自感式傳感器課程設計

1、自感式傳感器課程設計 引言 傳感器技術是現代信息技術的主要內容之一。傳感器是將能夠感 受到的與規(guī)定的被測量按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或 裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成，其中敏感元件是指傳感器中 能直接感受或響應被測量（輸入量）的部分；轉換元件是指傳感器中 能將敏感元件感受的或響應的被探測量轉換成適于傳輸和測量的電信 號的部分。本說明書中設計的具有帶相敏檢波電路的差動式自感傳感器是將 位移的變化轉化成電感的變化，再通過信號調節(jié)電路將其轉化成可測 量的電壓信號。目錄課程設計任務書 2一、設計要求 3二、基本原理 31. 自感傳感器簡介 3 2.自感式傳感器的工作原理 3 3.差動變

2、隙式自感傳感器的工作原理5 4零點殘余誤差的影響 6三、傳感器結構與參數 7四、傳感器測量電路 91.交流電橋IO 振蕩電路Il 3.移相器134.放大器T4 5.相敏檢波器 156.低通濾波器-18五誤差分析 20六、結論 22七、參考資料 23 一、 設計要求按照任務書進行設計，設計的傳感器必須滿足所要求的幾個技術 參數。根據設計成果進行驗證試驗并記錄試驗現象。二、 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測量的一種裝置，其 核心部分是可變自感，在將被測量轉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象。這類傳感器的主要特征是 具有電感繞組。2、

3、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構原理圖。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L也發(fā)生變化。線圈自感L 的計算公式為(2 1)式中：N為線圈的匝數；Rm為磁路的總磁阻。如果空氣隙厚度一較小，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D n liRmi iS式中：F A.一，磁體的長度(包括鐵心、銜鐵)；i為各段導磁體的rz相對磁導率；Si為各段導磁體的截面積；S為空氣隙磁通截面積； o為空氣隙的磁導率(4

4、10 7H/m )。將式2-2代入式2-1得圖21(2 3)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(2 4)由式2-4可看出，線圈的自感量L與、S和N三個參數有關。當線圈匝數一定時，若S不變，變化，則L為 的單值函數，可構成變氣隙傳感器，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、 頻率與溫度的變化，都會影響輸出，從而產生誤差。這些

5、問題的存在 使得單個線圈構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22。從圖中可知, 若銜鐵向下移動，氣隙 1增加 ，電感減??；氣隙 2減小 電感一 增大，則差動變隙式自感傳感器的電感變化量為29,oSNoSN r 0L Li L22L。一(0) 2( 0)0 1(/ o) (2 5)由式2-5可知，差動式電感傳感器的電感相對變化量為丄 212L0。1(/0)(2 6)當，可將式-6展幵圍泰勒級數形式并作線性處理，忽略高次項，可得 則差動變

6、隙式自感傳感器的靈敏度為（2 8） 非線性誤差為 （2 9） 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與導磁體的幾何尺寸不可能完全對稱；（2 ）傳感器具有鐵損與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

7、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電位器，當電橋有其實不平衡電壓 時，可通過反復調節(jié)兩只電位器，使電橋達到平衡條件，消除不平衡 電壓。二、傳感器的結構與參數圖 3.1-1圖3.1-1為軸向式電感測微儀所用的傳感器。側頭10用螺釘擰在測桿8上，測桿8可在鋼球導軌7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

8、始終接觸被測件就需要一定的接觸力，該力由 彈簧5產生，防轉銷6限制測桿8的轉動，密封套9用來防止灰塵進 入傳感器內部。傳感器測量參數分析根據所要求技術參數：靈敏度為1mv/mm橋壓為2V,結合差動式傳感器電橋電路，可求得氣隙的總長度為 2mm。再結合以下公式：(1) (2)可求得變間隙型差動式自感位移傳感器的參數： 鐵心的相對磁導率（硅鋼材料）s： 8000 （查的）鐵心材料的電阻率（硅鋼材料）i ： 40 cm （查的）6線圈材料的電阻率（銅）c :佔5 10 cm （查的）鐵心磁通截面積A:6 6mm2銜鐵尺寸 :2256 6mm2磁路總長度l：102mm帶小氣隙的鐵心的相對磁導率 e:

9、50.667mm 氣隙總長度 g : 2mm 氣隙的厚度 0: 0.5mm 線圈匝數 N : 400鐵心疊片厚度 t : 1mm2在鐵心窗口中的導線總截面積 Ac: 200.96mm 線徑 d : 0.8mm每匝平均長度 lc: 4 （60.8/2）25.6mm空氣磁導率710:410 7 H m 1測量范圍:2mm靈敏度 K :1mv/mm線性度:1%Fs分辨率:0.1 m零點殘余電壓：.4mV線圈電感量L: 3.55H m線圈的最大品質因數 Qmax: 19.5電流頻率fm: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

10、移相器組成。通過此轉換電路，可以將電感自感的變化轉 化為電壓幅值的變化。fcrt*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,L2L ，即Z2乙，而Z3R是固定臂,于是電橋平衡，輸出電壓U00 0當先鐵偏離中心位置時，兩線圈電感量一增一減圖 4.1-1Zij (Lo dLi)Z2 j (Lo dL2)此時電橋失衡，有電壓輸出，輸出為Uo乙乙乙Z3U i j LU i乙 Z2 Z3 Z42 R j Lo由上式可求得，當線圈的品質因數很高，Lo Ro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，

