《感測技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書電感位移檢測的傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 武漢理工大學(xué)感測技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 信息工程0402 指導(dǎo)教師： 工作單位：信息工程學(xué)院 題 目: 電感式位移檢測的傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 初始條件：變氣隙長度型差動自感傳感器，3位半模數(shù)轉(zhuǎn)換器cc14433，led七段數(shù)碼管要求完成的主要任務(wù): 利用變氣隙長度型差動自感傳感器設(shè)計(jì)電感式位移檢測的傳感系統(tǒng)1.設(shè)計(jì)測量電路、轉(zhuǎn)換電路；2.自選電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)；3.a/d轉(zhuǎn)換和顯示電路推薦使用；1）3位半模數(shù)轉(zhuǎn)換器（型號：cc14433或者cc7107） 2) 顯示器采用led (型號：tos-5101bh)4.按要求撰寫課程設(shè)計(jì)說明書；5.進(jìn)行課程設(shè)計(jì)答辯時間安排

2、：2007年 1月29號-30號 選題及調(diào)研 1月31號-2月1號 程序設(shè)計(jì)及調(diào)試 2月 2號-2月3號 撰寫課程設(shè)計(jì)說明書 2月4號 答辯 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄1 前言12 設(shè)計(jì)原理12.1放大電路的設(shè)計(jì)32.2濾波電路的設(shè)計(jì)42.3數(shù)字顯示電路43 總設(shè)計(jì)圖84 電路調(diào)試95 心得體會96 參考文獻(xiàn)101.前言隨著社會的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，人類探知工程信息的領(lǐng)域和空間不斷的擴(kuò)展，要求信息傳遞的速度加快和信息處理的能力增強(qiáng)，因而形成了信息采集技術(shù)-之一傳感技術(shù)它將成為21世紀(jì)人們在信息工程技術(shù)領(lǐng)域爭奪的一個最高點(diǎn)，因而，學(xué)好感測并用與實(shí)踐對我們

3、來講是非常必要的。 感測課程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)性很大，它需要我們掌握和運(yùn)用基本的感測原理及運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)，各部分功能及其相互聯(lián)系、相互作用，并要熟悉基本的圖形知識，才能獨(dú)立把電路設(shè)計(jì)出來。因而對于我們提傳感與檢測的實(shí)際運(yùn)用具有很大的幫助，讓我們對在實(shí)踐中真正鞏固了傳感與檢測技術(shù)這門重要的課程，并最大限度的發(fā)揮我們的創(chuàng)造性2.設(shè)計(jì)原理該設(shè)計(jì)要求傳感系統(tǒng)將待測的非電量（位移）轉(zhuǎn)換為電量，并將所得的電量轉(zhuǎn)換為人可識別的形式（數(shù)碼管的數(shù)字顯示）。總框圖如圖1所示。圖1 設(shè)計(jì)總框圖該檢測電路使用差動氣隙式自感傳感器，兩個傳感線圈在工作時的自感呈反相變化，形成差動輸出，因而稱之為差動自感傳感器。差動自感傳感器有變氣隙

4、長度型和變氣隙截面積型。該檢測電路選用變氣隙長度型差動自感傳感器，其原理圖如圖2所示。圖2 差動自感傳感器原理圖（1）初態(tài)時：若結(jié)構(gòu)對稱，且動鐵居中，則（2）動鐵上移時，則（3）動鐵下移時：同理可得 由上分析可得，動鐵位移時，輸出電壓的大小和極性將跟隨位移的變化而變化。該差動自感傳感器等效圖如圖3所示。圖3 差動自感傳感器等效圖傳感器的輸出信號需要經(jīng)相敏檢波電路的處理，將正弦信號變?yōu)檎?fù)值隨動鐵位移方向的不同而變化的全波檢流信號。其電路圖如圖4所示。圖4相敏檢波電路（1）初態(tài)時：由于動鐵居中，即，由于橋路結(jié)構(gòu)對稱，此時，即。（2）動鐵上移時：，即，此時圖示所示電流和標(biāo)向?yàn)殡娫凑胫軙r的流向，電

