开关电感式位移传感器的研究与设计

录 摘 要 . I 英文摘要 . 引 言 . 1 题研究的背景与意义 . 1 感式位移传感器的国内外研究应用现状 . 3 感式位移传感器的发展前景 . 4 究的主要内容 . 5 2 开关电感式位移传感器的理论基础 . 7 移传感器的分类 . 7 关电感式位移传感器 . 10 感器位移测量系统的总体结构 . 13 关充放电法电感检测分析 . 14 统电感检测方法 . 14 关充放电法电感检测原理 . 17 性材料对电感检测的影响 . 20 章小结 . 22 3 开关电感式位移传感器测量电路设计 . 23 流源模块设计 . 23 流源原理分析 . 23 流源电路设计 . 24 极管放电模块设计 . 24 流源电路设计 . 24 放电工作过程 . 25 号调理模块设计 . 26 压信号的放大与比较 . 26 号的调理 . 27 号发生采集与显示模块设计 . 28 小系统 . 28 示模块 . 量电路整体设计 . 31 章小结 . 32 4 测量数据分析 . 33 关充放电法电感检测数据分析 . 33 感器的位移测量数据分析 . 39 章小结 . 43 5 展望与总结 .结. . 44 望. . 45 致 谢 . 46 参 考 文 献 . 47 攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 50 . I .of .of .of .of .of .of .of .of by . of . of by . of on .of . of .of . . of .of . of . .of . of . .of . . .of .of . .of by .of .of . . 要 I 摘 要 在科学技术飞速发展的当代社会中，人类已经处在一个信息大爆炸的时代，信息化、自动化已经成为世界各国重要发展方向。传感与检测技术是信息科学技术的最前端技术，将成为 21 世纪人们在信息科学技术领域争夺的一个制高点。 传感器作为一种能够把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，不仅是实现自动化的重要元器件，也是电子系统与多种非电领域之间相互联系的桥梁，更是实现测试自动控制的首要环节，如果没有传感器对原始信息进行准确的捕捉和转换，一切准确的测试和控制都将无法实现。没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测和系统控制。因此在诸如信息获取、信号计测、工业自动控制等众多领域中传感技术都起着关键支柱的作用， 传感技术作为现代信息产业的三大支柱之一已经成为世界各国重点发展方向。 在我们的日常生活和工作中，我们需要经常对微小位移进行高精度的计量。使用游标卡尺、螺旋测微仪等传统的计量工具得出的数据已经不能满足对测量精度的需要。基于此背景本文研究了一种开关电感式位移传感器，传感器应用开关充放电法对电感信号进行检测，以东北农业大学工学硕士学位论文 现对位移信号的测量。该传感器具有测量精度高、分辨率较高，同时又具有结构简单、抗干扰能力强和工作可靠等一系列优点，因而适合在一般实验和生产条件下对位移测量精度的需要。 首先本文介绍了该课题研究的目的背景与意义，阐述了电感式位移传感器的发展现状及应用前景，对位移式传感器的种类、原理及特点做了简要的说明。 其次介绍了开关电感式位移传感器的工作原理，并对传感器位移测量系统的总体系统结构做了说明，该系统分为两大块分别是传感器位移测量部分和数据信号采集处理部分。 接着对传统的电感检测电路做了说明，在此基础上提出开关充放电法电感检测的原理，分析了采用不同的磁芯材料可能对开关充放电法电感检测产生的影响。 同时对开关电感式位移传感器的测量电路做了模块化的设计，主要包括的模块有：恒流源充电模块，为充电过程提供稳定的恒流电流；二极管放电模块，完成电感信号到电压信号的转化；信号调理模块，实现对电压信号的放大比较以及向电信号的转换； 号发生模块以及电信号采集模块，单片机发出 号对开关实时控制，以完成向电感充放电的过程，经过使能信号的选择后电信号进入单片机，转换成定时计数值。 