传感器专业课程设计电感式位移传感器要点.docx
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传感器专业课程设计电感式位移传感器要点.docx
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传感器专业课程设计电感式位移传感器要点
东北石油大学
课程设计
课程传感器课程设计
题目电感式位移传感器应用电路设计
院系电气信息工程学院
专业班级测控12-2
学生姓名祖景瑞
学生学号
指导老师邹彦艳刘继承
7月8日
任务书
课程传感器课程设计
题目电感式位移传感器应用电路设计
专业测控技术和仪器姓名祖景瑞学号
关键内容:
本设计要完成电感式位移传感器应用电路设计,经过学习和掌握电感式传感器原理、工作方法及应用来设计一个电路。
电路要能够检测一定范围内位移测量,而且能够经过LED进行数字显示。
位移传感器又称为线性传感器,常见有电感式位移传感器,电容式位移传感器,光电式位移传感器,超声波式位移传感器,霍尔式位移传感器等技术。
基础要求:
1、能够检测0~20cm位移;
2、电压输出为1~5V;
3、电流输出为4~20mA;
关键参考资料:
[1]贾伯年,俞朴.传感器技术[M].南京:
东南大学出版社,:
68-69.
[2]王煜东.传感器及应用[M].北京:
机械工业出版社,:
5-9.
[3]唐文彦.传感器[M].北京:
机械工业出版社,:
48-50.
[4]谢志萍.传感器和检测技术[M].北京:
高等教育出版社,:
80-90.
完成期限.7.4—.7.8
指导老师
专业责任人
7月1日
摘要
测量位移方法很多,现已形成多个位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展趋势。
位移传感器又称为线性传感器,常见有电感式位移传感器,电容式位移传感器,光电式位移传感器,超声波式位移传感器,霍尔式位移传感器,磁致伸缩位移传感器和基于光学干涉测量法,光外差法,电镜法,激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。
电感式位移传感器含有没有滑动触点,工作时不受灰尘等非金属原因影响,而且低功耗,长寿命,可使用在多种恶劣条件下。
电感式位移传感器关键应用在自动化装备生产线对模拟量智能控制方面。
针对现在电感式位移传感器应用现实状况,本文提出了一个电感式位移传感器设计方法,含有控制及数据处理等功效,结构简单、成本低等优点,能够广泛应用于机械位移测量和控制。
关键词:
电感式传感器;自感式传感器;测量位移;位移传感器
电感式位移传感器应用电路设计
一、设计要求
1.功效和用途
本设计要应用电感式传感器原理来设计一个位移传感器应用电路,要求能够检测能够检测0~20cm位移;电压输出为1~5V;电流输出为4~20mA;而且能够经过LED进行数字显示,含有控制及数据处理等功效,结构简单、成本低等优点。
2.课题研究意义
不管是科学研究还是生产实践,需要进行位移测量场所很多,可用于位移测量传感器种类也很多。
伴随现代制造业规模逐步扩大,自动化程度愈来愈高。
要确保产品质量,对产品检测和质量管理全部提出了更高要求。
我们为此要设计一个精度检测位移仪器。
电感测微仪是一个分辨率极高、工作可靠、使用寿命很长测量仪,应用于微位移测量已经有比较长历史.国外生产电感测微仪产品比较成熟,精度高、性能稳定,但价格昂贵.中国生产电感测微仪存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范围小等问题,一直和国外传感器水平保持一定差距.在超精密加工技术迅猛发展今天,这种测量精度越来越显得不适应加工技术发展需求.该文针对这些问题,对电感传感器测量电路进行了一定设计和改善.对电感测微仪正弦波生成电路、交流放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路等进行分析及对应设计。
3.中国外发展现实状况
电感式传感器利用电磁感应将被测位移转换成线圈自感系数和互感系数改变,再由电路转换为电压或电流改变量输出,实现非电量到电量转换。
传感器分为自感式、互感式(如LVDT)、电涡流式三种。
电感式传感器含有灵敏度和分辨力高,能测出0.01微米位移改变,传感器非线性误差可达0.05%-0.1%。
