傳感器測控電路課程設(shè)計磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器

1、湖 南 科 技 大 學(xué)課 程 設(shè) 計 課程設(shè)計名稱： 傳感器/測控電路課程設(shè)計學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 院 ： 專業(yè)及班級 ： 學(xué) 號 ： 指 導(dǎo) 老 師 ： 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課程設(shè)計名稱傳感器/測控電路課程設(shè)計課程設(shè)計題目磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器學(xué) 生 姓名年級專業(yè)學(xué)號指 導(dǎo) 教 師單位課程設(shè)計起止日期2015年6月8日-2015年6月19日設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器，說明基本工作原理，繪制傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、裝配圖和零件圖。設(shè)計目的 1、了解傳感器設(shè)計的一般方法、步驟； 2、掌握磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法； 3、加深學(xué)生對傳感器原理理論知識的理解； 4、通過自己動

2、手設(shè)計，加深對傳感器的理解，以及提高自己的動手、收集資料、解決問題的能力，為從事儀器系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計打下基礎(chǔ)。設(shè)計要求 基本要求：1、工作在常溫、常壓、靜態(tài)、環(huán)境良好；2、精度：0.1fs3、分辨率：按參考文獻(xiàn)上常用傳感器類比；4、測量范圍：按參考文獻(xiàn)上常用傳感器類比；5、傳感器及其輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(裝配圖1張，零件圖1張） 6、電路設(shè)計（硬件電路及分析,電路圖1張）7、可以不同班級的兩人以上選同一題，但結(jié)構(gòu)、測量范圍、測量方式、測量電路等最多一項(xiàng)相同。8、學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣及愛好，自選課題，但其設(shè)計方案必須征得指導(dǎo)教師同意。摘要轉(zhuǎn)速傳感器按照工作原理的不同可以分為：磁電式、光電式、離心式、電

3、渦流式和霍爾式等。其中磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器是一種機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換型傳感器，不需供電電源、電路簡單、性能穩(wěn)定、輸出信號強(qiáng)，因此，在實(shí)際工程中具有廣泛的應(yīng)用。本文介紹了磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理，對其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和計算，繪制了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、裝配圖和零件圖，同時設(shè)計出了后續(xù)信號處理電路，為單片機(jī)的后續(xù)信號處理提供信號源。關(guān)鍵字：轉(zhuǎn)速傳感器；磁電式；工作原理；基本結(jié)構(gòu)；信號處理電路目錄第一章 緒論21.1 課程設(shè)計的意義21.2 課程設(shè)計的題目及要求21.3 課程設(shè)計的目的2第二章 磁電式測轉(zhuǎn)速基本工作原理3第三章 設(shè)計方案的確定與方案原理43.1 設(shè)計方案的確定43.2 變磁通式磁電感應(yīng)

4、式轉(zhuǎn)速傳感器4第四章 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算64.1 主要技術(shù)參數(shù)64.2 傳感器主要元件的工程設(shè)計計算64.3 傳感器轉(zhuǎn)配圖9第五章 測控電路的設(shè)計115.1 正弦波產(chǎn)生電路115.2 放大電路125.3 相敏檢波電路135.4 濾波電路14第六章 總結(jié)與分析15參考文獻(xiàn)16附錄17第一章 緒論1.1課程設(shè)計的意義 傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集手段。其早已滲透到及其廣泛的領(lǐng)域，可以毫不夸張的說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各式各樣的傳感器。因此，作為測控專業(yè)的學(xué)生，學(xué)習(xí)如何設(shè)計一個簡單實(shí)用的傳感器并