摘 要 后应用开关充放电法对不同的磁芯材料进行电感检测实验，通过对实验数据的分析证明了开关充放电法的可行性，最终对开关电感式位移传感器的性能进行测试，通过对位移测量数据的分析，验证了开关电感式位移传感器满足对位移测量的基本要求。 关键词 农田环境；机器人视觉；数字信号处理器；图像处理；路径识别 东北农业大学工学硕士学位论文 n of in of an of in is a of it of in of of 1st As a a a is a to a of a of it is of of be if is no to is So in of to a of as of of it In we is by as of on a it to in to of a a at it a of as of of of 北农业大学工学硕士学位论文 VI of in a of of is a of of is is in on of of is by of At of of as of to of II WM a to to of of of is is to do on of of of of of 言 1 1 引 言 题研究的背景与意义 在 科 学 技 术 高 度 发 达 的 现 代 社 会 中 ， 人 类 已 经 进 入 瞬 息 万 变 的 信 息 时 代 ， 信 息 化 的 社 会 离 不 开 科 技 的 发 展 。 高 科 技 的 发 展 伴 随 着 电 脑 、 各 类 智 能 仪 器 、 机 器 人 的 越 来 越 广 泛 的 应 用 。 但 是 ， 智 能 仪 器 、 电 脑 、 机 器 人 并 不 能 直 接 感 受 及 识 别 外 界 的 信 息 ， 它 们 需 要 必 不 可 少 的 器 官 ， 而 充 当 它 们 的 感 觉 器 官 的 就 是 传 感 器 。 人类在进行科研生产的过程中主要是通过对可用资源的开发、获取、传输以及处理。而处在研究对象和测控系统接口位置的传感器，是发现、读取与监测信息的窗口，自动检测和自动控制系统要获取的信息，都要通过传感器转换为相对容易传输与处理的电信号1。在信息技术领域，传感器就是源头。没有传感器，就不能实现对信息的获取；技术基于科学，而科学却来自于不断的测试测量。因此，传感器技术在工控、检测等领域有着非常重要的地位，其功能是不可代替的，世界上各个发达的国家都在大力的发展传感器技术2 目前比较流行传感器的种类繁多，随着技术的发展功能更加的齐全。根据不同的转换原理可以实现同一种待测量的检测，各类应用同一种化学反应、物理法则或生物效应设计制作东北农业大学工学硕士学位论文 2 出的传感器可以对不同的被测量实施检测，因而性能类似的同一类传感器广泛应用在各种需要的场合，因此传感器有不同的类别5。表 1介绍了传感器的分类、转换原理、和他们各类传感器的典型应用，以方便选用传感器6。 目前无论是人类的日常生活、生产活动还是科学实验，许多场合都已经离不开对位移的测量。传感器的测量精度、测量范围、工作环境、结构、稳定性、分辨力、使用寿命等各方面的特点，是人们选择应用传感器的基础。然而电感式位移传感器因其具有结构简单、工作可靠、抗干扰能力强、安装简单、测量精度高、零点稳定、对工作环境要求不高、寿命长、分辨率高、输出功率大等优点，广泛的应用在位移测量方面，如今自动控制系统和检测技术的日渐成熟，更加为我们广泛使用电感式位移传感器带来了很大便利。 长期以来，我国的精密测量检测技术经历了很多变革，从最早就广泛应用的机械测量法、气动测量法到后来发展的光学测量法以及电磁测量法；从静态特性测试到动态特性测试以及由计算机数字控制的多参数自动化测试。由此可见，新的测试技术总是随着电子技术的飞速发展以及计算机科学技术的应用不断地更新换代7。电感式位移传感器在我们的日常生活中已经不可或缺。 引 言 3 伴随着人们对传感器的深入研究， 通过进一步研究电感式位移传感器的特性和工作性能，从而提高传感器在日常生活和工业生产中的使用价值。因此电感式位移传感器的深入研究成为了国内外有关专家学者不断追求的目标。 