傳感器課程設(shè)計(jì)-電感式位移傳感器

東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)課 程傳感器課程設(shè)計(jì)題目電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)院 系 電氣信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí) 測(cè)控12-2 學(xué)生姓名 祖景瑞 學(xué)生學(xué)號(hào) 120601240222 指導(dǎo)教師 鄒彥艷劉繼承2015年7月『日任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題目 電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)專業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 姓名祖景瑞學(xué)號(hào)120601240222主要內(nèi)容：本設(shè)計(jì)要完成電感式位移傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)，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(jì)一個(gè)電路。電路要能夠檢測(cè)一定范圍內(nèi)位移的測(cè)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，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(cè)0?20cm的位移；2、電壓輸出為1?5V；3、電流輸出為4?20mA；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(cè)技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2002:80-90.完成期限2015.7.4—2015.7.8指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2015測(cè)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(shì)。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(cè)量法，光外差法，電鏡法,激光三角測(cè)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(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長(zhǎng)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(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)模擬量的智能控制方面。針對(duì)目前電感式位移傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀，本文提出了一種電感式位移傳感器的設(shè)計(jì)方法，具有控制及數(shù)據(jù)處理等功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械位移的測(cè)量與控制。關(guān)鍵詞：電感式傳感器;自感式傳感器；測(cè)量位移;位移傳感器一、設(shè)計(jì)要求 錯(cuò)誤!未定義書簽。1.功能與用途0。2.課題研究的意義。錯(cuò)誤!未定義書簽。3.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 錯(cuò)誤!未定義書簽。二、方案設(shè)計(jì)。錯(cuò)誤!未定義書簽。1、方案一 錯(cuò)誤!未定義書簽。2.方案二 錯(cuò)誤!未定義書簽。三、傳感器工作原理。錯(cuò)誤!未定義書簽。四、電路的工作原理 錯(cuò)誤!未定義書簽。五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇 錯(cuò)誤!未定義書簽。1、正弦激勵(lì)電路。錯(cuò)誤!未定義書簽。2、相敏檢波電路設(shè)計(jì) 63、程控放大電路 錯(cuò)誤!未定義書簽。4、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊 錯(cuò)誤!未定義書簽。5、參數(shù)計(jì)算。錯(cuò)誤!未定義書簽。6、器件選擇 97、系統(tǒng)需要的元器件清單 錯(cuò)誤!未定義書簽。六、總結(jié)。錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書簽。電感式位移傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求.功能與用途本設(shè)計(jì)要應(yīng)用電感式傳感器的原理來設(shè)計(jì)一個(gè)位移傳感器的應(yīng)用電路,要求能夠檢測(cè)能夠檢測(cè)0~20cm的位移；電壓輸出為1~5V；電流輸出為4~20mA；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(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。.課題研究的意義無論是科學(xué)研究還是生產(chǎn)實(shí)踐,需要進(jìn)行位移測(cè)量的場(chǎng)合非常多，可用于位移測(cè)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(kuò)大，自動(dòng)化程度愈來愈高。要保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)和質(zhì)量管理都提出了更高的要求。我們?yōu)榇艘O(shè)計(jì)一種精度的檢測(cè)位移的儀器。電感測(cè)微儀是一種分辨率極高、工作可靠、使用壽命很長(zhǎng)的測(cè)量?jī)x，應(yīng)用于微位移測(cè)量已有比較長(zhǎng)的歷史.國外生產(chǎn)的電感測(cè)微儀產(chǎn)品比較成熟,精度高、性能穩(wěn)定,但價(jià)格昂貴.國內(nèi)生產(chǎn)的電感測(cè)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(cè)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(duì)這些問題,對(duì)電感傳感器測(cè)量電路進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)和改進(jìn).對(duì)電感測(cè)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(jìn)行分析及相應(yīng)設(shè)計(jì)。.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(cè)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，實(shí)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(cè)出0.01微米的位移變化，傳感器非線性誤差可達(dá)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(duì)位移傳感器的需求量也不斷上升，同時(shí)要求位移傳感器不斷地進(jìn)行技術(shù)革新，不斷地有新技術(shù)、新材料的運(yùn)用，以滿足不同場(chǎng)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(gè)領(lǐng)域的位移、位置、行程的自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制，以及測(cè)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(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、重量等等。位移傳感器同其他傳感器一樣，其發(fā)展的總趨勢(shì)就是利用新材料、新工藝實(shí)現(xiàn)微型化、集成化、智能化，利用新原理、新方法實(shí)現(xiàn)更多種類的信息獲取，輔以先進(jìn)的信息處理技術(shù)提高傳感器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，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(gè)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(jī)械加工技術(shù)的日趨成熟，傳感器制作技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)展新階段。微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合，器件結(jié)構(gòu)從二維到三維,實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步微型化、低功耗。（2）集成化。集成傳感器的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)傳感器無法達(dá)到的,它不僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器,而且將輔助電路中的元件與傳感元件同時(shí)集成在一塊芯片上，使之具有校準(zhǔn)、補(bǔ)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(hào)調(diào)節(jié)電路、單片機(jī)集成在一個(gè)芯片上形成超大規(guī)模集成化的高級(jí)智能傳感器已經(jīng)成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。（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(jì)算機(jī)和傳感器相結(jié)合的成果，它兼有檢測(cè)、判斷和信息處理功能,與傳統(tǒng)傳感器相比有很多優(yōu)點(diǎn)，具有判斷和信息處理功能，可實(shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)測(cè)量，有自檢、自校和自診斷功能，測(cè)量數(shù)據(jù)可存取,且具有數(shù)據(jù)通信接口，能與微型計(jì)算機(jī)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(cè)向多功能和多變量檢測(cè)方向發(fā)展，它的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性都是傳統(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(dāng)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(diǎn)領(lǐng)域,它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,通過嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理,并通過隨機(jī)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(shí)現(xiàn)“無處不在的計(jì)算”理念。二、方案設(shè)計(jì)1、方案一利用電感式傳感器的原理設(shè)計(jì)一個(gè)位移傳感器的應(yīng)用電路，設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)框圖如下。220V＞直流穩(wěn)壓電一?振蕩電路一電感式傳感一?解調(diào)圖1電感式位移傳感器的設(shè)計(jì)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(gè)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)磁通中s。因氣隙較大,故磁性材料的磁阻可忽略不計(jì)。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(shì)是不同的，且交鏈到的線圈匝數(shù)也不一樣。由圖2可知離線圈端面x處的磁勢(shì)，根據(jù)兩同心圓柱面磁極間的磁導(dǎo)計(jì)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(gè)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(dòng)的一定范圍內(nèi)主磁通近似不變。這時(shí)，銜鐵位移僅引起側(cè)電感Ls變化。d=2ra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(jī)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(lì)電壓，正弦波振蕩器輸出的信號(hào)加到測(cè)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(cè)頭帶動(dòng)兩線圈內(nèi)銜鐵移動(dòng)，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對(duì)的變化。當(dāng)銜鐵處于兩線圈的中間位置時(shí)，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當(dāng)測(cè)頭帶動(dòng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，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(gè)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(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)。此信號(hào)由相敏檢波器鑒出極性，得到一個(gè)與銜鐵位移相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行顯示?？傮w設(shè)計(jì)框圖如下。正弦激勵(lì)電路 *電感式傳感器 ?相敏檢波電路LCD顯示 A/D轉(zhuǎn)換電路 程控放大電路圖4電感式位移傳感器的設(shè)計(jì)總體框圖

