低频电涡流传感器测量电路设计

1、低频电涡流传感器测量电路设计 摘 要 随着现代科学技术的迅猛发展，现今在工业生产中所运用钢板测厚的方法有各种各 样，本篇论文简要的介绍了这些方法，并且设计了一个电路通过低频电涡流传感器来实 行测量钢板厚度。 通过本篇论文，让我们知道了电涡流传感器基本原理和优点，并且详细介绍了低频 电涡流传感器原理、ADC模-数转换原理、运放的原理和单片机的原理和作用。并且简要 的介绍了电路设计中所要用到的ADC、运放（op07和ICL7650）和单片机MSP430F149。 关键词：电涡流传感器，关键词：电涡流传感器，op07op07运放，运放，ICL7650ICL7650运放，运放，MSP430F149MS

2、P430F149单片机单片机 THE DESIGN OF STEEL PLATE THICKNESS ON LINE MEASURING SYSTEM BASED ON EDDY CURRENT ABSTRACT With the developing of modern science and technology rapidly. There are so many steel plate thickness online measuring system in the industry. This paper introduces the one of system which is e

3、ddy current sensor in online thickness measurement for steel plate in the producing industry. And introduces the application of eddy current sensor in online thickness measurement for steel plate,design of adapting system, and briefly describes the structure of single - chip computer system(MSP430F1

4、49SCM), ADC system and OPAMP(op07，ICL7650) which make the data in my design Key words: eddy current sensor，op07，ICL7650，MSP430F149SCM 目 录 摘 要- 2 - ABSTRACT- 3 - 第 1 章: 绪论 - 5 - 1.1 非电量电测技术- 5 - 1.2 非电量电测系统的组成- 5 - 1.3 非电量电测技术的发展趋势- 5 - 1.4 测量钢板厚度方法介绍- 6 - 1.4.1 超声波测厚仪- 6 - 1.4.2 磁吸力测量原理及测厚仪- 6 - 1.4

5、.3 磁感应测量原理- 6 - 1.4.4 电涡流式传感器- 7 - 第 2 章 电涡流传感器相关技术和测厚基本原理- 8 - 2.1 电涡流传感器基本原理- 8 - 2.2 电涡流传感器的等效电路- 9 - 2.3 涡流传感器的种类- 11 - 2.3.1 高频反射式电涡流传感器- 11 - 2.3.2 低频透射式电涡流传感器- 13 - 2.4 低频电涡流传感器测厚设计- 14 - 第 3 章 信号采集设计- 16 - 3.1 放大电路原理- 16 - 3.2 集成运算放大器- 16 - 3.2.1 ICL7650 斩波稳零运算放大器- 19 - 3.2.2 OP-07 低噪声非斩波稳零的

6、双极性运算放大器- 21 - 3.3 ADC 模数转换和单片机- 23 - 3.3.1 ADC 模数转换简介- 23 - 3.3.2 单片机简介- 23 - 3.3.3 MSP430F149 单片机- 24 - 3.4 测量信号系统总体设计- 26 - 第四章 结论- 27 - 第五章 谢 辞- 28 - 参考文献：- 29 - 附录 A- 30 - 第 1 章: 绪论 1.11.1 非电量电测技术非电量电测技术 在科学技术的发展过程中，一些研究成果，必须通过实验来证实它的结果，这就需 要有一定的测量手段来完成；在工业生产过程中，为了保证能正常、高效率的生产，也 要有一定的测量手段进行检查或监

7、视，这些测量手段就是仪器仪表。中国有句古话： “工欲善其事，必先利其器” ，用这句话来说明仪器仪表在科学技术中的重要性是很恰当 的，所谓“事” ，就是指现代化科学技术，而“器”则是指仪器仪表、工具等。所以说现 代化的仪器仪表室科学实践和生产实践的必要手段，它的水平高低，也是科学技术现代 化的重要标志，没有现代化得仪器仪表，要发展国名经济是会有一定困难的。 近二、三十年来，由于电子技术的飞速发展，对电量的测量技术相应地得到提高， 如准确度高、灵敏度高、反应速度快、能连续进行测量、便于自动记录等。可是在科学 技术和工程上所要测量的参数大多为非电量，如机械量（位移、尺寸、力、振动、速度 等） ，热工