伴伴随各国航空航天、船舶等军事领域,及工业控制和农业现代化不停发展,对位移传感器需求量也不停上升,同时要求位移传感器不停地进行技术革新,不停地有新技术、新材料利用,以满足不一样场所、不一样环境条件需求。
位移传感器应用已经得到了广泛发展,几乎能够用于各个领域位移、位置、行程自动测量和自动控制,和测量预先被变成位移多种物理量,比如:
伸缩、膨胀、差压、振动、应变、流量、厚度、重量等等。
位移传感器同其它传感器一样,其发展总趋势就是利用新材料、新工艺实现微型化、集成化、智能化,利用新原理、新方法实现更多个类信息获取,辅以优异信息处理技术提升传感器各项技术指标,以适应更广泛应用需求。
(1)微型化。
多种控制仪器设备功效越来越多,要求各个部件体积能占位置越小越好,所以传感器本身体积也是越小越好,这就要求发展新材料和加工技术。
多年来,伴随微电子技术和微机械加工技术日趋成熟,传感器制作技术进入了一个展新阶段。
微电子技术和微机械加工技术相结合,器件结构从二维到三维,实现了深入微型化、低功耗。
(2)集成化。
集成传感器优势是传统传感器无法达成,它不仅是一个简单传感器,而且将辅助电路中元件和传感元件同时集成在一块芯片上,使之含有校准、赔偿、自诊疗和网络通信功效,可降低成本、增加产量。
把传感器、信号调整电路、单片机集成在一个芯片上形成超大规模集成化高级智能传感器已经成为一个新发展趋势。
(3)智能化。
智能化传感器是一个带微处理器传感器,是微型计算机和传感器相结合结果,它兼有检测、判定和信息处理功效,和传统传感器相比有很多优点,含有判定和信息处理功效,可实现多传感器、多参数测量,有自检、自校和自诊疗功效,测量数据可存取,且含有数据通信接口,能和微型计算机直接通信。
智能化传感器已从传统传感器单一功效、单一检测向多功效和多变量检测方向发展,它正确度、稳定性和可靠性全部是传统传感器不可比拟。
(4)无线网络化。
无线传感器网络是目前国际上备受关注、多学科高度交叉新兴前沿研究热点领域,它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够经过各类集成化微型传感器协作地实时监测、感知和采集多种环境或监测对象信息,经过嵌入式系统对信息进行处理,并经过随机自组织无线通信网络以多跳中继方法将所感知信息传送到用户终端。
从而真正实现“无处不在计算”理念。
二、方案设计
1、方案一
利用电感式传感器原理设计一个位移传感器应用电路,设计总体模块关键由直流稳压电源、振荡电路、电感传感器、解调器、差动放大电路、V/I转换电路、A/D转换电路、LED显示电路等组成。
总体设计框图以下。
图1电感式位移传感器设计总体框图
图2为为螺管式自感传感器结构原理图。
它由平均半径为r螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。
伴随衔铁插入深度不一样将引发线圈泄露路径中磁阻改变,从而使线圈电感发生改变。
依据磁路结构,磁通关键由两部分组成:
沿轴向贯穿整个线圈后闭合主磁通φm和经衔铁侧面气隙闭合侧磁通φs。
因气隙较大,故磁性材料磁阻可忽略不计。
图2螺管式自感传感器原理图
侧磁通经过衔铁侧面和线圈交链,交链部分只是衔铁侧面遮盖部分线圈。
在线圈轴向不一样位置处,磁势是不一样,且交链到线圈匝数也不一样。
由图2可知离线圈端面x处磁势,依据两同心圆柱面磁极间磁导计算公式,可得半径为ra衔铁和内径为D磁性套筒间比磁导。
于是,可得微分单元磁导和x处微分单元磁通。
整个线圈总磁链为主磁链和侧磁链之和。
因为传感器轴向气隙较大,存在磁通边缘效应,故可认为在衔铁移动一定范围内主磁通近似不变。
这时,衔铁位移仅引发侧电感Ls改变。
图3磁通半径作用修正系数
2.方案二
系统关键包含电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器、A/D转换、LCD显示及单片机系统。
正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定激励电压,正弦波振荡器输出信号加到测量头中由线圈和电位器组成电感桥路上。
工件微小位移经电感式传感器测头带动两线圈内衔铁移动,使两线圈内电感量发生相正确改变。
当衔铁处于两线圈中间位置时,两线圈电感量相等,电桥平衡。
