傳感器課程設計

1、電氣測量課程設計題目差動變壓器位移測量系統(tǒng)設計學院電子信息工程學院專業(yè)自動化學生姓名學號年級級指導教師職稱2014年10月目錄第1章緒論2課程設計目的及意義2課程設計任務及要求2課程設計時間安排2第2章方案設計3系統(tǒng)功能3系統(tǒng)組成3工作原理4第3章硬件電路設計6電源模塊和低頻振蕩電路.6零點殘余電壓的補償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章實際操作與數(shù)據(jù)記錄.12位移特性測試12實驗數(shù)據(jù)12數(shù)據(jù)處理13結(jié)論與心得體會13參考文獻14一、緒論課程設計目的及意義本課程是我們學習了誤差理論、測控電路和傳感技術(shù)課程之后的一次理論用于實踐的實際應用。通過本課程可以使我們更加

2、牢固的掌握所學知識，這是對我們之前所學課程的一次測試。我們通過實際操作處理實踐中的問題，提升我們處理問題的能力。這次課程能鍛煉我們的思維方式以及測量誤差的處理能力。最終達到培養(yǎng)我們學習自主能力、動手能力和自我創(chuàng)新能力。課程設計任務及要求1. 設計電源模塊和低頻振蕩電路；2. 設計電橋，放大和檢波電路；3. 用測試臺架標定，0100mm寸對應輸出為土5V;4. 位移特性測試：將傳感器安裝在測試臺架上，驅(qū)動工作臺，測量相敏檢波電路的輸出值，記錄工作臺的位移量，考核非線性；5. 電源波動測試：改變振蕩器的幅值或頻率，觀察傳感器輸出信號的變化情況。課程設計時間安排階段內(nèi)容第一階段動員大會、選題第二階段

3、查找資料、設計、實際操作第三階段課程設計報告的編寫二.方案設計系統(tǒng)功能差動變壓式傳感器是將測量信號的變化轉(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，將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換成變壓器線圈的互感系數(shù)的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)由非電量到電量的轉(zhuǎn)換。變壓器初級線圈輸人交流電壓，次級線圈則感應出電動勢。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，線性好，靈敏度高，測量范圍大，受外界干擾影響小，使用壽命長，因而,被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域。而差動變壓器位移測量系統(tǒng)就是用差動變壓式傳感器來測量微小位移。系統(tǒng)組成圖2系統(tǒng)電路連接圖測量系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。本測量系統(tǒng)電路部分由音頻振蕩器、

4、零點殘余電壓補償、信號放大、移相器、相敏檢波、低通濾波、數(shù)字顯示等組成，與差動變壓式傳感器及測微頭一起構(gòu)成了一個位移測量系統(tǒng)。音頻震蕩器的信號接人差動變壓器的初級線圈，次級線圈的輸出信號經(jīng)零殘電壓補償及信號放大電路后作為相敏檢波器的輸人信號，相敏檢波器的輸出信號經(jīng)低通濾波后用數(shù)字電壓表顯示，其值應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。差動式傳感器輸出信號經(jīng)放大后輸人到相敏檢波器的信號輸入端，進行相敏解調(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)生一個信號作為相敏檢波電路的參考信號工作原理差動變壓式傳感器的結(jié)構(gòu)如同一個變壓器，由銜鐵、初級線圈、