8、量（温度、压力、流量、物位等） ，成分量（化学成分、浓度等）和状态量 （颜色、透明度、磨损量、裂纹等） ，因而促使人们研究用电测的方法来测量非电量，这 样就形成了一门叫做“非电量电测技术”的测试技术。 1.2非电量电测系统的组成非电量电测系统的组成 作为一个完整的非电量电测系统，也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个 部分。一般包括传感器、测量电路、放大电路、指示器、记录仪等几部分组成。 传感器是一个把被测的非电量变换成电量的装置，它在非电量电测系统中占有重要 的位置。它获得信息的正确与否，关系到整个测量系统的精度，如果传感器的误差很大， 后面的测量电路、放大电路、指示仪等的精度再高也将难

9、以提高测量系统的精度。 测量电路的作用是把传感器的输出变量变成电压或电流信号，使能在指示仪上指示 或在记录仪中记录。 1.31.3 非电量电测技术的发展趋势非电量电测技术的发展趋势 非电量电测技术虽然已经得到广泛的应用，但是随着现代科学技术的发展，对它提 出了越来越高的要求，应测得到了迅速的发展。当前出了不断提高性能、可靠性外，总 的趋向是小型化、智能化、图像化、无接触化、多功能化、具体说，有以下几个方面。 a)不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。 b)开发传感器的新型敏感元件材料 c)微电子技术、微处理器与传感器结合，使仪器智能化。 d)研究多维化、多功能化的仪器。、 e)研究无接触测

10、量技术。 f)研究新型原理的传感器。 1.41.4 测量钢板厚度方法介绍测量钢板厚度方法介绍 随着测量技术不断的发展，测量钢板厚度的方法也多种多样，下面让我们具体来来 介绍下现今工业中常用的几种方法。 1.4.11.4.1 超声波测厚仪超声波测厚仪 超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉 冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中 传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材 料均可采用此原理测量。按此原理设计的测厚仪可对各种板材和各种加工零件作精确测 量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进

11、行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀 后的减薄程度。可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。 1.4.21.4.2 磁吸力测量原理及测厚仪磁吸力测量原理及测厚仪 永久磁铁（测头）与导磁钢材之间的吸力大小与处于这两者之间的距离成一定比例 关系，这个距离就是覆层的厚度。利用这一原理制成测厚仪，只要覆层与基材的导磁率 之差足够大，就可进行测量。鉴于大多数工业品采用结构钢和热轧冷轧钢板冲压成型， 所以磁性测厚仪应用最广。测厚仪基本结构由磁钢，接力簧，标尺及自停机构组成。磁 钢与被测物吸合后，将测量簧在其后逐渐拉长，拉力逐渐增大。当拉力刚好大于吸力， 磁钢脱离的一瞬间记录下拉力的大小即可

12、获得覆层厚度。新型的产品可以自动完成这一 记录过程。不同的型号有不同的量程与适用场合。这种仪器的特点是操作简便、坚固耐 用、不用电源，测量前无须校准，价格也较低，很适合车间做现场质量控制。 1.4.31.4.3 磁感应测量原理磁感应测量原理 采用磁感应原理时，利用从测头经过非铁磁覆层而流入铁磁基体的磁通的大小，来 测定覆层厚度。也可以测定与之对应的磁阻的大小，来表示其覆层厚度。覆层越厚，则 磁阻越大，磁通越小。利用磁感应原理的测厚仪 ，原则上可以有导磁基体上的非导磁覆 层厚度。一般要求基材导磁率在 500 以上。如果覆层材料也有磁性，则要求与基材的导 磁率之差足够大（如钢上镀镍）。当软芯上绕着

13、线圈的测头放在被测样本上时，仪器自 动输出测试电流或测试信号。早期的产品采用指针式表头，测量感应电动势的大小，仪 器将该信号放大后来指示覆层厚度。近年来的电路设计引入稳频、锁相、温度补偿等地 新技术，利用磁阻来调制测量信号。还采用专利设计的集成电路，引入微机，使测量精 度和重现性有了大幅度的提高（几乎达一个数量级）。现代的磁感应测厚仪，分辨率达 到 0.1um，允许误差达 1%，量程达 10mm。磁性原理测厚仪可应用来精确测量钢铁表面的 油漆层，瓷、搪瓷防护层，塑料、橡胶覆层，包括镍铬在内的各种有色金属电镀层，以 及化工石油待业的各种防腐涂层 1.4.41.4.4 电涡流式传感器电涡流式传感器

