自感式傳感器課程設(shè)計

1、 引言傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。傳感器是將能夠感受到的及規(guī)定的被測量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量（輸入量）的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受的或響應(yīng)的被探測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測量的電信號的部分。本說明書中設(shè)計的具有帶相敏檢波電路的差動式自感傳感器是將位移的變化轉(zhuǎn)化成電感的變化，再通過信號調(diào)節(jié)電路將其轉(zhuǎn)化成可測量的電壓信號。目錄課程設(shè)計任務(wù)書 . 2一、設(shè)計要求 . 3二、基本原理 . 3 1.自感傳感器簡介···3 2.自感式傳感器的工作原理

2、83;··3 3.差動 變隙式自感傳感器的工作原理···5 4零點殘余誤差的影響···63、 傳感器結(jié)構(gòu)及參數(shù) . 7 四、傳感器測量電路 . 9 1.交流電橋···10 振蕩電路···11 3.移相器···13 4.放大器···14 5.相敏檢波器···15 6.低通濾波器···18五誤差分析 . 20 六、結(jié)論 . 22七、參考資料

3、. 231、 設(shè)計要求 按照任務(wù)書進行設(shè)計，設(shè)計的傳感器必須滿足所要求的幾個技術(shù)參數(shù)。根據(jù)設(shè)計成果進行驗證試驗并記錄試驗現(xiàn)象。2、 基本原理1、自感傳感器簡介 自感式電感傳感器是利用線圈自感變化實現(xiàn)測量的一種裝置，其核心部分是可變自感，在將被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。2、自感式傳感器的工作原理圖2.1所示為為自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成，在鐵心與銜鐵之間有厚度為的空氣隙。當被測運動物體帶動銜鐵上下移時，氣隙厚度產(chǎn)生變化，是鐵心和銜鐵形成的磁路磁阻發(fā)生變化，從而使線圈的自感也發(fā)生變化。

4、線圈自感的計算公式為 式中：為線圈的匝數(shù)；為磁路的總磁阻。如果空氣隙厚度較小，而且不考慮磁路的鐵損，則總磁阻為磁路中鐵心、氣隙和銜鐵的磁阻之和: 式中：li為各段導磁體的長度（包括鐵心、銜鐵）；i為各段導磁體的相對磁導率；Si為各段導磁體的截面積；為空氣隙磁通截面積；o為空氣隙的磁導率（4H/m）。將式2-2代入式2-1得 圖21 由于鐵心與銜鐵為鐵磁材料，其磁阻與空氣隙磁阻相比小得多，故可忽略，則式2-3可簡化為 由式2-4可看出，線圈的自感量與、S和三個參數(shù)有關(guān)。當線圈匝數(shù)一定時，若不變，變化，則為的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙傳感器，這種傳感器靈敏度很高，是最常用的電感式傳感器。3、差動變隙式

5、自感傳感器的工作原理變氣隙型傳感器單個線圈使用時，由于線圈中流往負載的電流不可能等于零，存在起始電流，因而不適用于精密測量銜鐵始終受電磁吸力，會引起附加誤差，非線性誤差較大；一些干擾，如電源、電壓、頻率及溫度的變化，都會影響輸出，從而產(chǎn)生誤差。這些問題的存在使得單個線圈構(gòu)成的簡單的電感傳感器一般不宜用在精密測試系統(tǒng)中，實際工作時，常常差動使用，即采用兩個相同的傳感器線圈共用一個活動銜鐵，構(gòu)成差動電感傳感器，從而可以提高電感傳感器的靈敏度，減小其測試誤差。如圖2.2。從圖中可知，若銜鐵向下移動，氣隙增加，電感減小；氣隙減小電感增大，則差動變隙式自感傳感器的電感變化量為 由式2-5可知，差動式電感

6、傳感器的電感相對變化量為 當，可將式-6展開圍泰勒級數(shù)形式并作線性處理，忽略高次項，可得 則差動變隙式自感傳感器的靈敏度為 非線性誤差為 可見，差動變隙式自感傳感器靈敏度提高了一倍，非線性誤差減小了一個數(shù)量級。另外采用差動式傳感器，還能抵消溫度變化、電感波動、外界干擾、電磁吸力等因素對傳感器的影響。4、 零點殘余誤差的影響 自感式傳感器產(chǎn)生零位誤差的原因有很多，包括（1）兩個差動式電感線圈的電氣參數(shù)及導磁體的幾何尺寸不可能完全對稱；（2）傳感器具有鐵損及鐵心磁化曲線的非線性；（3）電源電壓中含有高次諧波；（4）線圈具有寄生電容，線圈與外殼、鐵心間有分布電容。零點殘余電壓的危害很大，它會降低零位

