畢業(yè)論文非接觸式電位器的研究

1、非接觸式電位器的研究畢業(yè)論文題目： 非接觸式電位器的研究 院（系） 信息科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化屆 別 2010 屆 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)老師 2010年5月摘 要 電位器是一種阻值可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行調(diào)整的可變電阻器，是應(yīng)用廣泛的通用機(jī)電元件。傳統(tǒng)的電位器大多為接觸式的，這樣的電位器存在許多缺點(diǎn)。為克服存在的缺陷，非接觸式電位器應(yīng)運(yùn)而生。本次設(shè)計(jì)從現(xiàn)代傳感器技術(shù)入手，通過(guò)深入了解現(xiàn)代傳感器技術(shù)，從中選取合適的傳感器作為實(shí)現(xiàn)“非接觸式”的手段。在理論分析的基礎(chǔ)上，并考慮到實(shí)際制作環(huán)境的限制，從而選取了差動(dòng)式電感傳感器作為電位器的調(diào)節(jié)端，并且改進(jìn)了傳感器電路，提高了其調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性

2、和靈敏度。在該電位器的輸出端，接上了一運(yùn)算放大器，使其輸出范圍大大增加。通過(guò)對(duì)作品參數(shù)的測(cè)試，證明了其符合設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了電位器的“非接觸式”調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞：電位器；非接觸式電位器；傳感器技術(shù)；差動(dòng)式電感傳感器；運(yùn)算放大器abstractpotentiomete is a resistor that can be adjusted according to the user who needs a variable resistance,its a widely used and general-purpose electromechanical components.most of the t

3、raditional potentiometes are contact-type component,there are many defects with them.in order to overcome these defects,the non-contact potentiometers are invented.this design is on the base of modern sensor technology.by a profound understanding of the modern sensor technology,i use a suited sensor

4、 to achieveing the “non-contact”.not only i analyse the theory,but also i think over the practical setting,i choose the differential-inductive sensors as the modulatory terminal,and mend the sensor circuit,so the stability and susceptiveness have improved. in the output of the potentiometer,i use a

5、operational amplifier to increase the output range.through the test of this work,i prove it meet the design requirements: achieveing the “non-contact” of the potentiometer.keywords：potentiometer，non-contact potentiometers，sensor technology， differential-inductive sensors，operational amplifier目 錄 摘 要

6、 1abstract 2引 言 4第一章 設(shè)計(jì)任務(wù) 5 1.1 設(shè)計(jì)題目 5 1.2 設(shè)計(jì)背景 5 1.3 設(shè)計(jì)任務(wù) 5第二章 電位器的認(rèn)識(shí) 6 2.1 傳統(tǒng)電位器 6 2.2 非接觸式電位器 7第三章 傳感器的電子學(xué)基礎(chǔ) 8 3.1 電橋 8 3.2 電橋的電源 10 3.3 傳感器信號(hào)的放大 11第四章 作品設(shè)計(jì) 12結(jié) 語(yǔ) 19參考文獻(xiàn) 21后 記 22致 謝 22引 言電位器是一種可調(diào)的電子元件。傳統(tǒng)的電位器是由一個(gè)電阻體和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)組成。當(dāng)電阻體的兩個(gè)固定觸電之間外加一個(gè)電壓時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)改變觸點(diǎn)在電阻體上的位置，在動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)之間便可得到一個(gè)與動(dòng)觸點(diǎn)位置成一定關(guān)

7、系的電壓。由于電阻體和滑動(dòng)系統(tǒng)之間存在摩擦，且改變電參數(shù)必然需要一定的力矩，這些對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)和靈敏的儀器是極為有害的。電刷的長(zhǎng)期摩擦?xí)菇佑|電阻發(fā)生變化，噪聲變大，可靠性變差，壽命變短，而非接觸式電位器則可以克服這些缺點(diǎn)。由于非接觸式電位器和傳統(tǒng)電位器相比具有不可比擬的優(yōu)越性，因此在許多對(duì)電位器要求高的場(chǎng)合，非接觸式電位器得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)由傳感器技術(shù)出發(fā)，較為詳細(xì)地介紹了相關(guān)的傳感器技術(shù)，敘述了設(shè)計(jì)的過(guò)程及相關(guān)數(shù)值計(jì)算。從設(shè)計(jì)材料的經(jīng)濟(jì)合理、易于制作的要求出發(fā)，確定了所需原件及設(shè)計(jì)方法。第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)題目 非接觸式電位器的研究1.2 設(shè)計(jì)背景在現(xiàn)代社會(huì)中，科技迅速發(fā)展、各種

