傳感器測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)說明書

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)名稱： 《傳感器/測(cè)控電路》課程設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 </p><p>　

2、　專業(yè)及班級(jí)： 10級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器3班 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一 . 前言··

3、;····································

4、83;··1</p><p>　　二 . 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求·························1</p><

5、p>　　三 . 課程設(shè)計(jì)的目的································2</p>

6、;<p>　　四 . 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容····························2</p><p>　　1

7、 . 課程設(shè)計(jì)方案的確定·························2 </p><p>　　2 . 三節(jié)式螺管型差動(dòng)位移電感傳感器的基本原理·&#

8、183;····4</p><p>　　3 . 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算·························

9、3;5</p><p>　　4 . 測(cè)控電路設(shè)計(jì)與計(jì)算····························6</p>

10、<p>　　5 . 誤差分析·································

11、83;····8</p><p>　　五 . 總結(jié)與分析··························

12、3;············9</p><p>　　六 . 附圖···················&#

13、183;························10</p><p>　　1 . 傳感器結(jié)構(gòu)圖······&

14、#183;···························10</p><p>　　2 . 電路圖···

15、83;····································1

16、1</p><p>　　七 . 參考文獻(xiàn)·······························&#

17、183;········12</p><p><b>　　一 . 前言</b></p><p>　　傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、

18、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。</p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。</p><p>　　傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)

19、、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。</p><p>　　作為當(dāng)代理工科而且學(xué)習(xí)過傳感器，測(cè)控電路知識(shí)的大學(xué)生，學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單

20、實(shí)用的傳感器并掌握其設(shè)計(jì)思想是非常有必要的。</p><p>　　二 . 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求</p><p>　　傳感器/測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)分為兩部分，一是傳感器的設(shè)計(jì)，包括根據(jù)被測(cè)量選擇傳感器類型，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理選擇傳感器性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)傳感器輸出電量設(shè)計(jì)后續(xù)電路；二是測(cè)控電路的設(shè)計(jì)，包括將敏感元件測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)功能設(shè)計(jì)放大電路，濾波電路，調(diào)制解調(diào)電路，限幅電路等，提取

21、有用信號(hào)，剔除無用信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，運(yùn)算處理得到被測(cè)信號(hào)的各種所需參數(shù)！</p><p>　　課程設(shè)計(jì)的基本要求：1，學(xué)生需認(rèn)真閱讀課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，熟悉有關(guān)設(shè)計(jì)資料及參考資料，熟悉有關(guān)各種設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)內(nèi)容，認(rèn)真完成任務(wù)書規(guī)定的設(shè)計(jì)內(nèi)容；2，學(xué)生均應(yīng)在教師指導(dǎo)下，按時(shí)完成規(guī)定的內(nèi)容和工作量；3，課程設(shè)計(jì)的計(jì)算說明書和設(shè)計(jì)圖紙：要求設(shè)計(jì)說明書計(jì)算準(zhǔn)確，文字通順，編排規(guī)范。要求圖紙，圖面布置合理，正確清晰，符合制

22、圖標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)規(guī)定！</p><p>　　三 . 課程設(shè)計(jì)的目的</p><p>　　課程設(shè)計(jì)是本專業(yè)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容之一，是學(xué)習(xí)專業(yè)技術(shù)課所需的必要教學(xué)環(huán)節(jié)。通過課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)得到鞏固，并使學(xué)生得到運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的初步訓(xùn)練；課程設(shè)計(jì)的學(xué)生應(yīng)該接觸和了解實(shí)際局部設(shè)計(jì)，從收集資料，方案對(duì)比，計(jì)算，繪圖的全過程，進(jìn)一步提高學(xué)生的分析，綜合能

23、力以及工程設(shè)計(jì)中計(jì)算和繪圖的基本能力，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)做必要的準(zhǔn)備！</p><p>　　四 . 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>　　1 . 課程設(shè)計(jì)方案的確定</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)老師提供的課題有40多個(gè)，而我選擇的是電感式傳感器，電感傳感器是將測(cè)量量換作線圈自感或互感的變化的傳感器。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高；輸出信號(hào)比較大，因此有利于信號(hào)的傳輸；缺點(diǎn)：頻率

24、響應(yīng)較低,不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。常用的有：1、變氣隙型中電感的變化與傳感器中活動(dòng)銜鐵的位移相對(duì)應(yīng)。2、變面積型是用鐵芯與銜鐵之間重合面積的變化來反映位移。3、螺管型是銜鐵插入長度的變化導(dǎo)致電感變化的原理。我選的是螺管型互感式傳感器。</p><p>　　自感式 互感式</p><p>　　互感型傳感器的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測(cè)

25、位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。它本身是一個(gè)變壓器，其初級(jí)線圈接入交流電源，次級(jí)為感應(yīng)線圈，當(dāng)初級(jí)線圈的互感變化時(shí)，輸出電壓將作相應(yīng)的變化。由于常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式，故又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高，可達(dá)0.1μm；線性范圍大，可到±100mm；穩(wěn)定性好，使用方便。因而被廣泛應(yīng)用于直線位移，或可能轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重量等參數(shù)的測(cè)量。缺點(diǎn)是：質(zhì)量一般比較大，靈敏度較低，不應(yīng)用于高頻場(chǎng)合。&

26、lt;/p><p>　　2 . 三節(jié)式螺管型差動(dòng)位移電感傳感器的基本原理</p><p>　　當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時(shí)， Uo也必將隨x而變化。</p><p>　　3 . 傳感器結(jié)構(gòu)