7、附近的測量精度，削弱分辨力，嚴重時造成放大器保和。減小零點殘余電壓的措施包括：減小激勵電源中的諧波成分；減小電感傳感器的激勵電流使之工作在磁化曲線的線性段。另外，在差動電感電橋的電路中接入兩只可調(diào)電位器，當電橋有其實不平衡電壓時，可通過反復(fù)調(diào)節(jié)兩只電位器，使電橋達到平衡條件，消除不平衡電壓。 3、 傳感器的結(jié)構(gòu)及參數(shù) 圖3.1-1 圖3.1-1為軸向式電感測微儀所用的傳感器。側(cè)頭10用螺釘擰在測桿8上，測桿8可在鋼球?qū)к?上做軸向移動。測桿上端固定著銜鐵3.當測桿移動時，帶動銜鐵3在電感線圈4中移動，線圈4放在圓筒形磁心2中，兩線圈差動使用，當銜鐵過零點上移時，上線圈電感量增加，下線圈電感量減

8、小。兩線圈輸出由引線1接至測量電路。在測量時，為了使測頭始終接觸被測件就需要一定的接觸力，該力由彈簧5產(chǎn)生，防轉(zhuǎn)銷6限制測桿8的轉(zhuǎn)動，密封套9用來防止灰塵進入傳感器內(nèi)部。傳感器測量參數(shù)分析根據(jù)所要求技術(shù)參數(shù)：靈敏度為1mv/mm，橋壓為2V，結(jié)合差動式傳感器電橋電路，可求得氣隙的總長度為2mm。再結(jié)合以下公式： 可求得變間隙型差動式自感位移傳感器的參數(shù)：鐵心的相對磁導率（硅鋼材料）： 8000（查的）鐵心材料的電阻率（硅鋼材料）： 40（查的）線圈材料的電阻率（銅）：（查的）鐵心磁通截面積A: 銜鐵尺寸: 磁路總長度: 帶小氣隙的鐵心的相對磁導率：氣隙總長度：2mm 氣隙的厚度：0.5mm線圈

9、匝數(shù)：400鐵心疊片厚度：1mm在鐵心窗口中的導線總截面積：線徑：0.8mm每匝平均長度：空氣磁導率：測量范圍： 靈敏度K： 1mv/mm線性度： 分辨率： 零點殘余電壓： 線圈電感量L：線圈的最大品質(zhì)因數(shù)：19.5電流頻率： 748KH四、傳感器的測量電路 如圖4.1所示，傳感器的測量電路由振蕩電路、交流電橋、放大器、相敏檢波器、低通濾波器和移相器組成。通過此轉(zhuǎn)換電路，可以將電感自感的變化轉(zhuǎn)化為電壓幅值的變化。1、交流電橋 圖4.1-1所示為傳感器交流電橋，初始時，銜鐵處于中間位置，即，而是固定臂，于是電橋平衡，輸出電壓。當先鐵偏離中心位置時，兩線圈電感量一增一減 圖4.1-1 此時電橋失衡

10、，有電壓輸出，輸出為 由上式可求得，當線圈的品質(zhì)因數(shù)很高，時 可見，輸出信號的幅值與銜鐵的位移幅度成正比，其相位取決于位移的方向，若銜鐵上移，輸出信號與激勵電源同相位；若銜鐵下移，輸出信號與激勵電源相位相差。式中：為電橋輸出電壓；為電橋輸入電壓；為差動電感傳感器銜鐵在中間位置時的間隙；為銜鐵位移量。 由式可見，電橋輸出電壓的大小與銜鐵位移量成正比，其相位與銜鐵運動方向有關(guān)。若設(shè)銜鐵向上運動，為正，輸出為正；當銜鐵向下運動，反相，為負，理想的輸出特性曲線如圖所示。以上可知，差動變氣隙型自感傳感器相對單線圈變氣隙型自感傳感器，從理論上消除了起始時的零位輸入，銜鐵所受電磁引力平衡，靈敏度提高了一倍，