5、掌握其設(shè)計思想是非常有必要的。1.2課程設(shè)計的題目及要求（1）題目：磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計（2）要求：學(xué)生需認(rèn)真閱讀課程設(shè)計任務(wù)書，熟悉有關(guān)設(shè)計資料及參考資料，熟悉有關(guān)各種設(shè)計規(guī)范的有關(guān)內(nèi)容，認(rèn)真完成任務(wù)書規(guī)定的設(shè)計內(nèi)容。學(xué)生均應(yīng)在教師指導(dǎo)下，按時獨(dú)立完成規(guī)定的內(nèi)容和工作量。課程設(shè)計的計算說明書和設(shè)計圖紙：要求設(shè)計說明書計算準(zhǔn)確、文字通順、編排規(guī)范（要求計算機(jī)打印）。要求圖紙、圖面布置合理、正確清晰、符合制圖標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)規(guī)定。1.3課程設(shè)計的目的傳感器課程設(shè)計是測控專業(yè)開設(shè)的一門獨(dú)立實(shí)踐課程。本課程以各類傳感器的性能測試、實(shí)際應(yīng)用設(shè)計為線索，完成光電傳感器、應(yīng)變傳感器、電感傳感器、電容傳感器

6、、壓電傳感器、光纖傳感器等基本型、設(shè)計性和綜合性實(shí)驗(yàn)與設(shè)計內(nèi)容，使學(xué)生掌握不同種類傳感器的使用方法和設(shè)計要點(diǎn)的基本技能，加深學(xué)生對“傳感器原理”及“測控電路”理論知識的理解，為從事儀器系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計打下基礎(chǔ)。第二章 磁電式測轉(zhuǎn)速基本工作原理 磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器是一種能將一定的速度量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢的傳感器。測量轉(zhuǎn)速時，由于轉(zhuǎn)子與定子端面齒頂和齒槽氣隙將作一定頻率的周期性變化，則磁通也將有一定頻率的交替變化，從而在線圈中感應(yīng)出一定頻率的近似正弦波的感應(yīng)電動勢信號。對于磁電轉(zhuǎn)速傳感器來說線圈匝數(shù)是固定的，因此輸出感應(yīng)電動勢僅僅與磁通變化率即和轉(zhuǎn)速有關(guān)，而且電動勢的大小與轉(zhuǎn)速成正比，而與氣隙成反比

7、；每轉(zhuǎn)過一個齒，電動勢經(jīng)歷一個周期，電動勢頻率f與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系為 (2-1)式中z為定子或轉(zhuǎn)子端面上的齒數(shù)。因此可以通過檢測信號頻率來測量轉(zhuǎn)速。 第三章 設(shè)計方案的確定與方案原理3.1 設(shè)計方案的確定磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器主要由永久磁鐵、旋轉(zhuǎn)齒輪、感應(yīng)純鐵和感應(yīng)元件組成，一般分為恒定磁通式和變磁通式兩大類。其輸出阻抗小，轉(zhuǎn)換電路簡單，性能穩(wěn)定，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍。本文中，我選擇設(shè)計變磁通式磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器。圖3.1為其結(jié)構(gòu)原理圖：圖3.1 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（閉磁路)3.2 變磁通式磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器（1）磁阻效應(yīng)原理變磁通式又稱變磁阻式或變氣隙式。磁敏電阻效應(yīng)，就是某些

8、材料的電阻值受磁場的影響而改變的現(xiàn)象，簡稱磁阻效應(yīng)。磁阻傳感器主要用來檢測磁場的存在、強(qiáng)弱、方向和變化等。 在兩端設(shè)置電流電極的元件中，由于外界磁場的存在，改變了電流的分布，電流所流經(jīng)的途徑變長，導(dǎo)致電極間的電阻值增加，這就是磁阻效應(yīng)。如圖3.2.1所示圖3.2.1 磁阻元件原理示意圖 在溫度恒定下，器件只有電子參與導(dǎo)電的簡單情況下，理論推導(dǎo)出來的磁場內(nèi)的磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度b具有如下關(guān)系。 (3-1) 式中 -磁感應(yīng)強(qiáng)度為b時的電阻率，m; -零磁場下的電阻率，m; -電子遷移率， ,表示每秒每伏特電壓下電子的運(yùn)動范圍大小，當(dāng)電阻率變化時 ，電阻率的相對變化為 (3-2)可見，在利用磁阻效應(yīng)的元

