傳感器測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)

1、湖 南 科 技 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 課程設(shè)計(jì)名稱： 傳感器/測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 院 ： 專業(yè)及班級(jí) ： 學(xué) 號(hào) ： 指 導(dǎo) 老 師 ： 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程設(shè)計(jì)名稱傳感器/測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器學(xué) 生 姓名年級(jí)專業(yè)學(xué)號(hào)指 導(dǎo) 教 師單位課程設(shè)計(jì)起止日期2015年6月8日-2015年6月19日設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器，說(shuō)明基本工作原理，繪制傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、裝配圖和零件圖。設(shè)計(jì)目的 1、了解傳感器設(shè)計(jì)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(duì)傳感器原理理論知識(shí)的理解； 4、通過(guò)自己動(dòng)

2、手設(shè)計(jì)，加深對(duì)傳感器的理解，以及提高自己的動(dòng)手、收集資料、解決問(wèn)題的能力，為從事儀器系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)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(cè)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(jì)(裝配圖1張，零件圖1張） 6、電路設(shè)計(jì)（硬件電路及分析,電路圖1張）7、可以不同班級(jí)的兩人以上選同一題，但結(jié)構(gòu)、測(cè)量范圍、測(cè)量方式、測(cè)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(ài)好，自選課題，但其設(shè)計(jì)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(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、輸出信號(hào)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(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，繪制了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、裝配圖和零件圖，同時(shí)設(shè)計(jì)出了后續(xù)信號(hào)處理電路，為單片機(jī)的后續(xù)信號(hào)處理提供信號(hào)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(hào)處理電路目錄第一章 緒論················&#

4、183;······························21.1 課程設(shè)計(jì)的意義·················&#

5、183;·················21.2 課程設(shè)計(jì)的題目及要求·····························21.3

6、課程設(shè)計(jì)的目的···································2第二章 磁電式測(cè)轉(zhuǎn)速基本工作原理···········

7、···············3第三章 設(shè)計(jì)方案的確定與方案原理··························43.1 設(shè)計(jì)方案的確定····&

8、#183;·····························43.2 變磁通式磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器·················

9、···4第四章 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算······························64.1 主要技術(shù)參數(shù)············

10、3;·······················64.2 傳感器主要元件的工程設(shè)計(jì)計(jì)算····················64.3 傳感器轉(zhuǎn)配圖·

11、3;··································9第五章 測(cè)控電路的設(shè)計(jì)·············

12、3;······················115.1 正弦波產(chǎn)生電路·························

13、83;········115.2 放大電路·······································125.3

14、 相敏檢波電路···································135.4 濾波電路············&

15、#183;··························14第六章 總結(jié)與分析·····················&#

16、183;·················15參考文獻(xiàn)·······························&#

17、183;················16附錄································

18、3;···················17第一章 緒論1.1課程設(shè)計(jì)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(shuō)，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(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各式各樣的傳感器。因此，作為測(cè)控專業(yè)的學(xué)生，學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的傳感器并掌握其設(shè)計(jì)思想是非常有必要的。1.2課程設(shè)計(jì)的題

19、目及要求（1）題目：磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì)（2）要求：學(xué)生需認(rèn)真閱讀課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，熟悉有關(guān)設(shè)計(jì)資料及參考資料，熟悉有關(guān)各種設(shè)計(jì)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(jì)內(nèi)容。學(xué)生均應(yīng)在教師指導(dǎo)下，按時(shí)獨(dú)立完成規(guī)定的內(nèi)容和工作量。課程設(shè)計(jì)的計(jì)算說(shuō)明書和設(shè)計(jì)圖紙：要求設(shè)計(jì)說(shuō)明書計(jì)算準(zhǔn)確、文字通順、編排規(guī)范（要求計(jì)算機(jī)打?。?。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(jì)的目的傳感器課程設(shè)計(jì)是測(cè)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(cè)試、實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)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、壓電傳感器、光纖傳感器等基本型、設(shè)計(jì)性和綜合性

20、實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)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(jì)要點(diǎn)的基本技能，加深學(xué)生對(duì)“傳感器原理”及“測(cè)控電路”理論知識(shí)的理解，為從事儀器系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。第二章 磁電式測(cè)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(dòng)勢(shì)的傳感器。測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，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(dòng)勢(shì)信號(hào)。對(duì)于磁電轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)說(shuō)線圈匝數(shù)是固定的，因此輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)僅僅與磁通變化率即和轉(zhuǎn)速有關(guān)，而且電動(dòng)勢(shì)的大小與轉(zhuǎn)速成正比，而與氣隙成反比；每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，電動(dòng)勢(shì)經(jīng)歷一個(gè)周期，電動(dòng)勢(shì)頻率f