11、線性度得到改善（電感變化量的高次項部分相互抵消），差動形式可減弱或消除溫度、電源變化及外界干擾等共模干擾的影響。因為這些干擾是以相同的方向、相同的幅度作用在兩個線圈上的，它們所引起的線圈自感變化的大小和符號是相同的，而信號調(diào)理電路實質(zhì)上是將兩個線圈自感的差值轉(zhuǎn)換為電信號。2、 振蕩電路在一個電子線路中，不加輸入信號就有信號輸出的現(xiàn)象，稱為自激振蕩，實現(xiàn)震蕩的電路稱為振蕩器。本實驗采用文式 電橋振蕩電路如圖4.2-1所示 由圖可知 圖4.2-1反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為 用j代替s得令，則上式可變?yōu)?圖4.2-2 圖4.2-2為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)由圖可知，當時，經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\算同相端的電

12、壓與 同相 ，即有和。這樣，放大電路和由、組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系統(tǒng)，可以滿足相位平衡條件，此時，當時，輸出穩(wěn)定幅度的正弦波，振蕩頻率。頻率一般在到3、 移相器因為相敏檢波器要求測量信號和參考信號相位必須一致，但由于電橋電路輸出的電壓對載波信號有一定的超前角，因此把載波信號作為相敏檢波的參考電壓前需對其進行一定的移相處理。圖4.3-1所示為移相器電路，因為電橋電路輸出的電壓對載波信號有一定的超前角，因此把載波信號作 圖4.3-1為相敏檢波的參考電壓前需對其進行一定的移相處理。 設(shè)，則由得 移相角度 當R=0時 ，和反相 ，所以當時 和同相 所以實現(xiàn)了相角從到的轉(zhuǎn)換4、 放大器 為了使從平

13、衡電橋輸出的電壓值能滿足需要，有必要在電橋電路后加一個增益環(huán)節(jié)，本電路采用同相比例放大器。而同相比例放大的輸入電阻趨于無窮大，更適合于做隔離電路。因此兼顧調(diào)節(jié)幅值和隔離電路的兩個功能，本次設(shè)計選用同相比例放大電路來做增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。由于傳感器輸出可能雜有共模電壓，選取高共模抑制比的LM324作為放大器來達到凈化信號電壓的目的。根據(jù)虛短和虛斷的概念有：，由圖可知 從而可的電壓增益為 為正值，表示與同相，并且總是大于1，至少等于1。由式可以看出，由于電路中引入負反饋的值只取決于運放外部電路的原件值，即和，與運放本身的，和無關(guān) 5、 相敏檢波器 圖4.5-1所示為相敏檢波電路。變壓器A的輸入為放大了的

14、自感傳感器的的輸出信號而其輸出為變壓器 B 的輸入信號 和自感傳感器的激勵電壓共用同一電源，稱為檢波器的參考信號，中間通過適當?shù)囊葡嚯娐穪肀ＷC兩個輸入信號同頻 圖4.5-1 同相或反相。 1)當銜鐵在零點以上移動，即輸入信號X（t）>0時 （1）載波信號為上半周（0-） 與同相，即變壓器A次級輸出電壓上正下負、上正下負；變壓器B次級輸出電壓左正右負，左正右負； 正端接節(jié)點4，正端接節(jié)點，由于<<，所以4點電位低于1點，截止； 正端接4，負端接3,3點電位低于4點，截止； 負端接2，負端接1，1點電位高于2點，導通； 負端接2，負端接3，由于>>,3點比4點電位更負

15、，導通。 、截止，所在的上線圈短路；、導通，所在的下線圈接入回路。電流自正極出發(fā)，向上流經(jīng)，經(jīng)變壓器B的左線圈，再經(jīng)流回到的負極回路電流以表示。在這個回路中和是正向串聯(lián)的，所以 電流自下而上流經(jīng)同時在下線圈、負載電阻、右線圈、R構(gòu)成的另一個回路中，由于>>,所以電流自正極出發(fā)，向下經(jīng)、經(jīng)下線圈，再經(jīng)流回到的負極，電流為 通常=，=，可見>所以流經(jīng)的電流為兩個電流的代數(shù)和，即，其方向為自下而上，且定為正向，則負載電阻將得到正電壓（2）載波信號為下半周（2）; 上負下正，上負下正，左負右正，左負右正； 負端接4，負端接1，4點電位高于1點，導通； 負端接4，負端接3,3點電位高于