8、技術(shù)日新月異，為我們的工作、生活提供了極大的便利。在調(diào)節(jié)和控制的領(lǐng)域當(dāng)中，電位器有著非常重要地位。傳統(tǒng)的電位器由于電刷的長(zhǎng)期摩擦?xí)菇佑|電阻發(fā)生變化，噪聲變大、可靠性變差，使壽命變短，對(duì)于一些調(diào)節(jié)頻繁、要求調(diào)節(jié)精度高的場(chǎng)合，這樣的電位器在就難以應(yīng)付了。為了改善其性能，提高其適用性，非接觸電位器應(yīng)運(yùn)而生。非接觸式電位器克服了傳統(tǒng)電位器的許多缺點(diǎn)，是調(diào)節(jié)性能大大提高，不管是在頻繁的調(diào)節(jié)場(chǎng)合或者是要求精確調(diào)節(jié)，非接觸式電位器都能很好的升任。可以說(shuō)，非接觸式電位器的出現(xiàn)，使各種工業(yè)控制和生活、生產(chǎn)方面的控制調(diào)節(jié)得到了很大的改善，提高了生產(chǎn)和生活的水平。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一電位器，要求實(shí)現(xiàn)“非接觸式”

9、調(diào)節(jié)。電位器在制作時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際操作環(huán)境，要便于購(gòu)買材料和易于制作。第二章 電位器的認(rèn)識(shí)2.1 傳統(tǒng)電位器電位器是一種可調(diào)的電子元件。大多數(shù)傳統(tǒng)的電位器是由一個(gè)電阻體和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)組成。當(dāng)電阻體的兩個(gè)固定觸電之間外加一個(gè)電壓時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)改變觸點(diǎn)在電阻體上的位置，在動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)之間便可得到一個(gè)與動(dòng)觸點(diǎn)位置成一定關(guān)系的電壓。它大多是用作分壓器，這是電位器是一個(gè)四端元件。電位器基本上就是滑動(dòng)變阻器，有幾種樣式，一般用在音箱音量開關(guān)和激光頭功率大小調(diào)節(jié) 電位器是一種可調(diào)的電子元件。它是由一個(gè)電阻體和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)組成。當(dāng)電阻體的兩個(gè)固定觸電之間外加一個(gè)電壓時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)改

10、變觸點(diǎn)在電阻體上的位置，在動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)之間便可得到一個(gè)與動(dòng)觸點(diǎn)位置成一定關(guān)系的電壓。傳統(tǒng)的電位器在調(diào)節(jié)電位的時(shí)候，是通過(guò)觸點(diǎn)在電阻體上的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。這樣的調(diào)節(jié)方式雖然簡(jiǎn)單，但是存在許多缺點(diǎn)。首先，觸點(diǎn)的滑動(dòng)會(huì)與電阻體（圖中r）產(chǎn)生摩擦，如此長(zhǎng)期下去，電位器的調(diào)節(jié)精確度必然會(huì)下降，從而影響了機(jī)器的正常運(yùn)行。另一方面，由于觸點(diǎn)和電阻體摩擦的緣故，會(huì)使電位器的壽命大大減小，影響了機(jī)器的使用周期。特別是在調(diào)節(jié)場(chǎng)合頻繁的時(shí)候，劇烈的摩擦?xí)?yán)重降低調(diào)節(jié)的可靠性。由此可見，傳統(tǒng)的電位器雖然可以實(shí)現(xiàn)電位的調(diào)節(jié)，但是本身存在的不足限制其使用的范圍。為了克服傳統(tǒng)電位器的種種缺點(diǎn)，非接觸式電位器變應(yīng)運(yùn)而生了。2