5、次級線圈和線圈骨架等組成。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊；次級線圈由兩個結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的線圈反相用接而成，相當于變壓器的副邊。差動變壓器為開磁路，工作建立在互感基礎上。在初級線圈接入正弦交流激勵電源（有效值為U1）時，次級線圈即感應出電動勢,輸出電壓為U2,螺旋測微頭與鐵芯相連，其移動引起鐵芯的移動，從而引起線圈互感系數(shù)的變化，此時的輸出電壓隨之作相應的變化。具結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。機爆”，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,在誤差范圍內(nèi)可近似認為對傳感器線性度影響很小。所以，可設-2ki (3N2 /h2Ni)(li22_2hi 4x )/(31.!2、-2hil2 i2x ),則有:U2kiUix(4-2)設傳感器靈敏度系數(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可認為是常數(shù)，通過標定獲得，因此，在Ui恒定時可以認為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量電路系統(tǒng)，對電壓值進行精確測量，再由已標定的差動變壓式傳感器的輸人輸出量之間關(guān)系，即可精確地測出鐵芯移動的微小位移三、硬件電路設計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,經(jīng)過功率驅(qū)動電路提高帶負載能力,其輸出作為激勵源,激勵差動變壓式傳感器初級線圈,使次級線圈感應出電動勢。人們把人耳能夠聽到的振動頻率稱為音頻（也有稱聲頻）,它的頻率范圍是從20HL20KHz，低于20Hz的頻率稱次聲波，高于20KHz的頻率稱超聲波。能夠產(chǎn)生20

8、Hz20KHz的振蕩器就稱為音頻振蕩器，簡單地說就是一個頻率源，一般用在鎖相環(huán)中。詳細說就是一個不需要外信號激勵、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阻型兩種。所謂“振蕩”，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個從不振蕩到振蕩的過程和功能。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.在無線電廣播和通信設備中產(chǎn)生電磁波.在微機中產(chǎn)生時鐘信號.在穩(wěn)壓電路中產(chǎn)生高頻交流電。本次測量中音頻振蕩器信號從主控箱中的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來監(jiān)測）。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）。零點殘余電壓的補償圖4理論上當兩次級線圈的阻抗相當時，輸出電壓應為零。實際上，由于傳感器阻抗是復數(shù)阻抗，這種情況是難以精確達到的，在零點總有一個最小的輸出電壓，稱為零點殘余電壓。零點殘余電壓的存在，使得傳感器輸出特性在零點附近不靈敏，限制了分辨率的提高。零點殘余電壓太大，使得線性度變壞，靈敏度下降，甚者會使放大器飽和，堵塞有用信號通過，致使儀器不在反應被測量的變化圖5為了消除零點殘余電壓帶來的影響，所以引進零點殘余補償電路，產(chǎn)生零點殘余的原因主要有：兩個副邊繞組的電氣參數(shù)及幾何結(jié)構(gòu)不可能完全對稱，以及磁性材料在磁化時的非線性（如磁飽和、磁滯）等。由于零點殘余電壓的存在會造成差動

10、變壓器零點附近的不靈敏區(qū)，若此電壓較大，經(jīng)過放大器會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作，因此必須采用適當?shù)姆椒ㄟM行補償。這是一種簡單又行之有效的方法如圖5所示通過調(diào)節(jié)電位器RW評口RW東補償零點殘余電壓相敏檢波電路相敏檢波器，顧名思義，就是對兩個信號之間的相位進行檢波。在實際應用中，這兩個信號往往是同頻的，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檢波有兩個問題：一是解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位。第二，包絡檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻

11、率的信號的能力。對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復調(diào)制信號，這就是說它不具有鑒別信號的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，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)制信號相位，從而判別被測量變化的方向，同時相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測控系統(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是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號外，還要輸入一個參考信號。有了參考信號就可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率。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ux乘以幅值為1的載波信號就可以得到雙邊帶調(diào)幅信號us,將雙邊帶調(diào)幅信號us再乘以載波信號，經(jīng)低通濾波后就可以得到調(diào)制信號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)幅電路實現(xiàn)低頻調(diào)制信號與高頻載波信號相乘，輸出為高頻調(diào)幅信號；而相敏檢波器實現(xiàn)高頻調(diào)幅信號與高頻載波信號相乘，經(jīng)濾波后輸出低頻解調(diào)信號。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，起解調(diào)作用；并具有鑒別信號相位的能力。%a/aaA/wwa丁裁源調(diào)制與解調(diào)過程圖6利用相敏檢波可以將差動變壓器輸出的交流信

