电感式位移传感器应用电路设计

东北石油大学 课 程 设 计 2015 年 7 月 8 日 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 学生姓名 学生学号 指导教师 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 测控技术与仪器 姓名 祖景瑞 学号 120601240222 主要内容：主要内容： 本设计要完成电感式位移传感器应用电路的设计，通过学习和掌握电感式传 感器的原理、工作方式及应用来设计一个电路。电路要能够检测一定范围内位移 的测量，并且能够通过 LED 进行数字显示。位移传感器又称为线性传感器，常用 的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。 基本要求：基本要求： 1、能够检测 020cm 的位移； 2、电压输出为 15V； 3、电流输出为 420mA； 主要参考资料：主要参考资料： 1 贾伯年，俞朴.传感器技术M.南京：东南大学出版社，2006：68-69. 2 王煜东. 传感器及应用M.北京：机械工业出版社，2005：5-9. 3 唐文彦.传感器M.北京：机械工业出版社，2007: 48-50. 4 谢志萍.传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社，2002:80-90. 完成期限 2015.7.42015.7.8 指导教师 专业负责人 2015 年 7 月 1 日 摘 要 测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、 智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传 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以及基于光学的干涉测量法，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。电感式位移传感器具有无滑动触 点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种 恶劣条件下。电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控 制方面。针对目前电感式位移传感器的应用现状，本文提出了一种电感式位移传 感器的设计方法，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点，可以 广泛应用于机械位移的测量与控制。 关键词：电感式传感器；自感式传感器；结构简单；成本低 目 录 一、设计要求一、设计要求 .1 1 二、方案设计二、方案设计 .1 1 1、方案说明.1 1 2、方案论证 .1 1 三、传感器工作原理三、传感器工作原理 .2 2 四、电路的工作原理四、电路的工作原理 .4 4 五、单元电路设计、参数计算和器件选择五、单元电路设计、参数计算和器件选择 .5 5 1、单元电路设计 .5 5 2、参数计算 .6 6 3、器件选择 .6 6 六、总结六、总结 .7 7 参考文献参考文献 .8 8 电感式位移传感器应用电路设计 一、设计要求 本设计要应用电感式传感器的原理来设计一个位移传感器的应用电路，要求 能够检测能够检测 020cm 的位移；电压输出为 15V；电流输出为 420mA；并 且能够通过 LED 进行数字显示，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低 等优点。 二、方案设计 1、方案说明 利用电感式传感器的原理设计一个位移传感器的应用电路，设计的总体模块 主要由直流稳压电源、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显示电路等构成。总体设计框图如下： 图图 1 1 电感式位移传感器的设计总体框图电感式位移传感器的设计总体框图 2、方案论证 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 的螺管线圈、衔 铁和磁性套筒等组成。随着衔铁插入的深度的不同将引起线圈泄露路径中磁阻变 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 化，从而使线圈的电感发生变化。根据磁路结构，磁通主要由两部分构成：沿轴 向贯穿整个线圈后闭合的主磁通m和经衔铁侧面气隙闭合的侧磁通s。因气隙较 大，故磁性材料的磁阻可忽略不计。 图 2 螺管式自感传感器原理图 侧磁通通过衔铁侧面与线圈交链，交链部分只是衔铁侧面遮盖部分的线圈。 在线圈的轴向不同位置处，磁势是不同的，且交链到的线圈匝数也不一样。由图 5可知离线圈端面 x 处的磁势，根据两同心圆柱面磁极间的磁导计算公式，可得 半径为 ra 的衔铁与内径为 D 的磁性套筒间的比磁导。于是，可得微分单元磁 导以及x 处的微分单元磁通。整个线圈的总磁链为主磁链和侧磁链之和。由于传 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的一定范围内主磁 通近似不变。这时，衔铁位移仅引起侧电感 Ls 变化。 图 3 磁通半径作用修正系数 三、传感器工作原理 测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、 智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传 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以及基于光学的干涉测量法，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。 电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，将直线或角位移的变化 转换为线圈电感量变化，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当 金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器 输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。电感 式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功 耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。电感式位移传感器主要应用在自动化装 备生产线对模拟量的智能控制方面。 电感式传感器的特点是：（1）无活动触点、可靠度高、寿命长；（2）分辨 率和灵敏度高，能测出 0.01 微米的位移变化；（3）传感器的输出信号强，电压 灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。