11、.2 非接觸式電位器 上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了傳統(tǒng)電位器的結(jié)構(gòu)，以及傳統(tǒng)電位器的不足。為了克服傳統(tǒng)電位器在調(diào)節(jié)過(guò)程中的摩擦所帶來(lái)的不良后果，科學(xué)家們通過(guò)反復(fù)研究和實(shí)驗(yàn)，制作出了非接觸式電位器。這種電位器和傳統(tǒng)電位器最大的不同點(diǎn)在于，其調(diào)節(jié)端是“非接觸”的，調(diào)節(jié)電位的時(shí)候，不會(huì)產(chǎn)生像傳統(tǒng)電位器那樣的摩擦，從而大大提高了電位器的調(diào)節(jié)精確度和使用壽命。常見的非接觸式電位器的調(diào)節(jié)端大部分是使用現(xiàn)代傳感器，例如霍爾傳感器、電渦流傳感器、電感傳感器等。這些傳感器在調(diào)節(jié)時(shí)，通常是將一些非電量，如位移、傾角、壓力等的變化轉(zhuǎn)換為一定的信號(hào)，并通過(guò)這些信號(hào)的變化，控制輸出端的信號(hào)輸出。傳感器的相關(guān)知識(shí)將在下章介紹。第三章

12、 傳感器的電子學(xué)基礎(chǔ)根據(jù)傳感器輸入信號(hào)的不同，檢測(cè)系統(tǒng)分為直流檢測(cè)系統(tǒng)和交流檢測(cè)系統(tǒng)兩大類，如下圖所示。 3.1 電橋電橋主要用于把被測(cè)的非電量（或電量）轉(zhuǎn)換成電阻、電感、電容的變化，再變成電流或電壓的變化。電橋在測(cè)量系統(tǒng)中的使用十分廣泛。根據(jù)供電電源的不同，電橋分為直流電橋和交流電橋。直流電橋主要用于應(yīng)變式傳感器，就聊電橋主要用來(lái)測(cè)電感和電容的變化，例如，用于電感式傳感器和電容式傳感器。3.1.1 直流電橋直流電橋原理電路如圖3-1： 電橋輸出電壓為： 電橋平衡條件是=0，即 3.1.2 交流電橋如圖3-2，交流電橋的激勵(lì)源為交流電源，四個(gè)橋臂上接的是阻抗元件。 用復(fù)阻抗z代替電阻r，且輸入

13、電壓和輸出電壓均用復(fù)數(shù)表示，即分別為和，則交流電橋的輸出電壓表達(dá)式與直流電橋相同，即 把各復(fù)阻抗用指數(shù)形式表示，即用表示，則交流電橋平衡課寫成 根據(jù)復(fù)數(shù)相等條件，交流電橋平衡必須滿足下面條件由以上兩式可知，交流電橋平衡有兩個(gè)條件：相對(duì)兩臂阻抗模乘積相等；兩相對(duì)橋臂復(fù)阻抗角之和相等。兩個(gè)平衡條件缺一不可，否則交流電橋永遠(yuǎn)不平衡。3.2 電橋的電源直流電橋使用的是直流電源，交流電橋使用的是交流電源。3.2.1 直流電橋的電源為了獲得穩(wěn)定的電橋驅(qū)動(dòng)電源，減小電源變化對(duì)電橋工作的影響，一般采用恒壓源或恒流源做直流電橋的電源。1. 直流電橋的恒壓電源在直流電橋中，為了獲得穩(wěn)定的電橋驅(qū)動(dòng)電壓，常常采用單獨(dú)

14、的恒壓源供電。常用的有以下幾種：（1） 集成電路穩(wěn)壓電源（2） 可編程穩(wěn)壓電源（3） 專用傳感器電源模塊2b35k（4） 其他低成本電橋電源2. 直流電橋的恒流源電源在應(yīng)變式、壓阻式傳感器測(cè)量電路中，為了減小環(huán)境溫度和流過(guò)電橋臂上電阻電流變化產(chǎn)生的影響，要求流過(guò)的電流要穩(wěn)定，以減小因電流變化產(chǎn)生的熱量變化導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化，給測(cè)量帶來(lái)額外的誤差。因此，要求電橋在恒流電源下工作。3.2.2 交流電橋的電源交流電橋的電源要求為純凈的正弦信號(hào)。獲得穩(wěn)定的交流電橋驅(qū)動(dòng)電源的方法有多種。對(duì)于音頻電橋，一般采用rc振蕩器。只有在工頻下工作的高壓交流電源，才直接使用電網(wǎng)電壓。對(duì)于有嚴(yán)格要求的交流電橋，目前常

