傳感器課程設(shè)計(jì)

1、電氣測(cè)量課程設(shè)計(jì)題目差動(dòng)變壓器位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院電子信息工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化學(xué)生姓名學(xué)號(hào)年級(jí)級(jí)指導(dǎo)教師職稱(chēng)2014年10月目錄第1章緒論2課程設(shè)計(jì)目的及意義2課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2課程設(shè)計(jì)時(shí)間安排2第2章方案設(shè)計(jì)3系統(tǒng)功能3系統(tǒng)組成3工作原理4第3章硬件電路設(shè)計(jì)6電源模塊和低頻振蕩電路.6零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償6相敏檢波電路7移相電路.9放大電路.10低通濾波電路.11第4章實(shí)際操作與數(shù)據(jù)記錄.12位移特性測(cè)試12實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)12數(shù)據(jù)處理13結(jié)論與心得體會(huì)13參考文獻(xiàn)14一、緒論課程設(shè)計(jì)目的及意義本課程是我們學(xué)習(xí)了誤差理論、測(cè)控電路和傳感技術(shù)課程之后的一次理論用于實(shí)踐的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)本課程可以使我們更加

2、牢固的掌握所學(xué)知識(shí)，這是對(duì)我們之前所學(xué)課程的一次測(cè)試。我們通過(guò)實(shí)際操作處理實(shí)踐中的問(wèn)題，提升我們處理問(wèn)題的能力。這次課程能鍛煉我們的思維方式以及測(cè)量誤差的處理能力。最終達(dá)到培養(yǎng)我們學(xué)習(xí)自主能力、動(dòng)手能力和自我創(chuàng)新能力。課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1. 設(shè)計(jì)電源模塊和低頻振蕩電路；2. 設(shè)計(jì)電橋，放大和檢波電路；3. 用測(cè)試臺(tái)架標(biāo)定，0100mm寸對(duì)應(yīng)輸出為土5V;4. 位移特性測(cè)試：將傳感器安裝在測(cè)試臺(tái)架上，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，測(cè)量相敏檢波電路的輸出值，記錄工作臺(tái)的位移量，考核非線性；5. 電源波動(dòng)測(cè)試：改變振蕩器的幅值或頻率，觀察傳感器輸出信號(hào)的變化情況。課程設(shè)計(jì)時(shí)間安排階段內(nèi)容第一階段動(dòng)員大會(huì)、選題第二階段

3、查找資料、設(shè)計(jì)、實(shí)際操作第三階段課程設(shè)計(jì)報(bào)告的編寫(xiě)二.方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能差動(dòng)變壓式傳感器是將測(cè)量信號(hào)的變化轉(zhuǎn)化成線性互感系數(shù)變化的傳感器，其工作原理是利用電磁感應(yīng)，將被測(cè)位移量的變化轉(zhuǎn)換成變壓器線圈的互感系數(shù)的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)由非電量到電量的轉(zhuǎn)換。變壓器初級(jí)線圈輸人交流電壓，次級(jí)線圈則感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線性好，靈敏度高，測(cè)量范圍大，受外界干擾影響小，使用壽命長(zhǎng)，因而,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域。而差動(dòng)變壓器位移測(cè)量系統(tǒng)就是用差動(dòng)變壓式傳感器來(lái)測(cè)量微小位移。系統(tǒng)組成圖2系統(tǒng)電路連接圖測(cè)量系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。本測(cè)量系統(tǒng)電路部分由音頻振蕩器、

4、零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償、信號(hào)放大、移相器、相敏檢波、低通濾波、數(shù)字顯示等組成，與差動(dòng)變壓式傳感器及測(cè)微頭一起構(gòu)成了一個(gè)位移測(cè)量系統(tǒng)。音頻震蕩器的信號(hào)接人差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈，次級(jí)線圈的輸出信號(hào)經(jīng)零殘電壓補(bǔ)償及信號(hào)放大電路后作為相敏檢波器的輸人信號(hào)，相敏檢波器的輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波后用數(shù)字電壓表顯示，其值應(yīng)與鐵芯的位移成線性正。利用相敏解調(diào)技術(shù)可以分離出有用信號(hào)。差動(dòng)式傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大后輸人到相敏檢波器的信號(hào)輸入端，進(jìn)行相敏解調(diào)，并經(jīng)低通濾波，輸出結(jié)果與位移呈線性關(guān)系。為了辨別位移的方向，使用移相器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)作為相敏檢波電路的參考信號(hào)工作原理差動(dòng)變壓式傳感器的結(jié)構(gòu)如同一個(gè)變壓器，由銜鐵、初級(jí)線圈、