三、傳感器工作原理測(cè)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(shì)。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(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí),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(cè)物體的目的。電感式位移傳感器具有無滑動(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長(zhǎng)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(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)模擬量的智能控制方面。圖4圖4自感式傳感器工作原理示意圖(1)電感式傳感器的原理是：自感式傳感器是把被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成自感L(1)_F二mmRm(2)式中:N——線圈匝數(shù)；Rm——磁路的總磁阻。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(jī)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(lì)電壓，正弦波振蕩器輸出的信號(hào)加到測(cè)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(cè)頭帶動(dòng)兩線圈內(nèi)銜鐵移動(dòng)，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對(duì)的變化。當(dāng)銜鐵處于兩線圈的中間位置時(shí),兩線圈的電感量相等,電橋平衡。當(dāng)測(cè)頭帶動(dòng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，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(gè)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(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)。此信號(hào)由相敏檢波器鑒出極性，得到一個(gè)與銜鐵位移相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行顯示。五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1、正弦激勵(lì)電路傳感器要求激勵(lì)源必須非常的穩(wěn)定，不能隨負(fù)載和溫度的變化。所以采用文氏橋振蕩電路作為差動(dòng)變壓器的激勵(lì)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(lì)電路圖2、相敏檢波電路設(shè)計(jì)相敏檢波電路具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電路。3、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(diǎn)：運(yùn)放

兩個(gè)輸入端電壓相等并等于0,故沒有共模輸入信號(hào)，這樣對(duì)運(yùn)放的共模抑制比沒有特殊要求；電路在深度負(fù)反饋條件下，電路的輸出電阻近似為0。4、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊模擬信號(hào)在時(shí)間和數(shù)值上都是連續(xù)的，而數(shù)字信號(hào)在時(shí)間和數(shù)值上都是離散的，所以進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)只能在一些選定的瞬間對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，使它變成時(shí)間上離散的采樣信號(hào)，然后將信號(hào)保持一定的時(shí)間，以便在此時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)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(gè)步驟。不同的量化和編碼過程對(duì)應(yīng)不同原理的A/D轉(zhuǎn)換器。

UI1415L617L8L9csVCCUI1415L617L8L9csVCCRD而CLKRTNTRCLKINDB7DB6DBSDB4VIN+DB3VIN-DB2DB1DBOVREF/2AGNDDGND101113ADC0804圖8A/D轉(zhuǎn)換模塊5、參數(shù)計(jì)算標(biāo)定公式如下： U=K?S+b（3）式中：U為測(cè)頭電路系統(tǒng)輸出電壓值，V;k為測(cè)頭靈敏度，mV/mm;S為測(cè)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(cè)頭的靈敏度左齒面：-010186mV/mm；右齒面：010183mV/mm.2）測(cè)頭位移量線性測(cè)量范圍左齒面：312~51112um;右齒面：411~50717Hm.3）零位電壓值偏移量左齒面：41412mV;右齒面：51027mV.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明測(cè)頭電路系統(tǒng)測(cè)量精度較高，線性測(cè)量線性范圍大（±500口m），滿足891EA齒輪測(cè)量中心的測(cè)量需求。6、器件選擇R1、C1為時(shí)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=1MQ,C3=0.01uF0C2、C4分別是基準(zhǔn)電容和自動(dòng)調(diào)零電容。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(hào)名稱型號(hào)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(dòng)調(diào)零1C5電容積分電容1六、總結(jié)該設(shè)計(jì)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(dòng)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(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。短短的一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)讓我受益頗多。雖然課程設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)，讓我對(duì)傳感器的相關(guān)知識(shí)有了進(jìn)一步的了解，特別是對(duì)位移傳感器這個(gè)方面的知識(shí)更是收獲不少。課程設(shè)計(jì)不僅拓展了我們的知識(shí),而且更讓我