15、采用石英體振蕩器，通過(guò)頻率綜合器或可編程分析器得到所需要的頻率。隨著集成電路的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了專用正弦信號(hào)發(fā)生集成電路，為用戶獲得所需頻率的信號(hào)源提供了極大方便。隨著專用集成電路和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，可編程控制的多功能數(shù)字式正弦波發(fā)生器也得到了廣泛使用。交流電橋的電源在使用時(shí)應(yīng)注意一下條件：1. 有效頻率范圍2. 頻率穩(wěn)定度3. 幅值穩(wěn)定度4. 電源輸出電壓和輸出功率3.3 傳感器信號(hào)的放大傳感器信號(hào)放大的目的是為了將微弱的傳感器輸出信號(hào)，放大到足以進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換處理或推動(dòng)各種執(zhí)行控制機(jī)制。由于被測(cè)對(duì)象不同，傳感器輸出信號(hào)大小和波形不相同，傳感器所處外界環(huán)境條件、各種噪聲對(duì)傳感器的影響也不一樣

16、，因此選擇放大電路的形式和性能指標(biāo)也不同。在一些場(chǎng)合下要求放大電路的增益能自動(dòng)控制，在另一些場(chǎng)合需要對(duì)傳感器的非線性進(jìn)行線性化處理；有時(shí)候?yàn)榱藴p少系統(tǒng)間的相互干擾，需要實(shí)行電器隔離，采用隔離放大器等。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，目前已廣泛采用集成運(yùn)算放大器組成各種類型放大電路，或采用專用的集成放大器。第四章 作品設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)電位器調(diào)節(jié)的“非接觸式”，其調(diào)節(jié)端（控制端）可采用部分傳感器，例如霍爾傳感器、電渦流傳感器、電感式傳感器等?？紤]到制作條件及制作環(huán)境的限制，本次設(shè)計(jì)采用的是差動(dòng)變壓器式傳感器。該傳感器屬于電感式傳感器的一種，其特點(diǎn)是（1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，輸出功率大，輸出阻抗小，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)

17、工作環(huán)境要求不高（2） 分辨率高：長(zhǎng)度能分辨，測(cè)力時(shí)銜鐵重力為，電磁吸力為；能感受的角位移（3） 重復(fù)性好、線性好，穩(wěn)定性好。傳感器部分的設(shè)計(jì)框圖如下：一.設(shè)計(jì)任務(wù)的設(shè)定由于設(shè)計(jì)沒有具體要求，所以一下設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為本人自己確定。其中設(shè)計(jì)中涉及到的相關(guān)數(shù)據(jù)按設(shè)定的來(lái)計(jì)算。二.作品設(shè)計(jì)1.參數(shù)設(shè)定本設(shè)計(jì)的非接觸式電位器的調(diào)節(jié)端為一差動(dòng)變壓器式傳感器，設(shè)計(jì)要求的設(shè)定如下：（1） 最大輸入位移為0.8mm（2） 靈敏度不小于20mv/um（3） 非線性誤差不大于1%（4） 零位誤差不大于10mv（5） 電源選取36v，400hz2.設(shè)計(jì)步驟下圖為設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖：1)選定差動(dòng)變壓器電感元件的結(jié)構(gòu)，其形式如圖