14、 我们知道，通过金属导体中的磁通发生变化时，就会在导体中产生感应电流，这种 电流的流线在金属体内自行闭合，通常就称它为电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部 分磁场能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，电涡流式传感器就是基于这种电涡 流效应。这种传感器不但具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质 的影响，结构简单，安装方便等特点，而且又具有非接触测量的优点。 本论文将重点介绍电涡流式传感器测量钢板厚度的原理和测量方法。 第 2 章 电涡流传感器相关技术和测厚基本原理 在金属板材的轧制过程中，成品的厚度是最重要的物理指标之一，目前国内的钢铁 和有色金属行业多采用非接触式的测厚系统，如

15、射线式、电容式等等，其中射线测厚系 统有一定的应用，但其存在着射线管的老化和易损问题，高压发生器的准确度和稳定性 以及整套设备造价过于昂贵，而电容式测厚系统则受引线电容、寄生电容的干扰较大， 不易消除。 建立在电涡流效应原理上的测量技术具有结构简单，频率响应带宽，灵敏度高，线 性范围大，体积小等优点，在这里我们将设计一个低频电涡流传感器测试厚度的测量电 路。 2.12.1电涡流传感器基本原理电涡流传感器基本原理 在图2-1中，如果有一块电导体率为、磁导率为、厚度为t、温度为T的金属板， 离此金属板x处有一个半径为r的线圈，当线圈中通以正弦交变电流时，线圈的周围空间 就产生了正弦交变磁场H1。此

16、时，置于次磁场中的金属板中将产生感应电动势，从而形 成电涡流。这个电涡流必然引起线圈的阻抗Z变化，它的作用过程可以用图2-2的麦克斯 韦电磁方程式流程图来表示。 图 2-1 电涡流作用原理 图 2-2 麦克斯韦电磁方程式流程图 显然，线圈阻抗的变化即与电涡流效应有关，又与静磁学效应有关。也就是说，与 金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到金 属导体的距离等参数有关。假定金属导体是均质的，其性能是线性和各向同性的，则线 圈-金属导体系统的物理性质通常可由磁导率 、电导率 、尺寸因子 r、t 及 x、激 励电流 I 和频率 等参数来描述，线圈的阻抗 Z 可用如下

17、函数表示： （，） 如果控制上式中的某些参数恒定不变，而只改变其中的一个参数，这样阻抗就成为 这个参数的单值函数。特别是在 、 恒定不变时，阻抗就成 为距离的单值函数。因此，电涡流式传感器完整地看应是一个载流线圈加上金属半导 体。 2.22.2电涡流传感器的等效电路电涡流传感器的等效电路 要精确地列出线圈阻抗与线圈到被测体距离等参数之间的函数关系是比较困难。我 们可以把金属导体形象地理解为一个短路线圈，它与传感器线圈磁性相联。这样可以得 到图 2-3 所示的等效电路图。线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数 M，次互感系数 随着间距 X 的缩短而增大。图中 R1 和 L1 为线圈的电阻和电感，

18、R2 和 L2 为金属导体的电 阻和电感，U 为激励电压。 图图 2-32-3 根据克希霍夫定律，可列出下面的方程： （2-1） （2-2） （2-3） 传感器线圈的等效阻抗为： （2-4） 线圈的等效电阻和电感为： . 1 . 1 . UIMjILjIR 0 . 11 . 11 . ILjIRIMj 11 . . 1 LjR IMj I 1 2 1 2 1 22 1 2 1 2 1 22 . 1 2 1 2 1 11 22 . 1 11 . 1 . L LR M LjR LR M R U LR LjRM LjR U LjR Mj MjLjR U I 1 2 1 2 1 22 1 2 1 2

19、1 22 . . 1 L LR M LjR LR M R I U Z 1 2 1 2 1 22 R LR M RReq 1 2 1 2 1 22 L LR M LLeq （2-5） 当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗 Z、电感 L 和品 质因数 Q 变化，测量 Z、L 或 Q 就可求出被测量参数的变化。 2.32.3涡流传感器的种类涡流传感器的种类 电涡流在金属导体内的渗透深度为: （2-6） 说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式 传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。 2.3.12.3.1