9、件中，半導(dǎo)體材料的電子遷移率必須很高才行。（2） 閉磁路變磁通磁電式傳感器一般結(jié)構(gòu)圖3.2.2為兩級閉磁路變磁通式結(jié)構(gòu)示意圖。被測轉(zhuǎn)軸1帶動橢圓形鐵芯2在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度周期地變化，因而磁路磁阻也周期地變化，致使磁通同樣周期地變化，在線圈3中產(chǎn)生頻率與鐵芯2轉(zhuǎn)速成正比的感應(yīng)電勢。在這種結(jié)構(gòu)中，也可以用齒輪代替橢圓形鐵芯2，軟鐵4制成內(nèi)齒輪形式，兩齒輪的齒數(shù)相等。當(dāng)被測體轉(zhuǎn)動時，兩齒輪相對運(yùn)動，磁路的磁阻發(fā)生變化，因而在線圈3中產(chǎn)生頻率與轉(zhuǎn)速成正比的感應(yīng)電勢。圖3.2.2 兩級閉磁路變磁通式結(jié)構(gòu)示意圖第4章 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算4.1 主要技術(shù)參數(shù)表4.1 傳感器的主要技術(shù)參數(shù)

10、工作方式每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（）測量范圍（）工作溫度工作相對濕度外形尺寸傳輸長度閉磁路式4.2 傳感器主要元件的工程設(shè)計計算 磁路計算永磁系統(tǒng)磁路計算的一般方法為：先根據(jù)傳感器外形尺寸確定磁路系統(tǒng)的大致結(jié)構(gòu)尺寸；然后選取工作氣隙尺寸；選擇永久磁鐵材料，由材料的去磁曲線確定永久磁鐵的工作點(diǎn)；最后計算出永久磁鐵的尺寸。磁路系統(tǒng)中工作氣隙的選擇為使傳感器有較高的靈敏度和較好的線性度，必須在保證足夠大的窗口面積和所需加工安裝精度的前提下，盡量減小工作氣隙d。工作氣隙寬度也和傳感器的靈敏度、線性度有關(guān)。越大，靈敏度越高，線性度越好，但傳感器體積和質(zhì)量就較大，因此一般取d/1/4。永久磁鐵材料的選擇永久磁鐵由永磁合

11、金制成，是提供工作氣隙磁能的能源。不同永磁合金的磁性能各不相同，表征性能的主要參數(shù)為矯頑力、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大磁能積， 以及去磁曲線和磁能積曲線。本文中，我選用鋁鎳8.5，表4.2為其磁性能。永久磁鐵必須進(jìn)行各種穩(wěn)定性處理，如時間、溫度、組織結(jié)構(gòu)等穩(wěn)定性處理，以使其磁性能穩(wěn)定，否則將直接影響傳感器的精度。表4.2 鋁鎳8.5的磁性能型號名稱代號剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力最大磁能積鋁鎳8.5ln8.50.75208.5確定永久磁鐵的工作點(diǎn)a即為帶氣隙永久磁鐵的工作點(diǎn)。工作點(diǎn)a的確定原則是使永久磁鐵盡可能工作在最大磁能積上，這時磁鐵體積最小。最大磁能積可在材料磁性能表中查到。由磁能積曲線與去磁曲線可知

12、，點(diǎn)正好與a點(diǎn)對應(yīng)。因此，只要過點(diǎn)和點(diǎn)作兩分別平行于橫軸和縱軸的虛線，交于點(diǎn)，連接o,作直線o（稱為磁導(dǎo)線），其與去磁曲線的交點(diǎn)a就是永久磁鐵的最佳工作點(diǎn)。其對應(yīng)的磁場強(qiáng)度為,磁感應(yīng)強(qiáng)度為。計算永久磁鐵的尺寸 設(shè)永久磁鐵的工作點(diǎn)為a。永久磁鐵內(nèi)的磁壓降為，其中是磁鐵內(nèi)磁路長度。若氣隙為d,氣隙內(nèi)磁場強(qiáng)度為，由磁路基爾霍夫第一定律可得。因此，永久磁鐵內(nèi)的磁壓降在數(shù)值上等于氣隙中的磁壓降，只是方向相反。在磁電感應(yīng)式傳感器中，實(shí)際的磁路除工作氣隙外還有與他相串聯(lián)的非工作氣隙，如磁鐵與導(dǎo)體間的裝配氣隙，這時 （4-1) 式中，修正系數(shù)，它考慮了非工作氣隙的影響，一般1.2。由于磁路中的磁通是連續(xù)的，即