27、設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p>　　使用最多的是三節(jié)式的；</p><p>　　根據(jù)電磁感應(yīng)定律， 次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為</p><p><b>　　輸出電壓有效值為：</b></p><p>　?、?活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)有M1=M2=M故Uo=0</p><p>　?、?活動(dòng)銜鐵向上移

28、動(dòng)時(shí)有M1 =M+ΔM， M2 =M-ΔM故</p><p><b>　　與E2a同極性。</b></p><p>　?、?活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)有M1 =M-ΔM， M2 =M+ΔM故</p><p><b>　　與E2b同極性。</b></p><p>　　三段式螺管差動(dòng)變壓輸出電壓曲線如圖所示。&

29、lt;/p><p>　　4 . 測(cè)控電路設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p>　　差動(dòng)變壓器的輸出電壓是調(diào)幅波，為辨別銜鐵的移動(dòng)方向，要進(jìn)行解調(diào)。常用解調(diào)電路有：差動(dòng)相敏檢波與差動(dòng)整流電路。采用解調(diào)電路還可以消除零位電壓。</p><p>　?。?）差動(dòng)相敏檢波電路 </p><p>　　差動(dòng)相敏檢波的形式很多，相敏檢波電路要求參考電壓與差動(dòng)變壓器次級(jí)輸出

30、電壓的頻率相同，相位相同或相反；因此常接入移相電路。為了提高檢波效率，參考電壓幅值取為信號(hào)的。 </p><p><b>　　差動(dòng)相敏檢波電路</b></p><p>　　（2）差動(dòng)整流電路 </p><p>　　差動(dòng)整流電路簡(jiǎn)單，不需參考電壓，不需要考慮相位調(diào)整和零位電壓影響，對(duì)感應(yīng)和分布電容影響不敏感。經(jīng)差動(dòng)整流后變成直流輸出便于遠(yuǎn)距離輸送

31、。</p><p>　　全波整流電路和波形圖</p><p>　　差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“＋”，e點(diǎn)為“–”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點(diǎn)為“–”，e點(diǎn)為“＋”，則電流路徑是ehdcgf?？梢?，無論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出

32、情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eab＋ecd。</p><p><b>　　5 . 誤差分析</b></p><p>　　采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等也基本上可以相互抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測(cè)量誤差。</p><p>　　零點(diǎn)殘余電壓也是反映差動(dòng)變壓器

33、式傳感器性能的重要指標(biāo)。理想情況是在零點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓大小相等方向相反，差動(dòng)輸出電壓為零，實(shí)際情況是兩組次級(jí)線圈的不對(duì)稱鐵心B-H曲線的非線性，以及激勵(lì)電源存在的高次諧波等因素引起零點(diǎn)處U≠0知。其數(shù)值約為零點(diǎn)幾毫伏，有時(shí)甚至可達(dá)幾十毫伏，并且無論怎樣調(diào)節(jié)銜鐵的位置均無法消除。零點(diǎn)殘余電壓的存在，使傳感器的靈敏度降低，分辨率變差和測(cè)量誤差增大。</p><p>　　零點(diǎn)殘余電壓的波形主要由基波和高次諧波

34、組成。</p><p>　　基波產(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消。</p><p>　　高次諧波（主要是三次諧波）產(chǎn)生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。</p><p>　　減小零點(diǎn)殘余電壓方法：</p>&

35、lt;p>　　盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路的對(duì)稱</p><p>　　2. 選用合適的測(cè)量電路，如采用相敏整流電路。</p><p>　　3. 采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。</p><p><b>　　五 . 總結(jié)與分析</b></p><p>　　通過此次為期兩個(gè)星期的傳感器/測(cè)控電

36、路的課程設(shè)計(jì)，不僅鞏固了所學(xué)的傳感器與測(cè)控電路的相關(guān)知識(shí)，而且學(xué)會(huì)了如何將自己所學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際設(shè)計(jì)與生活之中，還學(xué)到了許多關(guān)于設(shè)計(jì)的方法與思路。通過對(duì)課程設(shè)計(jì)中所遇到的難題以及疑惑之處的深入探究與解決，豐富了我們的課外知識(shí)，拓寬了我們的視野，更加提高了我們對(duì)實(shí)際問題的解決能力。</p><p>　　當(dāng)然，首次進(jìn)行傳感器/測(cè)控電路設(shè)計(jì)的我們參考設(shè)計(jì)的傳感器以及后續(xù)測(cè)控電路肯定存在許多缺陷和不足之處，而我們?cè)谠O(shè)

37、計(jì)過程中只能盡量避免出現(xiàn)不必要的誤差與設(shè)計(jì)缺陷，而一個(gè)傳感器真正投入生產(chǎn)還有很多試驗(yàn)改進(jìn)過程，鑒于我們能力有限，只要我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中學(xué)到如何設(shè)計(jì)，分析，怎樣改進(jìn)即可，這為以后我們真正設(shè)計(jì)新的傳感器或者創(chuàng)新打下必要的基礎(chǔ)！</p><p>　　還有，特在此感謝在傳感器/測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)過程中給予我指導(dǎo)與幫助的楊書儀老師和余以道老師以及測(cè)三的同學(xué)們！</p><p><b>　　六

38、. 附圖</b></p><p>　　1 . 傳感器結(jié)構(gòu)圖（1:2.5）</p><p><b>　　2 . 電路圖</b></p><p><b>　　七 . 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 高教出版社，2000． </p><