21、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(guò)檢測(cè)信號(hào)頻率來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。 第三章 設(shè)計(jì)方案的確定與方案原理3.1 設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jì)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)，就是某些材料的電阻值受磁場(chǎng)的影響而改變的現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱磁阻效

22、應(yīng)。磁阻傳感器主要用來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)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(chǎng)的存在，改變了電流的分布，電流所流經(jīng)的途徑變長(zhǎng)，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(jiǎn)單情況下，理論推導(dǎo)出來(lái)的磁場(chǎng)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(shí)的電阻率，·m; -零磁場(chǎng)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(dòng)范圍大小，當(dāng)電阻率變化時(shí) ，電阻率的相對(duì)變化為 (3-2)可見，在利用磁阻效應(yīng)的元件中，半導(dǎo)體材料的電子遷

23、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(jí)閉磁路變磁通式結(jié)構(gòu)示意圖。被測(cè)轉(zhuǎn)軸1帶動(dòng)橢圓形鐵芯2在磁場(chǎng)氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長(zhǎng)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(shì)。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(cè)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩齒輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(shì)。圖3.2.2 兩級(jí)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(jì)與計(jì)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)工作方式每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（）測(cè)

24、量范圍（）工作溫度工作相對(duì)濕度外形尺寸傳輸長(zhǎng)度閉磁路式×4.2 傳感器主要元件的工程設(shè)計(jì)計(jì)算 磁路計(jì)算永磁系統(tǒng)磁路計(jì)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(jì)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金制成，是提

25、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(shí)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(hào)名稱代號(hào)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(shí)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，點(diǎn)正好與A

26、點(diǎn)對(duì)應(yīng)。因此，只要過(guò)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(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為,磁感應(yīng)強(qiáng)度為。計(jì)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(zhǎng)度。若氣隙為d,氣隙內(nèi)磁場(chǎng)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(shí) （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，其中和為磁

27、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。考慮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(gè)氣隙磁場(chǎng)分成若干個(gè)易于計(jì)算的簡(jiǎn)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(jì)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(jì)算時(shí)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(chǎng)均勻時(shí)，氣隙磁導(dǎo)，所以?？紤]到去磁曲線B=f(H)

28、的坐標(biāo)比例尺，式（4-4）又可以改寫成 (4-5) 式中，磁場(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度l,再由l計(jì)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(zhǎng)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 （4-11）

29、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(duì)應(yīng)相等。測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，傳感器的轉(zhuǎn)軸1與被測(cè)物的轉(zhuǎn)軸相連接，因而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子2的齒與定子7的齒相對(duì)時(shí)，氣隙最小，磁路系統(tǒng)的磁通最大。齒與槽相對(duì)時(shí)，氣隙最大，磁通最小。因此當(dāng)定子7不動(dòng)而轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁通就周期性的變化，從而在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)

30、速n越高，感應(yīng)電勢(shì)的頻率也就越高。圖4.2 傳感器零件圖 第5章 測(cè)控電路的設(shè)計(jì)傳感器出來(lái)的信號(hào)要經(jīng)過(guò)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(cè)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(jì)。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(hào)加入運(yùn)算放大的同相輸入端，所以輸入電阻很高，這樣同相放大器的增

31、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(wú)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(gè)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(dòng)穩(wěn)幅的目的，在運(yùn)算放大器輸入端加上由R8、R4和場(chǎng)效應(yīng)管VT組成可控負(fù)反饋電路。對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管要求工作在線性電阻區(qū)，只有在UDS較小時(shí)，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

32、0M ，當(dāng)幅值較大時(shí)， RDS應(yīng)自動(dòng)增大以加強(qiáng)負(fù)反饋，這個(gè)作用由整流二極D1，濾波電路R7、R6、C5及場(chǎng)效應(yīng)管VT組成。當(dāng)幅值較小時(shí)，C5上的電壓VC5逐漸減小，導(dǎo)致RDS下降，所以電路將自動(dòng)在VT的其一柵源電壓下穩(wěn)定下來(lái)，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(cè)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出信號(hào)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(duì)這種信號(hào)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(dòng)放大器，其對(duì)稱性結(jié)構(gòu)使整個(gè)放大器具有很高的共模抑制能力，特別是適用于長(zhǎng)距離測(cè)量。其數(shù)學(xué)模型為： （5-2) 令電路參數(shù)對(duì)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(duì)微小的差模電壓很敏感，并適用于遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，因而十分適用與傳感器配合使用。顯然，為保證電路的對(duì)稱性，改變?cè)鲆孀詈侠?、最?jiǎn)單的方法是改變RG的阻值。