20、高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器 高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属 板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自 感 L 或阻抗 ZL 的变化。线圈自感 L 或阻抗 ZL 的变化与距离该金属板的电阻率 、磁导 率 、激励电流 i 及角频率 等有关，若只改变距离 而保持其它参数不变，则可将 位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。 图 2-4 f h r 5030 根据等效电路，可列出电路方程组为 （2-7） (2-8) (2-9) 等效电阻 (2-10) 等效电感 (2-11) 线圈的

21、品质因数由无涡流时的 下降为 (2-12） 由此可见，被测量数变化可以转换成传感器线圈的等效阻抗 Z、等效电感 L 及品质因 素 Q 等的变化。通过转换电路可把这些种参数转换为电压或电流输出。 高频反射式涡流传感器多用于位移测量。由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线 圈可粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。下图为 CZF1 型涡流传感器的 结构原理，它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。 解此方程组可得电涡流传感器的等效阻抗为 电涡流传感器的等效阻抗可表示为 2222 1 1212 222222 12222 j UMM ZRRLL IRLRL jZRL 22 12 222 22 M

22、 RRR RL 22 12 222 22 M LLL RL 1 1 R L Q 22 2 222 1122 22 21 222 122 1 1 LM LLRLL Q RMRR RRL 1 11 121 22221 jj jj0 R IL IMIU R IL IMI 1 线圈； 2框架； 3框架衬套； 4支架； 5电缆； 6插头 ie d M e 图 2-5 传感器的结构示意图 高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场 i，当被测导体靠近时，在磁场作用范 围的导体表层产生电涡流 ie，而电涡流又将产生一交变磁场 e 阻碍外磁场的变化。在 被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量

23、损耗使传感器的 Q 值和等效阻抗 Z 降低，因此当被测体与传感器间的距离 d 改变时，传感器的 Q 值和等效 阻抗 Z、电感 L 均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。 2.3.22.3.2低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 图 2-6 发射线圈 L1 和接收线圈 L2 分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小， 渗透深，当低频(音频范围)电压 u1 加到线圈 L1 的两端后，所产生磁力线的一部分透过 金属板,使线圈 L2 产生感应电动势 u2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势 u2 减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势 u2

24、越小。因此，u2 的大小与金属 板的厚度及材料的性质有关.试验表明 u2 随材料厚度 h 的增加按负指数规律减少,因此， 若金属板材料的性质一定，则利用 u2 的变化即可测厚度。 2.42.4低频电涡流传感器测厚设计低频电涡流传感器测厚设计 根据低频电涡流传感器的工作原理得知金属体上的电涡流贯穿深度t与床干起线圈激 励电流的频率有关。频率越低，贯穿深度越厚。因此，采用低频电流激励时，可以测量 金属体的厚度。 要生成1KHz低频，把电涡流传感器作为振荡的一个主要元件, 将传感器线圈与固定 电容并联组成L C 并联谐振回路, 其振荡频率 (2-13) 图 2-7 上图为 1KHz（取电容为 320

25、pF、电感为 80uF）低频电涡流测厚仪的简单电路设计， 图中 L1 为发射线圈和 C1 产生 1KHz 震荡，L2 为接受线圈。被测材料 D 的厚度不同时，L1 所产生的低频交变磁场能贯穿钢板与 L2 想耦合的磁通量也不同。当激励频率 f(1KHz), L1、L2 的圈数、结构以及它们的相对位置一定时，线圈 L2 上产生的感应电动势 U2 大小 就与被测材料厚度 d 成反比。 图 2-8 上图是感应电动势 u2 与钢板厚度的曲线图，有图得知： 频率越低（f1f2f3）磁通穿透能力越强，在接受线圈上感应的电压 u2 也越高， 且频率较低时，线性较好，因此要求线性好时应选择较低的激励频率(通常为

26、 1kHz 左右) d 较小时，f3 曲线的斜率较大，因此测薄板时应选较高的激磁频率，测厚板时应 选较低的激磁频率。 低频透射式涡流传感器的检测范围可达 1mm100mm，分辨率为 0.1。 第 3 章 信号采集设计 当钢板厚度的不同，低频电涡流接收线圈产生的感应电动势也会有相应变化，我们 可以通过放大电路、ADC 和单片机处理来读取变化，来得出实际所测钢板的厚度。 图 3-1 结构图 3.13.1 放大电路原理放大电路原理 放大电路的应用十分广泛，无论日常使用的收音机、扩音器，或者精密的量测仪器和 复杂的自动控制系统等，其中通常都有各种各样的放大电路。在这些电子设备中，放大 电路的作用是将微