13、，其中和為磁通密度和磁鐵截面積，和為氣隙中的磁通密度和氣隙截面積?？紤]到有部分磁通在工作氣隙外漏掉，因此 （4-2）式中，漏磁系數(shù)，它等于永久磁鐵內(nèi)的總磁通之比，也即 (4-3）其中，工作氣隙磁導(dǎo)；工作氣隙磁導(dǎo)與各漏磁導(dǎo)之和。是大于1的正數(shù)，一般為1.510.不同的磁路結(jié)構(gòu)，其值是不同的，可以根據(jù)確定的磁路結(jié)構(gòu)和磁力線分布將整個氣隙磁場分成若干個易于計算的簡單幾何形狀的磁通管，如圓筒形磁通管等，分別求出各磁導(dǎo)，就可能得出的值。這種計算的方法是較繁瑣的而且不易準(zhǔn)確。因此在進(jìn)行磁路計算時經(jīng)常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。由式（4-1）和（4-2）可得 （4-4）當(dāng)工作氣隙磁場均勻時，氣隙磁導(dǎo)，所以?？紤]到去磁曲線

14、b=f(h)的坐標(biāo)比例尺，式（4-4）又可以改寫成 (4-5) 式中，磁場強(qiáng)度坐標(biāo)比例尺，它表示在去磁曲線的h坐標(biāo)上每單位長度的值；磁感應(yīng)強(qiáng)度坐標(biāo)比例尺，它表示在去磁曲線的h坐標(biāo)上每單位長度的t值；空氣磁導(dǎo)率，近似為真空磁導(dǎo)率，。根據(jù)選定的傳感器外形尺寸和氣隙尺寸定出每匝線圈平均長度l,再由l計算空氣隙的平均直徑，則磁鐵直徑近似為，因此，永久磁鐵的截面積為 (4-6)由式（4-4）可得永久磁鐵的長度 (4-7)由式（4-2）可估算出空氣磁通密度 (4-8)如果工作氣隙中的磁通或磁感應(yīng)強(qiáng)度為已知的，則可根據(jù)式（4-1)和（4-2）分別求得 （4-9） （4-10）將上兩式相乘可得永久磁鐵的體積

15、（4-11）當(dāng)磁路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸和材料已確定后，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的值，并由式（4-4)求得工作點(diǎn)a及相應(yīng)的和，然后由式（4-2)求出，最后驗(yàn)算傳感器的靈敏度。4.3 傳感器裝配圖圖4.1 傳感器轉(zhuǎn)配圖如圖4.1，轉(zhuǎn)子2與轉(zhuǎn)軸一緊固，轉(zhuǎn)子2和定子7都用工業(yè)純鐵制成，它們和永久磁鐵4組成磁路系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子2和定子7的環(huán)形端面上均勻地銑了一些齒和槽，兩者對應(yīng)相等。測量轉(zhuǎn)速時，傳感器的轉(zhuǎn)軸1與被測物的轉(zhuǎn)軸相連接，因而帶動轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子2的齒與定子7的齒相對時，氣隙最小，磁路系統(tǒng)的磁通最大。齒與槽相對時，氣隙最大，磁通最小。因此當(dāng)定子7不動而轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動時，磁通就周期性的變化，從而在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的

16、電壓信號。轉(zhuǎn)速n越高，感應(yīng)電勢的頻率也就越高。圖4.2 傳感器零件圖 第5章 測控電路的設(shè)計傳感器出來的信號要經(jīng)過穩(wěn)壓電路，放大電路，濾波電路，調(diào)制解調(diào)電路,再經(jīng)ad轉(zhuǎn)換，輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)總的框圖如圖5.1所示： 穩(wěn)壓電路正弦波產(chǎn)生電路放大電路相敏檢波電路低通濾波電路a/d轉(zhuǎn)換電路 單片機(jī)圖5.1 測控系統(tǒng)總體框圖 本文中，我選擇正弦波產(chǎn)生電路，放大電路，相敏檢波電路和濾波電路進(jìn)行設(shè)計。5.1 正弦波產(chǎn)生電路穩(wěn)幅文氏振蕩器是用運(yùn)算放大器做放大元件的rc串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩器，電路如圖5.2所示。 由于放大器的輸出電阻很低，反饋信號加入運(yùn)算放大的同相輸入端，所以輸入電阻很高，這樣同