本论文即是在这样的大背景下，为了方便对微小位移进行测量，设计和开发了一种开关电感式位移传感器。本文通过对开关电感式位移传感器的工作原理进行深入的研究，设计了其测量电路，对应用开关电感式位移传感器测量的位移数据进行分析，通过测量实验从而证明了开关电感式位移传感器的可靠性。该传感器与传统的传感器相比具有结构简单、测量精度高、性价比高等特点，而且具有一定的实用性。 表 1感器类别 he of 传感器分类 转换形式 中间参量 转换原理 传感器名称 典型应用 移动电位器触电改变电阻 电位移传感器 位移 改变电阻丝或片的尺寸 电阻应变式传感器 微应变、力、负荷热丝传感器 气流速度、液体流量 电阻温度传感器 温度、辐射热 电阻 利用电阻的温度效应 热敏电阻传感器 温度 改变电容几何尺寸 力、负荷、位移 电容 改变电容介电常数 电容传感器 液位、含水量 电参数 电感 改变磁路尺寸、导磁体位置 电感传感器 位移 东北农业大学工学硕士学位论文 4 涡流去磁效应 涡流传感器 位移、厚度、硬度利用压磁效应 压磁传感器 力、压力 差动变压器 位移 自整角机 位移 改变电互感 旋转变压器 位移 振弦式传感器 压力、力 频率 改变谐振回路中的固有参数石英谐振传感器 力、温度等 利用莫尔条纹 光栅 改变互感 感应同步器 计数 利用拾磁信号 磁栅 大角位移、大直线位移 数字 利用数字编码 角度编码器 大角位移 霍尔效应 霍尔传感器 磁通、电流 电磁感应 磁电传感器 速度、加速度 光电效应 光电池 光强 电荷 压电效应 压电式传感器 动态力、加速度 感式位移传感器的国内外研究应用现状 电感传感器因其具有精度高、性能稳定、分辨率大等特点，广泛的应用在生产加工和检测领域。因此国内外许多学者、专家和公司都做出了大量的研究，以提高电感式传感器的测量精度和通用性，扩大电感式传感器的应用领域。 在国外有大量学者对电感式传感器做了理论方面的研究，比如 K 等人通过建立有限元模型进行仿真分析，并对模型进行优化从而优化了传感器的结构，这种改进后的传感器的功能得到了大大的提高。 C 与 设计了一种带短路环的比率差动电感引 言 5 传感器结构，这种结构很好的消除了磁滞对测量的影响，并且消除了许多误差信号，使线性范围更加清晰8。 提出了一种应用于用正弦波激励传感器的信号处理系统，该系统以快速傅里叶变换( 差动变压器为基础，对主、次级线圈的信号做数字化处理，对两个信号进行处理判断大小，省去了复杂的滤波过程，线性度更加精准，保证了传感器无论是工作在静态还是动态时，都能体现出其优越的性能9。 因为电感式传感器的技术发展比较纯熟， 在国外许多公司都有比较好的电感传感器产品。诸如瑞士的 司、美国的 司、德国的 司、意大利的 国的 司、日本东京精密为代表的电感测微仪厂商等国际上比较著名的传感器生产厂家生产的的电感式传感器的分辨率可达 性测量高达 1在世界传感器领先的水平上10 在我国传感技术的发展起始于 20 世纪 50 年代初， 60 年代先后研制出应变元件、霍尔元件、离子电极； 70 年代初研制生产出一批如扩散硅力敏传感器、砷化镓霍尔元件、碳化硅热敏电阻等新型敏感元件及传感器。随着传感器的广泛使用，现如今国内对电感传感器的研究也越来越多，越来越精细，不管是在传感器原理、材料、结构方面还是测量电路、硬件系统东北农业大学工学硕士学位论文 6 结构优化方面，国内的学者们都取得了长足的进步。比如对于传感器的结构，为了减少零点残存电压对测量结果的影响，将传感器的磁芯一份为二，一份固定在传感器上，一份可以滑动，因此就可以通过调节两者之间的间隙来调节磁阻；对传感器的结构还采用了三次设计法进行优化，设计出性价比高的传感器13。另一方面对传感器的测量电路系统也不断的优化改进，采用具有高精度和高稳定性的元器件使测量电路的性能更加优化，从而使传感器的性能得到改善提高；传感器与计算机之间的数据接口采用全数字化接口技术，传感器输出的模拟信号经过模数转换器从而转换成计算机可以识别的数字信号，然后传输给计算机，确保了信号的准确性14。 为了应对国外电感式传感器价格昂贵，机械加工要求比较苛刻的特别，国内很多高等院校研究机构以及科研单位在从事电感测微系统的研制和开发。