当测头带动衔铁上下移动时,若上线圈电感量增加,下线圈电感量则降低;若上线圈电感量降低,下线圈电感量则增加。
交流阻抗对应地改变,电桥失去平衡从而输出了一个幅值和位移成正比,频率和振荡器频率相同,相位和位移方向相对应调制信号。
此信号由相敏检波器鉴出极性,得到一个和衔铁位移相对应直流电压信号,经放大和A/D转换后输入到单片机,经过数据处理进行显示。
总体设计框图以下。
图4电感式位移传感器设计总体框图
三、传感器工作原理
测量位移方法很多,现已形成多个位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展趋势。
电感式位移传感器是一个属于金属感应线性器件,将直线或角位移改变转换为线圈电感量改变,接通电源后,在开关感应面将产生一个交变磁场,当金属物体靠近此感应面时,金属中则产生涡流而吸收了振荡器能量,使振荡器输出幅度线性衰减,然后依据衰减量改变来完成无接触检测物体目标。
电感式位移传感器含有没有滑动触点,工作时不受灰尘等非金属原因影响,而且低功耗,长寿命,可使用在多种恶劣条件下。
电感式位移传感器关键应用在自动化装备生产线对模拟量智能控制方面。
图4自感式传感器工作原理示意图
电感式传感器原理是:
自感式传感器是把被测量改变转换成自感L改变,经过一定转换电路转换成电压或电流输出。
传感器在使用时,其运动部分和动铁心(衔铁)相连,当动铁芯移动时,铁芯和衔铁间气隙厚度发生改变,引发磁路磁阻改变,造成线圈电感值发生改变,只要测量电感量改变,就能确定动铁芯位移量大小和方向。
(1)
(2)
式中:
N——线圈匝数;
Rm——磁路总磁阻。
四、电路工作原理
该系统关键包含电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器、A/D转换、LCD显示及单片机系统。
正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定激励电压,正弦波振荡器输出信号加到测量头中由线圈和电位器组成电感桥路上。
工件微小位移经电感式传感器测头带动两线圈内衔铁移动,使两线圈内电感量发生相正确改变。
当衔铁处于两线圈中间位置时,两线圈电感量相等,电桥平衡。
当测头带动衔铁上下移动时,若上线圈电感量增加,下线圈电感量则降低;若上线圈电感量降低,下线圈电感量则增加。
交流阻抗对应地改变,电桥失去平衡从而输出了一个幅值和位移成正比,频率和振荡器频率相同,相位和位移方向相对应调制信号。
此信号由相敏检波器鉴出极性,得到一个和衔铁位移相对应直流电压信号,经放大和A/D转换后输入到单片机,经过数据处理进行显示。
五、单元电路设计、参数计算和器件选择
1、正弦激励电路
传感器要求激励源必需很稳定,不能随负载和温度改变。
所以采取文氏桥振荡电路作为差动变压器激励电源。
正弦波振荡器由放大器和RC(电阻电容)或LC(电感电容)电路组成,这种振荡器振荡频率是可调。
正弦波振荡器也能够用晶体组成,但晶体振荡器振荡频率是固定。
像张弛振荡器能够用来产生三角波、锯齿波、方波、脉冲波或指数形波形。
图5正弦激励电路图
2、相敏检波电路设计
相敏检波电路含有判别调制信号相位和选频能力检波电路。
图6相敏检波电路图
3、程控放大电路
程控放大电路是采取反相放大电路基础形式,反相放大电路特点:
运放两个输入端电压相等并等于0,故没有共模输入信号,这么对运放共模抑制比没有特殊要求;电路在深度负反馈条件下,电路输出电阻近似为0。
图7程控放大电路图
4、A/D转换电路模块
模拟信号在时间和数值上全部是连续,而数字信号在时间和数值上全部是离散,所以进行模数转换时只能在部分选定瞬间对输入模拟信号进行采样,使它变成时间上离散采样信号,然后将信号保持一定时间,方便在此时间内对其进行量化,使采样值变成数值上离散量化值,再按一定编码形式转换成数字量。
完成一次A/D转换通常需要经历采样、量化和编码3个步骤。
不一样量化和编码过程对应不一样原理A/D转换器。
图8A/D转换模块
5、参数计算
标定公式以下:
(3)
式中:
U为测头电路系统输出电压值,V;
k为测头灵敏度,mV/mm;
S为测头位移量,mm;b为零位电压值偏移量,mV。
由标定统计可得到:
1)测头灵敏度
左齿面:
-010186mV/mm;
右齿面:
010183mV/mm.