11、輸 出信號與激勵電源相位相差180。式中：Uo為電橋輸出電壓；Ui為電 橋輸入電壓；o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 Uo的大小與銜鐵位移量成正比，其相位與銜鐵運動方向有關。若設銜鐵向上運動，為正，輸出Uo為正;io / 23當銜鐵向下運動，Uo反相18 , U0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，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、電源變化與外界干擾等共模干擾的影響。因為這些

12、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，而信號調理電路實質上是將兩 個線圈自感的差值轉換為電信號。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象，稱為自激振蕩，實現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R1 sCR圖 4.2-1用j代替s得C選頻網絡傳輸到運算同相端RC網R乙4.3-1所示為移反饋網絡的反饋系數為Vf sSCRv S Vo s 1 3sCR sCR2的電壓Vf與同相，即有f 0和a f 0。這樣，放大電路和由 Z2組成的反饋網絡剛好形成正反饋系統(tǒng)，可以滿足相位平衡條件

13、，此 時，當時，輸出穩(wěn)定幅度的正弦波，振蕩頻率。頻率一般在5 0HZ到1 OKHZ3、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 R1R2 ，則由 UU得移相角度當 R=0 時 UiUo, Ui 和U0反相 ，所以1800當R時Uo Ui Uo和Ui同相所以0實現了相角從0到180的轉換4、放大器為了使從平衡電橋輸出的電壓值能

14、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。因此兼顧調節(jié)幅值和隔離 電路的兩個功能， 本次設計選用同相比例放大電路來做增益調節(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虛短和虛斷的概念有:P n看出，由于電路中引入負反饋 Av的值只取決于運放外部電路的原件值,即R和r2，與運放本身的 A, r和ro無關5、相敏檢波器圖4.5-1所示為相敏檢波電路。變壓器A的輸入為放大了的自感傳感器的的輸出信號Uy而其輸出為U1 U2變壓器B的輸入信號Uo

15、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 通過適當的移相電路來保證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- ）u與Uo同相，即變壓器 A次級輸出電壓Ul上正下負、U2上正下負； 變壓器B次級輸出電壓U01左正右負，U2左正右負；Ul正端接節(jié)點4，U01正端接節(jié)點，由于Ul U2,3點比4點電位更負，D3導 通。D1、D4截止，U1所在的上線圈短路；D2、D3導通，U2所在的下線圈接入回路。電流自U2正極出發(fā)，向上流經Rf，經變壓器B的左線圈，再經D2 流回到U2的負極回路電流以i2表示

16、。在這個回路中U2和U01是正向串聯(lián) 的，所以電流i2自下而上流經Rf同時在下線圈、負載電阻 Rf、右線圈、D3、R 構成的另一個回路中，由于U02氏,所以電流自U02正極出發(fā)，向下經 Rf、經下線圈，再D3經流回到U02的負極，電流為R通常Ul= U2，UoqU。2，可見1213所以流經f的電流為兩個電流的代 數和，即， if i2 i30其方向為自下而上，且定為正向，則負載電阻將得到正電壓 uy(2)載波信號為下半周( 2 );Ul上負下正，U2上負下正，U01左負右正，U。2左負右正；Ul負端接4，U01負端接1，4點電位高于1點，D1導通；Ul負端接4，Uo2負端接3,3點電位高于4點

17、，D4導通；U2正端接2，U01負端接1,1點電位低于2點，D2截止；U2正端接2，Uo2負端接3,2點電位低于3點，D3截止；D2，D3截止，下線圈斷路。 D1、D4導通，上線圈工作。在上線圈、Rf、右線圈、D4、R組成的回路中，U1和Uo2正向串聯(lián)， 電流自U1正極出發(fā)，自下而上流過 Rf，流經右線圈，再流過D4，回到 U1負極，其大小為i4 (Uo2 U1)/(R Rf)。同時，在上線圈、Rf、左 線圈、D1、R構成了另一個回路。在此回路中，由于U1和U01反相串聯(lián)， 且U01 U1，所以電流h是與i4方向相反的，自上而下流經 Rf，其大小為i1 （u02 u1 ）/（R Rf ）可見，

18、i4 h ,所以電流if 4 11 0 ,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R負半周，在負載電阻f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 ）0 時（1）載波信號為下半周（ 0-）：u與Uo反相（由于銜鐵位移與上述情況相反，因而輸出相位變化為180），即U2上負下正，Ul上負下正，Uo1左負右正，Uo2左正右負。iR根據前述的方法分析出f 0，流向與前述相反，因而f上得到負電壓。（2） 載波信號為上半周（ 2 ）:這時u與Uo仍然反相，Ul上正下負，U2上正下負，Uo1左負右正, Uo2左負右正，同樣ifo, Rf上得到負電

19、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，見 圖 4.5-26、低通濾波器動態(tài)測量信號經相敏檢波后，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Va(s)電路的傳遞函數為Vo(s) M(s)AV1(3

20、 A/F)sCR (sCR)2V(s)AvfAo其中為特征角頻率，也是Q為0.707時的3dB截止角頻率，用s j代入上式，可得20Lg20Lg幅頻響應和相頻響應表達式，分別為arcta n1(cQ)212()2( C)2ccQ 五、 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。式表明，當 =0時，I A(j )AvfA0 ； 當時 A(j )0根據式可畫出不同Q值下的幅頻響應，如圖20lgA(j /A。)然這是低通濾波的特性。40dB。選用二階低通濾波器可盡快的將高頻波濾掉。1、輸出特性的非線性 根據對各種類型的輸出特性的分析可知，

21、如邊間隙型傳感器的電 感變化與銜鐵位移之間的關系是非線性的， 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 U x=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 的補償電路進行補償。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