的傳感器輸出信號，放大到足以進行各種轉(zhuǎn)換處理或推動各種執(zhí)行控制機制。由于被測對象不同，傳感器輸出信號大小和波形不相同，傳感器所處外界環(huán)境條件、各種噪聲對傳感器的影響也不一樣，因此選擇放大電路的形式和性能指標也不同。在一些場合下要求放大電

16、路的增益能自動控制，在另一些場合需要對傳感器的非線性進行線性化處理；有時候為了減少系統(tǒng)間的相互干擾，需要實行電器隔離，采用隔離放大器等。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，目前已廣泛采用集成運算放大器組成各種類型放大電路，或采用專用的集成放大器。第四章 作品設(shè)計要實現(xiàn)電位器調(diào)節(jié)的“非接觸式”，其調(diào)節(jié)端（控制端）可采用部分傳感器，例如霍爾傳感器、電渦流傳感器、電感式傳感器等?？紤]到制作條件及制作環(huán)境的限制，本次設(shè)計采用的是差動變壓器式傳感器。該傳感器屬于電感式傳感器的一種，其特點是（1） 結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，輸出功率大，輸出阻抗小，抗干擾能力強，對工作環(huán)境要求不高（2） 分辨率高：長度能分辨，測力時銜鐵重力為，

17、電磁吸力為；能感受的角位移（3） 重復(fù)性好、線性好，穩(wěn)定性好。傳感器部分的設(shè)計框圖如下：一.設(shè)計任務(wù)的設(shè)定由于設(shè)計沒有具體要求，所以一下設(shè)計數(shù)據(jù)為本人自己確定。其中設(shè)計中涉及到的相關(guān)數(shù)據(jù)按設(shè)定的來計算。二.作品設(shè)計1.參數(shù)設(shè)定本設(shè)計的非接觸式電位器的調(diào)節(jié)端為一差動變壓器式傳感器，設(shè)計要求的設(shè)定如下：（1） 最大輸入位移為0.8mm（2） 靈敏度不小于20mv/um（3） 非線性誤差不大于1%（4） 零位誤差不大于10mv（5） 電源選取36v，400hz2.設(shè)計步驟下圖為設(shè)計的系統(tǒng)框圖：1)選定差動變壓器電感元件的結(jié)構(gòu)，其形式如圖4-1。圖4-1鐵芯和銜鐵的工作數(shù)學(xué)模型為式中 初、次級線圈匝數(shù)

18、 電源電壓 氣隙 氣隙變化2)確定制作材料 鐵芯和銜鐵選定形鐵芯，材料為硅鋼片。其結(jié)構(gòu)尺寸如下圖。考慮到電源頻率=400hz，以及鐵芯規(guī)格，選取疊片的厚度h=0.2mm，共20片。線圈材料根據(jù)窗口面積應(yīng)容納線圈的原則，應(yīng)有下面的式子成立填充系數(shù)，與導(dǎo)線的直徑和工藝有關(guān)，一般。允許窗口面積所以，導(dǎo)線選取直徑d=0.06的高強度漆包線。如下圖。直徑為0.06mm的高強度漆包線3)確定初始間隙有制作條件可知，由于要求非線性不大于1%，可選取，又因為，所以。4)確定勵磁電流由于制作的是差動變壓器式傳感器，所以需要計算勵磁電流。一般的，取電流密度，則勵磁電流 。5)確定線圈匝數(shù)由圖4-1可知，輸出電壓為

19、初、次級線圈之間的互感分別為 ， 其中，為上、下鐵芯的次級線圈的互感磁鏈；為上、下鐵芯中有電流產(chǎn)生的磁通的幅值。由此可得因為鐵芯磁阻（氣隙磁阻），所以可忽略，同時還忽略漏磁通，則差動變壓器的等效電路圖如下。有磁路原理可知 ， 且 ， 將以上四個式子帶入電壓輸出等式，得去掉高階的，則有靈敏度為所以為了簡化制作，去。由前面參數(shù)可知，則匝。6)確定線圈銅電阻由電阻定律，有其中，為每砸線圈的平均長度；為鋼的電阻率；為線圈匝數(shù)。已知 ，代入上式，得7)求線圈電感8)求勵磁電壓可取。9)測量電路設(shè)計上述設(shè)計的電感變化元件是將位移量轉(zhuǎn)換為次級線圈的差動電動勢輸出，即由以上設(shè)定的參數(shù)及計算可知，勵磁電壓，匝，

20、,。代入上式，得可見，輸出電壓已經(jīng)足夠，故無需作變換。若要使輸出信號范圍擴大，可在輸出端接上一放大器，課選取ad620，接法如下：其中103可調(diào)電阻最大值為，該電阻可用來調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，提高了非接觸式電位器的輸出范圍。另外，ad620需要+5v、-5v的直流電源供電。10)擴展提高上述傳感器的勵磁電源是交流電壓，由幅值和相位決定其大小，而位移既有大小也有方向，這樣就存在一個問題：怎樣使一個次級繞組輸出的電動勢既能反映位移大小，又能反映位移方向，同時又能消除零位誤差。要解決這個問題，可在電路中加入以下兩種測量電路：一種是差動相敏檢波電路；一種是差動整流電路。由于兩種電路都較為復(fù)雜，在這里就

21、不做詳細介紹了，有興趣的話可以查閱相關(guān)資料。11)實際作品上述作品為本人理論上設(shè)計的。因為漆包線太細以及身邊沒有繞線機，在加上固定鐵芯和銜鐵的距離存在相當大的難度，這些都是不能用手工完成。由于是制作環(huán)境的限制，故實際作品和理論設(shè)計上存在差異。以下為實際作品原理圖及電路。結(jié)構(gòu)原理圖電路圖該調(diào)節(jié)端為一差動電感傳感器，理論上兩電感應(yīng)該相等。但由于是手工繞制，必然會存在誤差。為了輸出的準確性，電橋的兩個電阻為103可調(diào)電阻，用于調(diào)整電路參數(shù)（即調(diào)零）。 線圈是用直徑為1mm的漆包線繞制，磁芯為“e”形磁芯。結(jié) 語本次畢業(yè)設(shè)計令我受益匪淺。首先，在設(shè)計過程中，我把以前從課本學(xué)到的相關(guān)知識用到了設(shè)計上，做到了學(xué)以致用