27、弱的信号放大，以便于人们量测和利用。例如，从收音机天线接收到 的信号，或者人传感器得到的信号，有时只有微伏升毫伏数量级，必须经过放大才能驱 动喇叭发出声音，或者驱动批示设备和执行机构，便于进行观察、记录和控制。 所谓放大，表面看来是将信号的幅度由小增大，但是在电子技术中，放大的本质首 先是实现能量的控制。由于输入信号（例如从天线或传感器得到的信号）的能量过于微 弱，不足以推动负载（例如喇叭或批示仪表、执行机构），因此需要在放大电路中加另 外提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出圈套的能量，然后推 动负载。这种小能量对大能量的控制作用就是放大作用。 3.23.2 集成运算放大器

28、集成运算放大器 集成电路（integrated circuit,IC）是采用一定的工艺，把电路中所需要的管子、 电阻、电容等元器件及电路的连线都集成制作在一块半导体基片上，再封装在一个管 壳内，成为具有所需功能的模块。自 60 年代集成电路发展以来，被获得广泛地应用、集 成电路按性能和用途的不同，可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类、集成运算放 大器（integrated operational amplifier）是属于模拟集成电路的一种。 图 3-2 理想运放 的图形符号 按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。 1通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用为目的而

29、设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、 产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。 2高阻型运算放大器 这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般 rid1G1T,IB 为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输 入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用 FET 作输入级,不仅输入阻 抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。 3低温漂型运算放大器 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且 不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。 4高速型运算放大

30、器 在快速 A/D 和 D/A 转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率 SR 一定 要高,单位增益带宽 BWG 一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合 的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。 5低功耗型运算放大器 由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用 范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。 6高压大功率型运算放大器 运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的 最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运 放外部

31、必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出 高电压和大电流。 7.可编程控制运算放大器 在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题。为了得到固定电压得输出,就必须 改变运算放大器得放大倍数。 而运放放大器的主要参数可分为： 1.共模输入电阻(RINCM) 该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的 变化量之比。 2.直流共模抑制(CMRDC) 该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。 3.交流共模抑制(CMRAC) CMRAC 用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模 开环增益除

32、以共模开环增益的函数。 4.增益带宽积(GBW) 增益带宽积 AOL * 是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以- 20dB/十倍频程滚降的区域。 5.输入偏置电流(IB) 该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。 6.输入偏置电流温漂(TCIB) 该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。TCIB 通常以 pA/C 为单位表 示。 7.输入失调电流(IOS) 该参数是指流入两个输入端的电流之差。 8.输入失调电流温漂(TCIOS) 该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS 通常以 pA/C 为单位 表示。 9.差模输入电阻(RIN) 该参数表

33、示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流 的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。 10.输出阻抗(ZO) 该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。 11.输出电压摆幅(VO) 该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，VO 一 般定义在特定的负载电阻和电源电压下。 12.功耗(Pd) 表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，Pd 通常定义在空载情况下。 13.电源抑制比(PSRR) 该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，PSRR 通常用 电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化

34、量表示。 14.转换速率/压摆率(SR) 该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR 通常以 V/s 为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。 15.电源电流(ICC、IDD) 该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。 16.单位增益带宽(BW) 该参数指开环增益大于 1 时运算放大器的最大工作频率。 17.输入失调电压(VOS) 该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。 18.输入失调电压温漂(TCVOS) 该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以V/C 为单位表示。 19.输入电容(CIN) CIN 表示

35、运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容(另一输入端接地)。 20.输入电压范围(VIN) 该参数指运算放大器正常工作(可获得预期结果)时，所允许的输入电压的范围，VIN 通常定义在指定的电源电压下。 21.输入电压噪声密度(eN) 对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压 源，eN 通常以 nV / 根号 Hz 为单位表示，定义在指定频率。 22.输入电流噪声密度(iN) 对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入 端和公共端，通常以 pA / 根号 Hz 为单位表示，定义在指定频率。 3.2.13.2.1ICL7650ICL