18、4-1。圖4-1鐵芯和銜鐵的工作數(shù)學(xué)模型為式中 初、次級(jí)線圈匝數(shù) 電源電壓 氣隙 氣隙變化2)確定制作材料 鐵芯和銜鐵選定形鐵芯，材料為硅鋼片。其結(jié)構(gòu)尺寸如下圖?？紤]到電源頻率=400hz，以及鐵芯規(guī)格，選取疊片的厚度h=0.2mm，共20片。線圈材料根據(jù)窗口面積應(yīng)容納線圈的原則，應(yīng)有下面的式子成立填充系數(shù)，與導(dǎo)線的直徑和工藝有關(guān)，一般。允許窗口面積所以，導(dǎo)線選取直徑d=0.06的高強(qiáng)度漆包線。如下圖。直徑為0.06mm的高強(qiáng)度漆包線3)確定初始間隙有制作條件可知，由于要求非線性不大于1%，可選取，又因?yàn)?，所以?)確定勵(lì)磁電流由于制作的是差動(dòng)變壓器式傳感器，所以需要計(jì)算勵(lì)磁電流。一般的，取電

19、流密度，則勵(lì)磁電流 。5)確定線圈匝數(shù)由圖4-1可知，輸出電壓為初、次級(jí)線圈之間的互感分別為 ， 其中，為上、下鐵芯的次級(jí)線圈的互感磁鏈；為上、下鐵芯中有電流產(chǎn)生的磁通的幅值。由此可得因?yàn)殍F芯磁阻（氣隙磁阻），所以可忽略，同時(shí)還忽略漏磁通，則差動(dòng)變壓器的等效電路圖如下。有磁路原理可知 ， 且 ， 將以上四個(gè)式子帶入電壓輸出等式，得去掉高階的，則有靈敏度為所以為了簡(jiǎn)化制作，去。由前面參數(shù)可知，則匝。6)確定線圈銅電阻由電阻定律，有其中，為每砸線圈的平均長(zhǎng)度；為鋼的電阻率；為線圈匝數(shù)。已知 ，代入上式，得7)求線圈電感8)求勵(lì)磁電壓可取。9)測(cè)量電路設(shè)計(jì)上述設(shè)計(jì)的電感變化元件是將位移量轉(zhuǎn)換為次級(jí)線

20、圈的差動(dòng)電動(dòng)勢(shì)輸出，即由以上設(shè)定的參數(shù)及計(jì)算可知，勵(lì)磁電壓，匝，,。代入上式，得可見，輸出電壓已經(jīng)足夠，故無(wú)需作變換。若要使輸出信號(hào)范圍擴(kuò)大，可在輸出端接上一放大器，課選取ad620，接法如下：其中103可調(diào)電阻最大值為，該電阻可用來(lái)調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，提高了非接觸式電位器的輸出范圍。另外，ad620需要+5v、-5v的直流電源供電。10)擴(kuò)展提高上述傳感器的勵(lì)磁電源是交流電壓，由幅值和相位決定其大小，而位移既有大小也有方向，這樣就存在一個(gè)問(wèn)題：怎樣使一個(gè)次級(jí)繞組輸出的電動(dòng)勢(shì)既能反映位移大小，又能反映位移方向，同時(shí)又能消除零位誤差。要解決這個(gè)問(wèn)題，可在電路中加入以下兩種測(cè)量電路：一種是差動(dòng)相

21、敏檢波電路；一種是差動(dòng)整流電路。由于兩種電路都較為復(fù)雜，在這里就不做詳細(xì)介紹了，有興趣的話可以查閱相關(guān)資料。11)實(shí)際作品上述作品為本人理論上設(shè)計(jì)的。因?yàn)槠岚€太細(xì)以及身邊沒有繞線機(jī)，在加上固定鐵芯和銜鐵的距離存在相當(dāng)大的難度，這些都是不能用手工完成。由于是制作環(huán)境的限制，故實(shí)際作品和理論設(shè)計(jì)上存在差異。以下為實(shí)際作品原理圖及電路。結(jié)構(gòu)原理圖電路圖該調(diào)節(jié)端為一差動(dòng)電感傳感器，理論上兩電感應(yīng)該相等。但由于是手工繞制，必然會(huì)存在誤差。為了輸出的準(zhǔn)確性，電橋的兩個(gè)電阻為103可調(diào)電阻，用于調(diào)整電路參數(shù)（即調(diào)零）。 線圈是用直徑為1mm的漆包線繞制，磁芯為“e”形磁芯。結(jié) 語(yǔ)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)令我受益匪淺。首先，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我把以前從課本學(xué)到的相關(guān)知識(shí)用到了設(shè)計(jì)上，做到了學(xué)以