5、次級(jí)線圈和線圈骨架等組成。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊；次級(jí)線圈由兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的線圈反相用接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。差動(dòng)變壓器為開(kāi)磁路，工作建立在互感基礎(chǔ)上。在初級(jí)線圈接入正弦交流激勵(lì)電源（有效值為U1）時(shí)，次級(jí)線圈即感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),輸出電壓為U2,螺旋測(cè)微頭與鐵芯相連，其移動(dòng)引起鐵芯的移動(dòng)，從而引起線圈互感系數(shù)的變化，此時(shí)的輸出電壓隨之作相應(yīng)的變化。具結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。機(jī)爆”，閣I"訪變壓式傳唐H的陋棺傳感器輸出電壓和鐵芯位移的理論關(guān)系為：2222一一2U2(3N2/h2Ni)(lihi4x)/(3li2hil212x)UiX(4-1)式中：U

6、i、U2分別為激勵(lì)電源電壓、空載輸出電壓有效值；Ni、N2分別是次、二次線圈的匝數(shù)；hi、M分別為一次、二次線圈高度；八為磁芯長(zhǎng)度；X為鐵芯偏離中心位置的距離。在恒壓源Ui供電的情況下，分子分母均含有X2項(xiàng),在誤差范圍內(nèi)可近似認(rèn)為對(duì)傳感器線性度影響很小。所以，可設(shè)-2ki (3N2 /h2Ni)(li22_2hi 4x )/(31.!2、-2hil2 i2x ),則有:U2kiUix(4-2)設(shè)傳感器靈敏度系數(shù)k kiUi,則有:U 2 kx(4-3)在給定傳感器后N2、M、Ni、A、li為定值，在誤差允許范圍內(nèi)，ki可認(rèn)為是常數(shù)，通過(guò)標(biāo)定獲得，因此，在Ui恒定時(shí)可以認(rèn)為k也是常數(shù)，即輸出電壓

7、與鐵 芯的位移成線性關(guān)系。由于差動(dòng)式傳感器的輸出電壓與鐵芯的位移成線性關(guān)系，所以可以搭建一定的測(cè)量電路系統(tǒng)，對(duì)電壓值進(jìn)行精確測(cè)量，再由已標(biāo)定的差動(dòng)變壓式傳感器的輸人輸出量之間關(guān)系，即可精確地測(cè)出鐵芯移動(dòng)的微小位移三、硬件電路設(shè)計(jì)電源模塊和低頻振蕩電路采用集成函數(shù)發(fā)生器芯片8380與一些電阻電容構(gòu)成,產(chǎn)生頻率范圍幾百至上千赫茲的正弦信號(hào),經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路提高帶負(fù)載能力,其輸出作為激勵(lì)源,激勵(lì)差動(dòng)變壓式傳感器初級(jí)線圈,使次級(jí)線圈感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。人們把人耳能夠聽(tīng)到的振動(dòng)頻率稱(chēng)為音頻（也有稱(chēng)聲頻）,它的頻率范圍是從20HL20KHz，低于20Hz的頻率稱(chēng)次聲波，高于20KHz的頻率稱(chēng)超聲波。能夠產(chǎn)生20

8、Hz20KHz的振蕩器就稱(chēng)為音頻振蕩器，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是一個(gè)頻率源，一般用在鎖相環(huán)中。詳細(xì)說(shuō)就是一個(gè)不需要外信號(hào)激勵(lì)、自身就可以將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負(fù)阻型兩種。所謂“振蕩”，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個(gè)從不振蕩到振蕩的過(guò)程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)化。振蕩器的作用是將直流電變交流電.它有很多用途.在無(wú)線電廣播和通信設(shè)備中產(chǎn)生電磁波.在微機(jī)中產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào).在穩(wěn)壓電路中產(chǎn)生高頻交流電。本次測(cè)量中音頻振蕩器信號(hào)從主控箱中的Lv端子輸出，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率，輸出頻率為45KHz（可用主控箱的頻率表輸入Fin來(lái)監(jiān)測(cè)）。調(diào)節(jié)輸出幅度為峰一峰值Vp-p=2V（可