36、7650 斩波稳零运算放大器斩波稳零运算放大器 ICL7650 是 Intersil 公司利用动态校零技术和 CMOS 工艺制作的斩波稳零式高精度运 放，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性 能稳定及价格低廉等优点。 1.1. 芯片结构芯片结构 ICL7650 采用 14 脚双列直插式和 8 脚金属 壳两种封装形式。 图 3-3 ICL7650 的引脚排列图 图 3-3 所示是最常用的 14 脚双列直插式封装的引脚排列图。各引脚的功能说明如下： CEXTB：外接电容 CEXTB； CEXTA：外接电容 CEXTA； IN：反相输入端； IN：同相输入端； V

37、：负电源端； CRETN：CEXTA 和 CEXTB 的公共端； OUTCLAMP：箝位端； OUTPUT：输出端； V：正电源端； INTCLKOUT：时钟输出端； EXTCLKIN：时钟输入端； 时钟控制端，可通过该端选择使用内部时钟或外部时钟。当选择外部时 钟时，该端接负电源端（V），并在时钟输入端（EXTCLKIN）引入外部时钟信号。当该 端开路或接 V时，电路将使用内部时钟去控制其它电路的工作。 2.2. 工作原理工作原理 ICL7650 利用动态校零技术消除了CMOS 器件固有的失调和漂移,从而摆脱了传统斩 波稳零电路的束缚,克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点。 ICL7650的工

38、作原理如图3-4所示。图中，MAIN是主放大器（CMOS运算放大器）， NULL是调零放大器（CMOS高增益运算放大器）。电路通过电子开关的转换来进行两个阶 段工作，第一是在内部时钟（OSC）的上半周期，电子开关A和B导通，和C 断开,电路 处于误差检测和寄存阶段;第二是在内部 时钟的下半周期,电子开关和C导通,A和B断 开,电路处于动态校零和放大阶段。 图 3-4 ICL7650 工作原理图 由于ICL7650中的NULL运算放大器的增益A0N一般设计在100dB左右，因此，即使主运 放MAIN的失调电压VOSN达到100mV，整个电路的失调电压也仅为1V。由于以上两个阶段 不断交替进行，电

39、容CN和CM将各自所寄存的上一阶段结果送入运放MAIN、NULL的调零端， 这使得图2所示电路几乎不存在失调和漂移，可见，ICL7650是一种高增益、高共模抑制 比和具有双端输入功能的运算放大器。 3.2.23.2.2OP-07OP-07 低噪声非斩波稳零的双极性运算放大器低噪声非斩波稳零的双极性运算放大器 Op07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于 OP07 具有非常 低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25V），所以 OP07 在很多应用场合不需要额外 的调零措施。OP07 同时具有输入偏置电流低（OP07A 为2nA）和开环增益高（对于 OP07A 为 3

40、00V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增 益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 OP07 特点： 超低偏移： 150V 最大 。 低输入偏置电流： 1.8nA 。 低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时间： 2V/month 最大 高电源电压范围： 3V 至22V OP07OP07 引脚图引脚图 图 3-5 OP07 管脚图 O OP07 芯片引脚功能说明： 1 和 8 为偏置平衡(调零端)，2 为反向输入端，3 为正向输入端，4 接地，5 空脚 6 为输 出，7 接电源+ OP07 电气参数见表 3-1。 表 3-1 3.33.3 ADCA

41、DC 模数转换和单片机模数转换和单片机 3.3.13.3.1ADCADC 模数转换简介模数转换简介 随着数字电子技术的发展，特别是数字电子计算机的广泛应用，用数字电路处理模 拟信号的情况越来越多。用数字电路处理模拟信号时，必须先将模拟量转换成数字量， 这是由模拟-数字转换器来实现的。 ADC（analog to digital converter）是数字控制系统中不可缺少的组成部分，也 是计算机用于工业控制的重要接口电路。除计算机应用外，ADC 也是所有数字测量仪器的 核心，因为一个模拟量要用数字量显示出来，必须要将模拟量转换成数字量。 3.3.23.3.2单片机简介单片机简介 单片机也被称为

42、微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。 单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设 备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严 格的控制设备当中。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系 统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学 习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最 佳选择。 目前单片机

43、渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。 导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化 过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统， 录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开 单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学 习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化 管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用