其中比较有代表性的是中原量仪生产的 数显电感传感器，把它们与该厂生产的 型或 电感测量头组合，可以应用到机械加工中的精密测量15。除此之外还有北京时代仪器集团生产的 粗糙度仪，上海量具刃具厂生产的 00 型轮廓测量仪、 圆度仪。尽管从性能来看，国内生产的电感测微系统与国外相比还有比较大的引 言 7 差距，但是在机械加工技术迅猛发展的今天，随着国内传感技术理论与加工技术的飞速发展，与国外的差距将会越来越小。 感式位移传感器的发展前景 传感器是指敏感元件将周围的信号变化转换成模拟电信号，换句话说就是把被测量到转变成为可用电信号的一套完整的测量装置。早期的结构型敏感元件利用物质的机械尺寸或形状受外界环境引起的变化来探测外界物质世界的参量。 1860 年，自从人类发明了利用铜线圈电阻变化检测温度开始，揭开了人类对传感器研究的序幕。随着电子技术的进步，出了热敏电阻、热电偶、雅典敏感元件等。 20 世纪 70 年代，微电子技术促进了各种半导体传感器的发展2 80 年代初期，集成传感器和智能传感器成为了电感器的主流，它们主要是充分采用了微电子技术和集成电路技术的发展。 90 年代开始，微电子技术的进步促进了微机械技术(兴起和发展16使传感器微小型化、生产批量成为主流，传感技术得以迅猛发展。 传感器技术涉及的知识面广泛，与工程物理学、半导体物理学、材料科学、工程力学和相关的化学、生物学等许多学科的理论知识和积累的成果有关联，又与电子学、集成电路技东北农业大学工学硕士学位论文 8 术、电子信息处理技术、物联网技术等密切相关20传感器检测技术是主要是效仿人类的感觉器官的感应能力，是人类观察自然和测量自然界各种现象的电路手段。人类通过视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉来获得外部信息，而检测技术则通过不同的传感器获得外部信息，其范围和能力远远超过了人类。为了满足科技的发展急需研制出一批新颖、先进的传感器。传感器领域的主要技术将伴随着电子工艺以及集成技术的发展而进一步得到延伸和提高，电感技术的发展将会推进新一代传感器的开发和产业化。 随着自动化程度的不断提高，人们的生活水平的不断改善，电感式位移传感器的需求量也在不断扩大。技术的革新和产品的需求决定了未来电感式传感器技术的发展主要体现在以下三个方向： 第一：在新材料、新工艺、新原理等方面研制新型的电感式位移传感器。 人们在研究各种物理(化学或生物)法则和效应的基础上，发展具有性价比高、功能齐全、微型化电感传感器的主要途径是， 进一步探讨开发各种新型具有不用效用功能的敏感型材料，从而研究设计出具备新原理的电感式传感器。 制作材料之间的差异影响了传感器本身的性能， 这就决定了制作传感器的材料需要具有比较好的机械特性，不能有材料缺陷，比如半导体硅引 言 9 材料、石英晶体材料、功能陶瓷材料和形状记忆合金材料等。传感器加工技术日益精微细化，如使用微机械加工( 艺和纳米技术，可使被加工的面干架构的尺寸达到微米、亚微米级，从而制造出性价比高的传感器22针对传感器技术的发展特点，传感器技术充分体现了其综合性，应用传感器时需要针对传感器的工作机理有针对性地建立仿真模型并进行细致的模拟计算。由于仿真分析在传感器的设计中是至关重要的环节因此传感器仿真技术在传感器技术领域中的地位日益突出。 第二：实现电感式位移传感器的微型化、集成化、多功能化、高精度和智能化。 利用各向异性腐蚀，牺牲层技术和 艺制造出三维微结构并与特殊用途的薄膜个高性能的集成电路相结合，用于制造各种微型传感器。采用单芯片集成技术将传感器的敏感结构以及检测电路进行集成设计，有效的解决了多个芯片组合时管脚引线带入的寄生效应，改善器件性能，以成为现在传感器技术研究的主流方向之一24一般的传感器通常只能实现对一个变量进行测量。近年来，随着人类生产实践的需要，现在的传感器需要具备能对多个参数进行检测的功能。智能化传感器使信息的采集与信息的记忆、存储、综合与处理实现一体化。简单来说，就是传感器与外围电路、微机系统实现一体化，使传感器具有了双向通东北农业大学工学硕士学位论文