9、用示波器監(jiān)測(cè)）。零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償圖4理論上當(dāng)兩次級(jí)線圈的阻抗相當(dāng)時(shí)，輸出電壓應(yīng)為零。實(shí)際上，由于傳感器阻抗是復(fù)數(shù)阻抗，這種情況是難以精確達(dá)到的，在零點(diǎn)總有一個(gè)最小的輸出電壓，稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓的存在，使得傳感器輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，限制了分辨率的提高。零點(diǎn)殘余電壓太大，使得線性度變壞，靈敏度下降，甚者會(huì)使放大器飽和，堵塞有用信號(hào)通過(guò)，致使儀器不在反應(yīng)被測(cè)量的變化圖5為了消除零點(diǎn)殘余電壓帶來(lái)的影響，所以引進(jìn)零點(diǎn)殘余補(bǔ)償電路，產(chǎn)生零點(diǎn)殘余的原因主要有：兩個(gè)副邊繞組的電氣參數(shù)及幾何結(jié)構(gòu)不可能完全對(duì)稱(chēng)，以及磁性材料在磁化時(shí)的非線性（如磁飽和、磁滯）等。由于零點(diǎn)殘余電壓的存在會(huì)造成差動(dòng)

10、變壓器零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)，若此電壓較大，經(jīng)過(guò)放大器會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作，因此必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行補(bǔ)償。這是一種簡(jiǎn)單又行之有效的方法如圖5所示通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RW評(píng)口RW東補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓相敏檢波電路相敏檢波器，顧名思義，就是對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的相位進(jìn)行檢波。在實(shí)際應(yīng)用中，這兩個(gè)信號(hào)往往是同頻的，或者是互為倍數(shù)。相敏檢波的功用和原理1、什么是相敏檢波電路相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電路。2、為什么要采用相敏檢波包絡(luò)檢波有兩個(gè)問(wèn)題：一是解調(diào)的主要過(guò)程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻

11、率的信號(hào)的能力。對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)的能力。為了使檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。3、相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能與電路構(gòu)成上最主要的區(qū)別是什么相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能上的主要區(qū)別是相敏檢波電路能夠鑒別調(diào)制信號(hào)相位，從而判別被測(cè)量變化的方向，同時(shí)相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力。從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路的主要特點(diǎn)是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)外，還要輸入一個(gè)參考信號(hào)。有了參考信號(hào)就可以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。4、相敏檢波電路與調(diào)幅電路在結(jié)構(gòu)

12、上有哪些相似之處它們又有哪些區(qū)別將調(diào)制信號(hào)ux乘以幅值為1的載波信號(hào)就可以得到雙邊帶調(diào)幅信號(hào)us,將雙邊帶調(diào)幅信號(hào)us再乘以載波信號(hào)，經(jīng)低通濾波后就可以得到調(diào)制信號(hào)uxo這就是相敏檢波電路在結(jié)構(gòu)上與調(diào)制電路相似的原因。二者主要區(qū)別是調(diào)幅電路實(shí)現(xiàn)低頻調(diào)制信號(hào)與高頻載波信號(hào)相乘，輸出為高頻調(diào)幅信號(hào)；而相敏檢波器實(shí)現(xiàn)高頻調(diào)幅信號(hào)與高頻載波信號(hào)相乘，經(jīng)濾波后輸出低頻解調(diào)信號(hào)。這使它們的輸入、輸出耦合回路與濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不同。相敏檢波電路（與濾波器配合）可以將調(diào)幅波還原成原信號(hào)，起解調(diào)作用；并具有鑒別信號(hào)相位的能力。%a/aaA/wwa丁裁源調(diào)制與解調(diào)過(guò)程圖6利用相敏檢波可以將差動(dòng)變壓器輸出的交流信

13、號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，直流電壓的正負(fù)反映了位移的不同方向。該相敏檢波電路由施密特開(kāi)關(guān)電路及運(yùn)放組成，使相敏檢波器的輸人信號(hào)與開(kāi)關(guān)信號(hào)反相時(shí)，輸出為正極性的全波整流信號(hào)反之，則輸出負(fù)極性的全波整流波形，電路圖如圖所示。圖中為輸入信號(hào)端，接放大器的輸出端，為輸出端，接濾波器輸人端，為交流參考電壓信號(hào)輸人端，為直流參考電壓信號(hào)輸入。當(dāng)、端輸人參考電壓信號(hào)時(shí)，通過(guò)差動(dòng)放大器的作用使D和G處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而把端輸人的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成全波整流信號(hào)移相電路圖7移相器由3部分組成，調(diào)節(jié)W1可完成超前0180度，調(diào)節(jié)W2可完成滯后0180度，理論上即可實(shí)現(xiàn)-180180度的調(diào)節(jié)，但是由于W2環(huán)節(jié)離輸入信號(hào)較遠(yuǎn)，有干擾

