传感器测控电路课程设计说明书.doc

湖 南 科 技 大 学课 程 设 计课程设计名称： 传感器/测控电路课程设计学 生 姓 名： 李 暑 洲 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 10级测控技术与仪器3班 学 号： 1003030310 指导教师： 余以道 杨书仪 目 录一 . 前言1二 . 课程设计的任务与要求1三 . 课程设计的目的2四 . 课程设计的主要内容21 . 课程设计方案的确定2 2 . 三节式螺管型差动位移电感传感器的基本原理4 3 . 传感器结构设计与计算5 4 . 测控电路设计与计算6 5 . 误差分析8五 . 总结与分析9六 . 附图101 . 传感器结构图102 . 电路图11七 . 参考文献12一 . 前言 传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。 作为当代理工科而且学习过传感器，测控电路知识的大学生，学习如何设计一个简单实用的传感器并掌握其设计思想是非常有必要的。二 . 课程设计的任务与要求传感器/测控电路课程设计分为两部分，一是传感器的设计，包括根据被测量选择传感器类型，根据转换原理选择传感器性能与结构参数，根据传感器输出电量设计后续电路；二是测控电路的设计，包括将敏感元件测量的物理量转换成电信号，根据功能设计放大电路，滤波电路，调制解调电路，限幅电路等，提取有用信号，剔除无用信号，经过A/D转换，运算处理得到被测信号的各种所需参数！课程设计的基本要求：1，学生需认真阅读课程设计任务书，熟悉有关设计资料及参考资料，熟悉有关各种设计规范的有关内容，认真完成任务书规定的设计内容；2，学生均应在教师指导下，按时完成规定的内容和工作量；3，课程设计的计算说明书和设计图纸：要求设计说明书计算准确，文字通顺，编排规范。要求图纸，图面布置合理，正确清晰，符合制图标准及有关规定！三 . 课程设计的目的课程设计是本专业教学实践环节的主要内容之一，是学习专业技术课所需的必要教学环节。通过课程设计的教学实践，使学生所学的基础理论和专业知识得到巩固，并使学生得到运用所学理论知识解决实际问题的初步训练；课程设计的学生应该接触和了解实际局部设计，从收集资料，方案对比，计算，绘图的全过程，进一步提高学生的分析，综合能力以及工程设计中计算和绘图的基本能力，为今后的毕业设计做必要的准备！四 . 课程设计的主要内容1 . 课程设计方案的确定本次课程设计老师提供的课题有40多个，而我选择的是电感式传感器，电感传感器是将测量量换作线圈自感或互感的变化的传感器。优点：灵敏度高；输出信号比较大，因此有利于信号的传输；缺点：频率响应较低,不宜于高频动态测量。常用的有：1、变气隙型中电感的变化与传感器中活动衔铁的位移相对应。2、变面积型是用铁芯与衔铁之间重合面积的变化来反映位移。3、螺管型是衔铁插入长度的变化导致电感变化的原理。我选的是螺管型互感式传感器。 自感式 互感式互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。它本身是一个变压器，其初级线圈接入交流电源，次级为感应线圈，当初级线圈的互感变化时，输出电压将作相应的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。差动变压器式传感器的优点是：测量精度高，可达0.1m；线性范围大，可到100mm；稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移，或可能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量。缺点是：质量一般比较大，灵敏度较低，不应用于高频场合。2 . 三节式螺管型差动位移电感传感器的基本原理 当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1M2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移x变化时， Uo也必将随x而变化。3 . 传感器结构设计与计算 使用最多的是三节式的；根据电磁感应定律， 次级绕组中感应电势的表达式分别为输出电压有效值为： 活动衔铁处于中间位置时有M1=M2=M故Uo=0 活动衔铁向上移动时有M1 =M+M， M2 =M-M故 与E2a同极性。 活动衔铁向下移动时有M1 =M-M， M2 =M+M故 与E2b同极性。三段式螺管差动变压输出电压曲线如图所示。4 . 测控电路设计与计算 差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要进行解调。常用解调电路有：差动相敏检波与差动整流电路。采用解调电路还可以消除零位电压。（1）差动相敏检波电路 移相器RP差动相敏检波的形式很多，相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压的频率相同，相位相同或相反；因此常接入移相电路。为了提高检波效率，参考电压幅值取为信号的。 差动相敏检波电路（2）差动整流电路 差动整流电路简单，不需参考电压，不需要考虑相位调整和零位电压影响，对感应和分布电容影响不敏感。经差动整流后变成直流输出便于远距离输送。衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)e1RRcabhgfdeUSC 全波整流电路和波形图 差动整流电路根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgdche（参看图a）。反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图（b），其值为USC=eabecd。5 . 误差分析 采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以相互抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。 零点残余电压也是反映差动变压器式传感器性能的重要指标。理想情况是在零点时，两个次级线圈感应电压大小相等方向相反，差动输出电压为零，实际情况是两组次级线圈的不对称铁心B-H曲线的非线性，以及激励电源存在的高次谐波等因素引起零点处U0知。其数值约为零点几毫伏，有时甚至可达几十毫伏，并且无论怎样调节衔铁的位置均无法消除。零点残余电压的存在，使传感器的灵敏度降低，分辨率变差和测量误差增大。 零点残余电压的波形主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波（主要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。减小零点残余电压方法：1. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称 2.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。 3. 采用补偿线路减小零点残余电动势。五 . 总结与分析通过此次为期两个星期的传感器/测控电路的课程设计，不仅巩固了所学的传感器与测控电路的相关知识，而且学会了如何将自己所学到的知识运用到实际设计与生活之中，还学到了许多关于设计的方法与思路。通过对课程设计中所遇到的难题以及疑惑之处的深入探究与解决，丰富了我们的课外知识，拓宽了我们的视野，更加提高了我们对实际问题的解决能力。当然，首次进行传感器/测控电路设计的我们参考设计的传感器以及后续测控电路肯定存在许多缺陷和不足之处，而我们在设计过程中只能尽量避免出现不必要的误差与设计缺陷，而一个传感器真正投入生产还有很多试验改进过程，鉴于我们能力有限，只要我们在设计过程中学到如何设计，分析，怎样改进即可，这为以后我们真正设计新的传感器或者创新打下必要的基础！还有，特