傳感器測控電路課程設計說明書

1、<p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　　課程設計名稱： 《傳感器/測控電路》課程設計</p><p>　　學 生 姓 名： </p><p>　　學 院： 機電工程學院 </p><p>　

2、　專業(yè)及班級： 10級測控技術與儀器3班 </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一 . 前言··

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

4、83;··1</p><p>　　二 . 課程設計的任務與要求·························1</p><

5、p>　　三 . 課程設計的目的································2</p>

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

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

8、183;····4</p><p>　　3 . 傳感器結構設計與計算·························

9、3;5</p><p>　　4 . 測控電路設計與計算····························6</p>

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

11、83;····8</p><p>　　五 . 總結與分析··························

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

13、183;························10</p><p>　　1 . 傳感器結構圖······&

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

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

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

17、183;········12</p><p><b>　　一 . 前言</b></p><p>　　傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號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、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(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)過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(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。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(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、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發(fā)展。</p><p>　　作為當代理工科而且學習過傳感器，測控電路知識的大學生，學習如何設計一個簡單

20、實用的傳感器并掌握其設計思想是非常有必要的。</p><p>　　二 . 課程設計的任務與要求</p><p>　　傳感器/測控電路課程設計分為兩部分，一是傳感器的設計，包括根據(jù)被測量選擇傳感器類型，根據(jù)轉換原理選擇傳感器性能與結構參數(shù)，根據(jù)傳感器輸出電量設計后續(xù)電路；二是測控電路的設計，包括將敏感元件測量的物理量轉換成電信號，根據(jù)功能設計放大電路，濾波電路，調(diào)制解調(diào)電路，限幅電路等，提取

21、有用信號，剔除無用信號，經(jīng)過A/D轉換，運算處理得到被測信號的各種所需參數(shù)！</p><p>　　課程設計的基本要求：1，學生需認真閱讀課程設計任務書，熟悉有關設計資料及參考資料，熟悉有關各種設計規(guī)范的有關內(nèi)容，認真完成任務書規(guī)定的設計內(nèi)容；2，學生均應在教師指導下，按時完成規(guī)定的內(nèi)容和工作量；3，課程設計的計算說明書和設計圖紙：要求設計說明書計算準確，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、圖標準及有關規(guī)定！</p><p>　　三 . 課程設計的目的</p><p>　　課程設計是本專業(yè)教學實踐環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容之一，是學習專業(yè)技術課所需的必要教學環(huán)節(jié)。通過課程設計的教學實踐，使學生所學的基礎理論和專業(yè)知識得到鞏固，并使學生得到運用所學理論知識解決實際問題的初步訓練；課程設計的學生應該接觸和了解實際局部設計，從收集資料，方案對比，計算，繪圖的全過程，進一步提高學生的分析，綜合能

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

24、響應較低,不宜于高頻動態(tài)測量。常用的有：1、變氣隙型中電感的變化與傳感器中活動銜鐵的位移相對應。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中的互感現(xiàn)象，將被測

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

26、lt;/p><p>　　2 . 三節(jié)式螺管型差動位移電感傳感器的基本原理</p><p>　　當活動銜鐵向上移動時,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。因為Uo=E2a-E2b，所以當E2a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時， Uo也必將隨x而變化。</p><p>　　3 . 傳感器結構

27、設計與計算</p><p>　　使用最多的是三節(jié)式的；</p><p>　　根據(jù)電磁感應定律， 次級繞組中感應電勢的表達式分別為</p><p><b>　　輸出電壓有效值為：</b></p><p>　?、?活動銜鐵處于中間位置時有M1=M2=M故Uo=0</p><p>　?、?活動銜鐵向上移

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

29、lt;/p><p>　　4 . 測控電路設計與計算</p><p>　　差動變壓器的輸出電壓是調(diào)幅波，為辨別銜鐵的移動方向，要進行解調(diào)。常用解調(diào)電路有：差動相敏檢波與差動整流電路。采用解調(diào)電路還可以消除零位電壓。</p><p>　　（1）差動相敏檢波電路 </p><p>　　差動相敏檢波的形式很多，相敏檢波電路要求參考電壓與差動變壓器次級輸出

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的。 </p><p><b>　　差動相敏檢波電路</b></p><p>　　（2）差動整流電路 </p><p>　　差動整流電路簡單，不需參考電壓，不需要考慮相位調(diào)整和零位電壓影響，對感應和分布電容影響不敏感。經(jīng)差動整流后變成直流輸出便于遠距離輸送

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

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>　　采用差動式結構除了可以改善線性、提高靈敏度外，對外界影響，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，從而減小了測量誤差。</p><p>　　零點殘余電壓也是反映差動變壓器

33、式傳感器性能的重要指標。理想情況是在零點時，兩個次級線圈感應電壓大小相等方向相反，差動輸出電壓為零，實際情況是兩組次級線圈的不對稱鐵心B-H曲線的非線性，以及激勵電源存在的高次諧波等因素引起零點處U≠0知。其數(shù)值約為零點幾毫伏，有時甚至可達幾十毫伏，并且無論怎樣調(diào)節(jié)銜鐵的位置均無法消除。零點殘余電壓的存在，使傳感器的靈敏度降低，分辨率變差和測量誤差增大。</p><p>　　零點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：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對稱，導致它們產(chǎn)生的感應電勢幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應電勢都不能完全抵消。</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)及磁路的對稱</p><p>　　2. 選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。</p><p>　　3. 采用補償線路減小零點殘余電動勢。</p><p><b>　　五 . 總結與分析</b></p><p>　　通過此次為期兩個星期的傳感器/測控電

36、路的課程設計，不僅鞏固了所學的傳感器與測控電路的相關知識，而且學會了如何將自己所學到的知識運用到實際設計與生活之中，還學到了許多關于設計的方法與思路。通過對課程設計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，拓寬了我們的視野，更加提高了我們對實際問題的解決能力。</p><p>　　當然，首次進行傳感器/測控電路設計的我們參考設計的傳感器以及后續(xù)測控電路肯定存在許多缺陷和不足之處，而我們在設

37、計過程中只能盡量避免出現(xiàn)不必要的誤差與設計缺陷，而一個傳感器真正投入生產(chǎn)還有很多試驗改進過程，鑒于我們能力有限，只要我們在設計過程中學到如何設計，分析，怎樣改進即可，這為以后我們真正設計新的傳感器或者創(chuàng)新打下必要的基礎！</p><p>　　還有，特在此感謝在傳感器/測控電路課程設計過程中給予我指導與幫助的楊書儀老師和余以道老師以及測三的同學們！</p><p><b>　　六

38、. 附圖</b></p><p>　　1 . 傳感器結構圖（1:2.5）</p><p><b>　　2 . 電路圖</b></p><p><b>　　七 . 參考文獻</b></p><p>　　[1] 康華光.電子技術基礎 高教出版社，2000． </p><