传感器专业课程设计电感式位移传感器要点.doc

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；位移传感器目 录一、 设计要求 11.功效和用途 12. 课题研究意义 13. 中国外发展现实状况 1二、方案设计 21、方案一 22. 方案二 4三、传感器工作原理 5四、电路工作原理 6五、单元电路设计、参数计算和器件选择 61、正弦激励电路 62、相敏检波电路设计 73、程控放大电路 74、A/D转换电路模块 85、参数计算 96、器件选择 107、系统需要元器件清单 10六、总结 11参考文件 12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 直流稳压电路振荡电路电感式传感器解调差动放大电路V/I转换电路取样A/D转换电路LED显示220V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正弦激励电路相敏检波电路电感式传感器LCD显示A/D转换电路程控放大电路图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。