14、，實(shí)際上并不能達(dá)到180度，所以在其后面再加一個(gè)滯后移相環(huán)節(jié)W3作為補(bǔ)償。圖7中的運(yùn)放選擇的是353。由于一個(gè)353芯片上集成了兩個(gè)放大器，所以可以節(jié)省空間，利于集成化。3個(gè)作為調(diào)節(jié)用的電位器阻值應(yīng)該選擇較大的，才可以有較大的移相范圍。所以W1和W2勻選擇1M的電位器，而W3作為補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用100KQ的電位器即可。放大電路差分放大器能把兩個(gè)輸入電壓的差值加以放大的電路，也稱(chēng)差動(dòng)放大器。這是一種零點(diǎn)漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。將運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況，此時(shí)通?？梢詫㈦娐泛?jiǎn)單地稱(chēng)為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號(hào)進(jìn)入放大器的端點(diǎn)，又

15、可分為反相放大器與非反相放大器兩種。反相閉環(huán)放大器如圖所示。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端為虛接地，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：Vout=-Rf*(Vin/Rin)低通濾波電路低通濾波器是容許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)，但高于截止頻率的信號(hào)不能通過(guò)的電子濾波裝置。用模擬電子電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時(shí)，是把信號(hào)看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號(hào)，通過(guò)選擇不同的頻率成分來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。當(dāng)允許信號(hào)中較高頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做高通濾波器。當(dāng)允許信號(hào)中較

16、低頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做低通濾波器。當(dāng)只允許信號(hào)中某個(gè)頻率范圍內(nèi)的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做帶通濾波器。此次課程設(shè)計(jì)采用的低通濾波。為了過(guò)濾掉高欠波的影響，采用氐通濾波器進(jìn)行濾波，它就是利用電容同高頻阻低頻，電感通低頻阻高頻的原理.對(duì)于需要截止的高頻，利用電容吸收電感、阻礙的方法不使它通過(guò)，對(duì)于需要的低頻，利用電容高阻、電感低阻的特點(diǎn)使它通過(guò)。四、實(shí)際操作與記錄數(shù)據(jù)圖101、將差動(dòng)變壓器按圖10先（不安裝測(cè)微頭）2、在模塊上按圖接線，音頻振蕩器信號(hào)必須從主控箱中的Lv端子輸出，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率，輸出頻率為45KHz（可用主控箱的頻率表輸入Fin來(lái)監(jiān)測(cè)）。調(diào)節(jié)輸出幅度為

17、峰一峰值Vp-p=2V（可用示波器監(jiān)測(cè)）。圖中1、2、3、4、5、6為連接線插座的編號(hào)。判別初次線圖及次級(jí)線圈同中端方法如下：設(shè)任一線圈為初級(jí)線圈，并設(shè)另外兩個(gè)線圈的任一端為同名端，按圖接線。圖113、調(diào)整好相關(guān)部分，調(diào)整如下：分別左移、右移、中點(diǎn)，記錄下各點(diǎn)波形。左、右位移時(shí)，用示波器觀察初、次級(jí)波形、相敏檢波器的Vo及低通濾波器的Vo波形；記錄左移、右移和在中點(diǎn)時(shí)的波形。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，注意左、右位移時(shí)，初、次級(jí)波形的相位關(guān)系。4、安裝測(cè)微頭，定好中點(diǎn)；5、安裝測(cè)微頭，旋動(dòng)測(cè)微頭，使示波器顯示的波形峰峰值Vp-p為最?。ǘㄖ悬c(diǎn)），這時(shí)可以左右位移，假設(shè)其中一個(gè)方向?yàn)檎灰?，另一個(gè)方向位稱(chēng)為負(fù)

18、，從Vp-p最小開(kāi)始旋動(dòng)測(cè)微頭，每隔從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值記下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，填入下表同理，再?gòu)腣p-p最小處反向位移做實(shí)驗(yàn)，從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表X(mm)8786858483Vp-p(v)X(mm)82817978Vp-p(v)0從上表可以看出，正負(fù)輸出基本對(duì)稱(chēng)，并且在誤差范圍內(nèi)有良好的線性度，說(shuō)明該測(cè)量系統(tǒng)性能良好。結(jié)論與心得體會(huì)在為期2周的課程設(shè)計(jì)中，我受益匪淺，收獲頗豐。這次傳感器課程設(shè)計(jì)的題目是差動(dòng)電壓器位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)本課程我更加牢固的掌握了所學(xué)知識(shí)。從理論設(shè)計(jì)方案及論證到傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析、參數(shù)計(jì)算，測(cè)量電路設(shè)計(jì)、分析、參數(shù)計(jì)算，再到傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)的測(cè)試分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使我對(duì)傳感器知識(shí)有了更深一層的理解和掌握，尤其是帶有相敏檢波電路的差動(dòng)式傳感器，對(duì)其中差動(dòng)電橋、運(yùn)算放大器、相敏檢波器、低通濾波器的結(jié)構(gòu)原理及參數(shù)選擇有了更進(jìn)一步的了解。衷心感謝學(xué)院給我們提