5、源負(fù)半周時流經(jīng)和的電流和方向都改變，如圖中和所示；但測量電橋的輸出狀態(tài)不變，即無論電源正半周或負(fù)半周，輸出均為0，所示表指針反轉(zhuǎn)，讀數(shù)為負(fù)，表明動鐵在下移。（3）動鐵下移時：，即，此時 2.1放大電路的設(shè)計(jì)動鐵移動導(dǎo)致氣隙長度的變化，差動自感傳感器的輸出隨之變化。該輸出需經(jīng)放大電路將信號放大，放大器的輸出將作為濾波電路的輸入。放大電路的電路圖如圖5所示，運(yùn)算放大器選用lh0032，工作電源電壓為+20v和-20v。其中，反饋電路中用到了電感和可變電容，在最后的調(diào)試中可適當(dāng)調(diào)節(jié)可變電容的電容值以達(dá)到預(yù)期的參數(shù)。圖5 放大電路的電路圖2.2濾波電路的設(shè)計(jì)前一級放大電路以對信號進(jìn)行了放大，接下來，為

6、了讓信號變得適合數(shù)字顯示電路的輸入，需要讓信號進(jìn)一步平滑，變成恒定電壓。本單元設(shè)計(jì)采用二階型低通濾波器，主要由lh0032構(gòu)成。電路原理圖如圖6所示。 圖6濾波電路圖2.3數(shù)字顯示電路該單元由數(shù)字電壓表構(gòu)成。數(shù)字顯示電路主要由三位半雙積分a/d轉(zhuǎn)換器cc14433、精密基準(zhǔn)電源mc1403、cmos bcd七段譯碼/驅(qū)動器cc4511、七路達(dá)林頓晶體管陣列mc1413和led顯示器tos-5101bh組成。 三位半雙積分a/d轉(zhuǎn)換器cc14433cc14433是cmos雙積分式三位半a / d轉(zhuǎn)換器，它是將構(gòu)成數(shù)字和模擬電路的約7700多個mos晶體管集成在一個硅芯片上，芯片有24只引腳，采用

7、雙列直插式，其引腳排列與功能如圖7所示。圖7 三位半雙積分a/d轉(zhuǎn)換器cc14433的管腳圖各引腳功能闡述如下： vag（1腳）：被測電壓vx和基準(zhǔn)電壓vr的參考地； vr （2腳）：外接基準(zhǔn)電壓（2v或200mv）輸入端； c01（7腳）、c02（8腳）：外接失調(diào)補(bǔ)償電容端，典型值0.1f； du（9腳）：實(shí)時顯示控制輸入端，若與eoc（14腳）端連接，則每次a / d轉(zhuǎn)換均顯示；cp1 （10腳）、cp， （11腳）：時鐘振蕩外接電阻端，典型值為470k，vee （12腳）：電路的電源最負(fù)端，接5v； vss （13腳）：除cp外所有輸入端的低電平基準(zhǔn)（通常與1腳連接）； eoc（14腳）

8、：轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)記輸出端，每一次a / d轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，eoc 輸出一個正脈沖，寬度為時鐘周期的二分之一； （15腳）：過量程標(biāo)志輸出端，當(dāng)vxvr 時，輸出為低電平； ds4ds1 （1619腳）：多路選通脈沖輸入端，ds1對應(yīng)于千位，ds2 對應(yīng)于百位，ds3 對應(yīng)于十位，ds4對應(yīng)于個位； q0q3 （2023腳）：bcd碼數(shù)據(jù)輸出端，ds2、ds3、ds4選通脈沖期間，輸出三位完整的十進(jìn)制數(shù)，在ds1選通脈沖期間，輸出千位0或1及過量程、欠量程和被測電壓極性標(biāo)志信號。cc14433時鐘頻率66khz，每秒鐘可進(jìn)行4次a / d轉(zhuǎn)換。它的使用調(diào)試簡便，能與微處理機(jī)或其它數(shù)字系統(tǒng)兼容，廣泛

9、用于數(shù)字面板表，數(shù)字萬用表，數(shù)字溫度計(jì)，數(shù)字量具及遙測、遙控系統(tǒng)。 cmos bcd七段譯碼/驅(qū)動器cc4511cc4511的管腳圖如圖8所示。圖8 cc4511的管腳圖引腳功能說明如下： a、b、c、d（7、1、2、6腳）：bcd 碼輸入端； a、b、c、d、e、f、g （13、12、11、10、9腳）：譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅(qū)動共陰極led數(shù)碼管； lt（3腳）：測試輸入端，lt“0”時譯碼輸出全為“1”,這時數(shù)碼管各段全部點(diǎn)亮,便可檢查數(shù)碼顯示器的好壞。否則數(shù)碼管是壞的； bi4（腳）：消隱輸入端，bi“0”時譯碼輸出全為“0”； le（5腳）：鎖定端，le“1”時譯碼器處于鎖