（4）线性度高、重复性好，在 一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达 0.05%0.1%；（5）测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；（6）无输入时有零 位输出电压，引起测量误差；（7）对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高； （8）频率响应较低，不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量 和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应 变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、 变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高 线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 自感式传感器是把被测量变化转换成自感 L 的变化，通过一定的转换电路转 换成电压或电流输出。传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相连，当 动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线 圈电感值发生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯的位移量的大小和 方向。 图 4 自感式传感器工作原理示意图 由于 （1） ,LIN m （2） m m mm R F NIF, 所以 （3） m R N L 2 式中：N线圈匝数； Rm磁路的总磁阻。 四、电路的工作原理 如下图直流稳压电源为整个电路提供电源： 图 5 电感式位移传感器的直流稳压电源 图 6 电感式位移传感器的具体电路图 直流稳压电源为整个电路提供电源，图6 中 IC2 构成电压跟随器，产生并 输出提供给模拟电路电位公共点；IC3 构成方波信号发生器，在电路中产生方波 电压提供给电感式传感器，电感式传感器接成桥式电路，电桥输出的不平衡电压 与传感器中衔铁位移成正比。电桥输出的信号比较小，则需图 6 中 IC1 差动放 大电路放大到一定程度才能工作。需图 3 中 IC3 与中功率三极管 T 组成电压 -电流（V/I）转换电路，产生电流通过 6 脚输出，提供给双积分 A/D 转换器， 然后再在 LED 显示器上显示出来 图 7 数字电压表接线图 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 1、单元电路设计 信号转换电路：信号转换电路的功能是将传感器输出的交流电压信号转换为 相应的直流电压信号。信号转换电路的设计直接影响到整个测头电路系统的测量 精度，是测头电路系统的核心部分。传感器为线性差分式位移传感器，它的输入 为磁芯的机械位移，输出为与磁芯位置成正比的交流电压信号。传感器初级线圈 由外部参考正弦波信号源激励，两个次级线圈反向串联，磁芯的移动可改变初级 线圈之间的耦合磁通，从而产生两个幅值不同的交流电压信号。 运算放大电路及滤波输出电路：运算放大电路及滤波输出电路对经转换后的 信号不同的交流电压进行进一步调节，可很好地匹配，并满足下一级电路的处理 需求。滤波输出电路由一个二阶“”型滤波电路构成，在满足滤波精度要求的 前提下，可保证较短的延迟时间。 窗口电压比较电路：窗口电压比较电路的功能是实时显示测头运动状态。它 由多个不同参数的比较电路单元构成，将滤波输出后的电压信号分别与每个比较 单元的参考电压值进行比较，从而实时反映测头不同的运动状态。 2、参数计算 标定公式如下： （4bSKU ） 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。 由标定记录可得到： 1） 测头的灵敏度 左齿面： - 010186 mV /mm; 右齿面： 010183 mV /mm. 2） 测头位移量线性测量范围 左齿面： 31251112m; 右齿面： 41150717m. 3） 零位电压值偏移量 左齿面： 41412 mV; 右齿面： 51027 mV. 实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（ 500 m） , 满足 891EA 齿轮测量中心的测量需求。 3、器件选择 R1、C1 为时钟振荡的 RC 网络。 R2、R3 是基准电压的分压电路，R2 是可调电阻，R3 是固定电阻。调整 R2 使基准电压 VREF=100.0mV。R2 一般采用精密多圈电位器。 R4、C3 为输入端阻容滤波电路，以提高仪表的抗干扰能力，并能增强仪表 的过载能力。因 7107 输入阻抗很高，输入电流极小，故可取 R4=1M，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。 系统需要的元器件清单 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 该设计的电路模块主要包括直流稳压电源、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，容 易实现。短短的一个星期的课程设计让我受益颇多。虽然课程设计对我们来说还 比较困难，但是我们并没有因此而退缩，而是凭着一丝不苟和持之以恒的精神， 如期完成了任务。 通过这次传感器课程设计，让我对传感器的相关知识有了进一步的了解，特 别是对位移传感器这个方面的知识更是收获不少。课程设计不仅拓展了我们的知 识，而且更让我们切身认识到所学知识的用途，传感器做为自动控制系统中不可 缺少的部分，在测控理论中也起着非常重要的作用，让我们充分认识到它的重要 性。我相信通过或这次课程设计，将会对我们今后的工作或多或少的带来帮助。 希望以后能够有更多实践的机会，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。 参考文献 1 贾伯年，俞朴.传感器技术M.南京：东南大学出版社，2006：68-69 . 2 王煜东. 传感器及应用M.北京：机械工业出版社，2005：5-9. 3 唐文彦.传感器M.北京：机械工业出版社，2007: 48-50. 4 谢志萍.传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社，2002:80-90. 5 张国维.测控电路M.北京：机械工业出版社,2007. 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，2004. 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12