2)测头位移量线性测量范围
左齿面:
312~51112μm;
右齿面:
411~50717μm.
3)零位电压值偏移量
左齿面:
41412mV;
右齿面:
51027mV.
试验数据表明测头电路系统测量精度较高,线性测量线性范围大(±500μm),满足891EA齿轮测量中心测量需求。
6、器件选择
R1、C1为时钟振荡RC网络。
R2、R3是基准电压分压电路,R2是可调电阻,R3是固定电阻。
调整R2使基准电压VREF=100.0mV。
R2通常采取精密多圈电位器。
R4、C3为输入端阻容滤波电路,以提升仪表抗干扰能力,并能增强仪表过载能力。
因7107输入阻抗很高,输入电流极小,故可取R4=1MΩ,C3=0.01uF。
C2、C4分别是基准电容和自动调零电容。
R5、C5分别是积分电阻和积分电容。
7、系统需要元器件清单
表1元器件清单
编号
名称
型号
数量
R1
电阻
RC网络
1
R2
电阻
分压电路
1
R3
电阻
分压电路
1
R4
电阻
输入端
1
R5
电阻
积分电阻
1
C1
电容
RC网络
1
C2
电容
基准电容
1
C3
电容
输入端
1
C4
电容
自动调零
1
C5
电容
积分电容
1
六、总结
该设计电路模块关键包含直流稳压电源、振荡电路、电感传感器、解调器、差动放大电路、V/I转换电路、A/D转换电路、LED显示电路等,结构简单,轻易实现。
短短一个星期课程设计让我受益颇多。
即使课程设计对我们来说还比较困难,不过我们并没有所以而退缩,而是凭着一丝不苟和持之以恒精神,准期完成了任务。
经过这次传感器课程设计,让我对传感器相关知识有了深入了解,尤其是对位移传感器这个方面知识更是收获不少。
课程设计不仅拓展了我们知识,而且更让我们切身认识到所学知识用途,传感器做为自动控制系统中不可缺乏部分,在测控理论中也起着很关键作用,让我们充足认识到它关键性。
我相信经过或这次课程设计,将会对我们以后工作或多或少带来帮助。
期望以后能够有更多实践机会,让我们在实践中学习知识,在实践中掌握知识,更在实践中拓展知识。
参考文件
[1]贾伯年,俞朴.传感器技术[M].南京:
东南大学出版社,:
68-69.
[2]王煜东.传感器及应用[M].北京:
机械工业出版社,:
5-9.
[3]唐文彦.传感器[M].北京:
机械工业出版社,:
48-50.
[4]谢志萍.传感器和检测技术[M].北京:
高等教育出版社,:
80-90.
[5]张国维.测控电路[M].北京:
机械工业出版社,.
[6]刘守义.单片机应用技术[M].北京:
西安电子科技大学出版社,.
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
传感器课程设计
题目名称
电感式位置传感器应用电路设计
学生姓名
祖景瑞
学号
指导教
师姓名
邹彦艳
刘继承
职称
副教授
教授
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满完成了要求任务,难易程度和工作量符合教学要求,工作努力,遵守纪律,出勤率高,工作作风严谨,善于和她人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理,计算过程简练正确,分析问题思绪清楚,结构严谨,文理通顺,撰写规范,图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识,对前人工作有部分改善或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回复指导老师所提出问题。
30
总分
评语:
指导老师:
年月日
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- 传感器 专业课程 设计 电感 位移 要点