10、定（保持）狀態(tài)，譯碼輸出保持在le0時的數(shù)值，le0為正常譯碼。 七路達(dá)林頓晶體管陣列mc1413mc1413采用npn達(dá)林頓復(fù)合晶體管的結(jié)構(gòu)，因此有很高的電流增益和很高的輸入阻抗，可直接接受mos或cmos集成電路的輸出信號，并把電壓信號轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號驅(qū)動各種負(fù)載。該電路內(nèi)含有7個集電極開路反相器（也稱oc門）。mc1413引腳排列和電路結(jié)構(gòu)如圖9和圖10所示，它采用16引腳的雙列直插式封裝。每一驅(qū)動器輸出端均接有一釋放電感負(fù)載能量的抑制二極管。圖9 mc1413引腳排列圖 圖10 mc1413電路結(jié)構(gòu)圖 精密基準(zhǔn)電源mc1403mc1403是低壓基準(zhǔn)芯片。一般用作812bit的d/

11、a芯片的基準(zhǔn)電壓等一些需要基本精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓的場合。其輸出電壓為+2.5 v 或- 25 mv，輸入電壓范圍為4.5 v-40 v，輸出電流為10 ma。芯片管腳圖如圖11所示，nc為空引腳。圖11 mc1403芯片管腳圖 led顯示器tos-5101bh本次設(shè)計(jì)中選用四快led顯示器tos-5101bh。在成形的測量系統(tǒng)中這四塊顯示器按次序擺在一起并封裝在面板上用來顯示數(shù)據(jù)的各位。其中有三塊用于顯示低三位數(shù)字，還有一塊作為最高位數(shù)字以及負(fù)號的顯示。當(dāng)輸入電壓為正值時不顯示符號位，最高位顯示1或不顯示；當(dāng)輸入電壓為負(fù)值時顯示符號位，最高位顯示1或不顯示。因此，數(shù)字顯示電路所能顯示的最大范圍為-

12、1999到+1999。其外觀圖如圖12所示。圖12 led顯示器tos-5101bh led封裝組 數(shù)字顯示電路總設(shè)計(jì)圖如圖13所示。圖13數(shù)字顯示電路總設(shè)計(jì)圖3.總設(shè)計(jì)圖為led顯示器提供驅(qū)動信號，led顯示器將測量結(jié)果顯示出來。圖圖14 電感式位移檢測傳感系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖4.電路調(diào)試該電路調(diào)試分為制作過程中的調(diào)試和測試前的調(diào)零。制作過程中的調(diào)試為了使放大電路的反饋達(dá)到最佳值，在反饋回路中串聯(lián)著一個可變電容器，調(diào)節(jié)可變電容器的電容值，即可彌補(bǔ)反饋回路中電感的參數(shù)誤差，使放大電路在保持足夠增益的情況下，輸出得以穩(wěn)定。測試前的調(diào)零為了使動鐵處于初始位置時，數(shù)字顯示電路能夠顯示零，在測試之前應(yīng)調(diào)節(jié)電位

13、器rx到合適的值。除此之外，還可使數(shù)字顯示電路的顯示結(jié)果與被測量之間有一定的倍數(shù)關(guān)系（一般是10的n次方），以方便讀數(shù)。5.心得體會幾天的課程設(shè)計(jì)就在忙碌中匆匆度過，對于這次的感測設(shè)計(jì)，總的來說基本完成了課設(shè)的任務(wù)要求?；仡櫰鸫舜蝹鞲衅髡n程設(shè)計(jì)，可以說學(xué)到很多很多的的東西：通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到了一些在學(xué)習(xí)課本知識時沒遇到的問題，同時在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過這次課程設(shè)計(jì)之后，不僅鞏固了自己平時學(xué)的知識，而且也讓自己學(xué)到了許多的上課學(xué)不到的知識，對自己的專業(yè)知識有相當(dāng)大的幫助！這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)的過程中，付出辛勞與汗水的同時，對知識的理解程度以及動手能力也得到了很大提高。在此，也感謝為我提供了幫助的同學(xué)與老師。6.參考書目1 戴焯.傳感與檢測