13、號轉(zhuǎn)換為直流信號，直流電壓的正負反映了位移的不同方向。該相敏檢波電路由施密特開關(guān)電路及運放組成，使相敏檢波器的輸人信號與開關(guān)信號反相時，輸出為正極性的全波整流信號反之，則輸出負極性的全波整流波形，電路圖如圖所示。圖中為輸入信號端，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輸人端，為直流參考電壓信號輸入。當、端輸人參考電壓信號時，通過差動放大器的作用使D和G處于開關(guān)狀態(tài)，從而把端輸人的正弦信號轉(zhuǎn)換成全波整流信號移相電路圖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，理論上即可實現(xiàn)-180180度的調(diào)節(jié)，但是由于W2環(huán)節(jié)離輸入信號較遠，有干擾

14、，實際上并不能達到180度，所以在其后面再加一個滯后移相環(huán)節(jié)W3作為補償。圖7中的運放選擇的是353。由于一個353芯片上集成了兩個放大器，所以可以節(jié)省空間，利于集成化。3個作為調(diào)節(jié)用的電位器阻值應該選擇較大的，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輸入電壓的差值加以放大的電路，也稱差動放大器。這是一種零點漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。將運算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在負反饋組態(tài)的狀況，此時通常可以將電路簡單地稱為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號進入放大器的端點，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。假設這個閉環(huán)放大器使用理想的運算放大器，則因為其開環(huán)增益為無限大，所以運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通過，但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。用模擬電子電路對模擬信號進行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時，是把信號看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號，通過選擇不同的頻率成分來實現(xiàn)信號濾波。當允許信號中較高頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做高通濾波器。當允許信號中較

16、低頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做低通濾波器。當只允許信號中某個頻率范圍內(nèi)的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做帶通濾波器。此次課程設計采用的低通濾波。為了過濾掉高欠波的影響，采用氐通濾波器進行濾波，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，對于需要的低頻，利用電容高阻、電感低阻的特點使它通過。四、實際操作與記錄數(shù)據(jù)圖101、將差動變壓器按圖10先（不安裝測微頭）2、在模塊上按圖接線，音頻振蕩器信號必須從主控箱中的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來監(jiān)測）。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）。圖中1、2、3、4、5、6為連接線插座的編號。判別初次線圖及次級線圈同中端方法如下：設任一線圈為初級線圈，并設另外兩個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，記錄下各點波形。左、右位移時，用示波器觀察初、次級波形、相敏檢波器的Vo及低通濾波器的Vo波形；記錄左移、右移和在中點時的波形。在實驗過程中，注意左、右位移時，初、次級波形的相位關(guān)系。4、安裝測微頭，定好中點；5、安裝測微頭，旋動測微頭，使示波器顯示的波形峰峰值Vp-p為最?。ǘㄖ悬c），這時可以左右位移，假設其中一個方向為正位移，另一個方向位稱為負

18、，從Vp-p最小開始旋動測微頭，每隔從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值記下實驗數(shù)據(jù)，填入下表同理，再從Vp-p最小處反向位移做實驗，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，正負輸出基本對稱，并且在誤差范圍內(nèi)有良好的線性度，說明該測量系統(tǒng)性能良好。結(jié)論與心得體會在為期2周的課程設計中，我受益匪淺，收獲頗豐。這次傳感器課程設計的題目是差動電壓器位移測量系統(tǒng)設計，通過本課程我更加牢固的掌握了所學知識。從理論設計方案及論證到傳感器結(jié)構(gòu)設計、理論分析、參數(shù)計算，測量電路設計、分析、參數(shù)計算，再到傳感器的靜態(tài)、動態(tài)性能實驗的測試分析、實驗設計，使我對傳感器知識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式傳感器，對其中差動電橋、運算放大器、相敏檢波器、低通濾波器的結(jié)構(gòu)原理及參數(shù)選擇有了更進一步的了解。衷心感謝學院給我們提