17、相放大器的增益kf=1+ r8/rf，僅與外部電阻r8和rf有關(guān)，而與放大器本身參數(shù)無關(guān)，因此增益的精度和穩(wěn)定性都很高。在實(shí)際應(yīng)用中，常選rc串-并聯(lián)電路的r1=r2=r，c1=c2=c，所以在f=1/2rc這個頻率上， rc移相網(wǎng)絡(luò)相位移為零，而r82rf，滿足振蕩條件。選r=240k， c=330pf，則得到振蕩頻率為： (5-1)圖5.2 穩(wěn)幅文氏振蕩器為實(shí)現(xiàn)自動穩(wěn)幅的目的，在運(yùn)算放大器輸入端加上由r8、r4和場效應(yīng)管vt組成可控負(fù)反饋電路。對場效應(yīng)管要求工作在線性電阻區(qū)，只有在uds較小時，它的rds差不多隨柵源電壓vgs線性變化，宛如一只良好的壓控線性電阻，阻值可調(diào)范圍約為40010

18、0m ，當(dāng)幅值較大時， rds應(yīng)自動增大以加強(qiáng)負(fù)反饋，這個作用由整流二極d1，濾波電路r7、r6、c5及場效應(yīng)管vt組成。當(dāng)幅值較小時，c5上的電壓vc5逐漸減小，導(dǎo)致rds下降，所以電路將自動在vt的其一柵源電壓下穩(wěn)定下來，輸出幅值穩(wěn)定的正弦波電壓。調(diào)節(jié)r6可改變輸出電壓的大小，一般將輸出電壓調(diào)節(jié)在35v之間。5.2 放大電路在許多檢測技術(shù)應(yīng)用場合，傳感器輸出信號往往較弱，而且其中還包括工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制能力以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，如圖5.3所示。圖5.3 三運(yùn)放高共模抑制比放大電路從電路結(jié)構(gòu)可知，這是一種同相并聯(lián)差動放大

19、器，其對稱性結(jié)構(gòu)使整個放大器具有很高的共模抑制能力，特別是適用于長距離測量。其數(shù)學(xué)模型為： （5-2) 令電路參數(shù)對稱r=r3=r5=r4=r6=16k ，即r1=r2=40k。帶入整理得增益為： （5-3)這種電路特點(diǎn)是性能穩(wěn)定，其漂移將大大減少，具有高輸入阻抗和高共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，并適用于遠(yuǎn)距離傳輸過來的信號，因而十分適用與傳感器配合使用。顯然，為保證電路的對稱性，改變增益最合理、最簡單的方法是改變rg的阻值。5.3 相敏檢波電路當(dāng)被測量進(jìn)行放大后，為了恢復(fù)原來被測量緩慢信號，采用相敏檢波器將交流的幅度變化轉(zhuǎn)換成正比于傳感器電容c的直流電平。其相敏檢波電路如圖5.4所示。

20、其工作過程如下，當(dāng)輸入電壓vi為正半周期時，u4反相，d2截至，d1導(dǎo)通，u4輸出為零，r11=r12=20k ，u5的電壓放大倍數(shù)為r10/r9=-1，則輸出信號為：vo=v1。當(dāng)輸入電壓vi為負(fù)半周期時，經(jīng)a4反相，d2導(dǎo)通，d1截至，經(jīng)r10， u4輸出為-vi，選擇合適的電阻r11、r11使r11=2r11經(jīng)過r11過來的電壓疊加后輸出信號v0為： vo=v1。圖5.4 相敏檢波電路圖5.4 濾波電路通過相敏檢波出來的信號需要濾波后才能得到有用信號。采用壓控電壓源型低通濾波電路。電源頻率為f=2khz，可設(shè)截止頻率為fp=10khz，q=0.707。由此可設(shè)計 圖5.5 低通濾波電路圖r13=r14=1.6k,c4=c5=0.01,r