16、4點，導通； 正端接2，負端接1,1點電位低于2點，截止； 正端接2，負端接3,2點電位低于3點，截止； ，截止，下線圈斷路。、導通，上線圈工作。 在上線圈、右線圈、R組成的回路中，和正向串聯(lián)，電流自正極出發(fā)，自下而上流過，流經(jīng)右線圈，再流過，回到負極，其大小為。同時，在上線圈、左線圈、R構(gòu)成了另一個回路。在此回路中，由于和反相串聯(lián)，且>>，所以電流是與方向相反的，自上而下流經(jīng)，其大小為 可見，>，所以電流，因而負載電阻仍得到正的電壓。 有上述可得：當銜鐵在零點以上移動時，不論載波是正半周還是負半周，在負載電阻上得到的電壓始終為正。2） 當銜鐵在零點以下移動時，即x（t）&l

17、t;0時（1） 載波信號為下半周（0-）：u與反相（由于銜鐵位移與上述情況相反，因而輸出相位變化為），即上負下正，上負下正，左負右正，左正右負。根據(jù)前述的方法分析出<0，流向與前述相反，因而上得到負電壓。（2） 載波信號為上半周（2):這時u與仍然反相，上正下負，上正下負，左負右正，左負右正，同樣<0,上得到負電壓。由上述得：當銜鐵在零點以下移動時，不論載波是正半周還是負半周，在負載電阻上得到的電壓始終為負。綜上所述，經(jīng)過相敏檢波電路，正位移輸出正電壓，負位移輸出負電壓，電壓值的大小表示位移的大小，電壓的正負表明位移的方向，因此，原來的“V”字形輸出特性曲線就變成了過零點的一條直線

18、，見圖4.5-2 圖4.5-2 6、低通濾波器 動態(tài)測量信號經(jīng)相敏檢波后，輸出波形中仍含有高頻分量，因而必須通過低通濾波器濾除高頻分量取出被測信息。本實驗選用二階有源低通濾波器，如圖4.6-1所示，它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比列放大器組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。 電路的傳遞函數(shù)為。令 ， 則 其中為特征角頻率，也是為0.707時的3dB截止角頻率，用代入上式，可得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)表達式，分別為 式表明，當=0時，；當時顯然這是低通濾波的特性。根據(jù)式可畫出不同Q值下的幅頻響應(yīng)，如圖4.6-2所示。由圖可見，當Q=0.707時，幅頻響應(yīng)平坦。當Q=0.707和/=1的情況下，; 而當/

19、 =10時，。選用二階低通濾波器可盡快的將高頻波濾掉。5、 誤差分析誤差是指電感傳感的實際特性曲線與理想特性直線之間的偏差。為了減少誤差，首先要對誤差進行分析。1、輸出特性的非線性根據(jù)對各種類型的輸出特性的分析可知，如邊間隙型傳感器的電感變化與銜鐵位移之間的關(guān)系是非線性的，而電橋本身也是非線性的，則從原理上來說就帶來了非線性誤差。為了改善這種非線性，可以采用差動式電感傳感器和限制銜鐵最大位移量，以減少非線性誤差。2、 零位誤差 差動電感式傳感器實際特性曲線如圖4.5-2所示，由圖可見，銜鐵在中間位置時，即位移為零時電橋理論上處于平衡狀態(tài)，輸出電壓=0，但實際上，位移為零時，輸出電壓并不為零，這樣就帶來了零位誤差。產(chǎn)生零位誤差的原因是：（1）差動傳感器兩個線圈和導磁體不完全對稱；（2）傳感器工作在磁化曲線的非線性段，因而因其輸出電壓有高次諧波；（3）激勵信號有高次諧波；（4）分布電容的影響。為減小零位誤差，可采取相應(yīng)的措施，如減小激勵信號的諧波成分，減小激磁電流，以使傳感器工作在磁化曲線的線性段，還可采用適當?shù)难a償電路進行補償。3、 溫度影響溫度變化會影響線圈的電阻和導磁材料的磁導率，這樣線圈的阻抗就會發(fā)生變化，即當無被測量變化時，也有電量輸出，這就造成了誤差。另外溫度變化會導致零件幾何尺寸變化，特別是銜鐵與導磁體