44、2.在工业控制中的应用 3.在家用电器中的应用 4.在计算机网络和通信领域中的应用 5.单片机在医用设备领域中的应用 6.在各种大型电器中的模块化应用 7.单片机在汽车设备领域中的应用 3.3.3MSP430F149MSP430F149 单片机单片机 德州仪器公司的 MSP430 系列是一种特低功耗的混合信号微控制器（ Mixed Signal Microcontrollers ）家族，其中包括几种器件，它们是由针对各种应用的不同的模块组 成的。这些微控制器被设计成可用电池工作且可应用很长时间的器件。具有 16 位 RISC 结构，CPU 中的 16 位寄存器和常数产生器，使 MSP430 能

45、具有最高的代码效率。数字控制的振荡器可使器件从低功耗方式迅速唤醒，在少于 6s 的时间内达到激活方式。 MSP430 x13x 和 MSP430 x14x 系列是一种内部配置两个 16 位定时器、一个高速 12 位 A/D 转换器、一或两个通用串行同步/异步通信接口（ USART ），有 48 个 I/O 引脚的微控制器。 典型应用包括捕捉模拟信号的传感系统，将模拟信号转换成数字值，然后处理数据 并将它们传送给主系统。内部的定时器使得这些配置很适合于工业控制应用，例如纹波 计数器、数字马达控制、EE仪表、手持式仪表等。硬件乘法器更加强了器件性能并提供 宽代码和硬件兼容的系列。 特点： 低电源电

46、压范围： 1.83.6V 特低功耗 等待方式：1.3 A RAM 保持关闭方式： 0.15 A 低工作电流 7 A32kHz ， 2.2V 250 A1MHz ， 2.2V 5 种节电方式 由等待方式唤醒时间： 6 s 16 位 RISC 结构， 125ns 指令周期 12 位 A/D 转换器，具有内部基准、采样保持和自动扫描功能 定时器_B ：带有 7 个俘获/阴影比较寄存器的 16 位定时器 定时器_A ：带有 3 个俘获/比较寄存器的 16 位定时器 片内比较器 可在电路板上串行编程，不需要外部编程电压，由保密熔丝完成的可编程代码保护 64 脚四方平面型封装（ QFP ） MSP430F

47、149引脚图和引脚说明 见图3-6和表3-2 图3-6 表3-2 3.43.4 测量信号系统总体设计测量信号系统总体设计 MSP430F149作为主处理器，1片X5163（16K EEPRAM）作为数据存储器，为避免频谱混 叠信号采集前信号先通过ICL7650（前面介绍过）斩波稳零放大,放大倍数A=R2/R1,大概 约等于50倍，之后再经OP-07组成二阶低通滤波器（截止频率为2KHz），滤掉部分噪声和 幅值较小的高频分量。外部的模拟信号经过放大和滤波后进入单片机MSP430的A0进行A/D 装换；TB3-TB7接X5163数据存储器；而RXD0和TXD0作为通信口通过MAX232通信232转

48、换 器与SKD的8.4寸工业触摸显示器液晶显示器相连，用于显示自相关波形。通过自相关波 形可得到信号幅值的变化。 所用Protel所画的电路结构图详见附录A。 第四章 结论 电涡流传感器可实现非接触测厚，对被测对象无影响，且结构简单、灵敏度高、适用 性强、频率范围宽、较强的适应能力，并且利用微机技术处理数据可以使测量精度大大 的提高。所以在实际生产中被广泛的应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研 单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转 机械轴的径向振动、厚度测量、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动 力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和

49、保护。 本论文详细地介绍了电涡流传感器的原理、低频电涡流测量薄型的钢板厚度的基本 理论和测量感应电动势随着厚度的变化而变化的微弱信号检测的方法和原理。通过这次 毕业设计，使我受到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题系统的锻炼，使我在 综合知识的选用方面，在设计硬件的基本思想、方法等方面都向前迈了一大步，为日后 成为合格的应用型人才打下了良好的基础。 在这，我要衷心的感谢我的指导老师孙玉国，他在我的设计过程中给予我极大的帮 助，使我能够完成此次的毕业设计。 第五章 谢 辞 回顾紧张而充实的夜大生活，往日的情景依然历历在目。 在这2年半里，自己有过太多的欣喜与失落，当浮华的表象经时间的沉淀而褪却之后， 留在心里的都是美好！而毕业设计的完成，也就代表着美好的大学生活的结束。 在此我要向曾经给我帮