傳感器測控電路課程設計

1、<p>　　湖 南 科 技 大 學</p><p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　　課程設計名稱： 《傳感器/測控電路》課程設計</p><p>　　學 生 姓 名 ： </p><p>　　學 院 ：

2、 </p><p>　　專業(yè)及班級 ： </p><p>　　學 號 ： </p><p>　　指 導 老 師 ： </p><p>

3、　　課 程 設 計 任 務 書</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　轉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、電渦流式和霍爾式等。其中磁電感應式轉速傳感器是一種機-電能量轉換型傳感器，不需供電電源、電路簡單、性能穩(wěn)定、輸出信號強，因此，在實際工程中具有廣泛的應用。</p><p>　　本文介紹了磁電

4、感應式轉速傳感器的工作原理，對其基本結構進行了設計和計算，繪制了相應的結構設計圖、裝配圖和零件圖，同時設計出了后續(xù)信號處理電路，為單片機的后續(xù)信號處理提供信號源。</p><p>　　關鍵字：轉速傳感器；磁電式；工作原理；基本結構；信號處理電路</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　緒論···

5、;····································

6、83;·······2</p><p>　　課程設計的意義························

7、···········2</p><p>　　課程設計的題目及要求····················

8、·········2</p><p>　　課程設計的目的······················

9、83;············2</p><p>　　磁電式測轉速基本工作原理··················&

10、#183;·······3</p><p>　　設計方案的確定與方案原理·······················

11、;···4</p><p>　　3.1 設計方案的確定···························

12、83;······4</p><p>　　3.2 變磁通式磁電感應式轉速傳感器····················4</p><p

13、>　　第四章 傳感器結構設計與計算······························6</p><p&g

14、t;　　4.1 主要技術參數(shù)··································&

15、#183;·6</p><p>　　4.2 傳感器主要元件的工程設計計算····················6</p><p>　　4.3 傳感器轉配圖··

16、;··································9</p>&l

17、t;p>　　第五章 測控電路的設計·································&#

18、183;··11</p><p>　　5.1 正弦波產(chǎn)生電路····························

19、;······11</p><p>　　5.2 放大電路·························

20、;··············12</p><p>　　5.3 相敏檢波電路················

21、83;··················13</p><p>　　5.4 濾波電路············

22、83;··························14</p><p>　　第六章 總結與分析····

23、83;··································15</p>

24、<p>　　參考文獻··································

25、··············16附錄······················

26、······························17</p><p><b>　　第一章 緒論

27、</b></p><p>　　1.1課程設計的意義</p><p>　　傳感器是攝取信息的關鍵器件，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域，可以毫不夸張的說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各式各樣的傳感器。因此，作為測控專業(yè)的學生，學習如何設計一個簡單實用的傳感器并掌握其設計思想是非常有必要

28、的。</p><p>　　1.2課程設計的題目及要求</p><p>　?。?）題目：磁電感應式轉速傳感器的設計</p><p><b>　?。?）要求：</b></p><p>　?、賹W生需認真閱讀課程設計任務書，熟悉有關設計資料及參考資料，熟悉有關各種設計規(guī)范的有關內容，認真完成任務書規(guī)定的設計內容。</p&g

29、t;<p>　?、趯W生均應在教師指導下，按時獨立完成規(guī)定的內容和工作量。</p><p>　　③課程設計的計算說明書和設計圖紙：要求設計說明書計算準確、文字通順、編排規(guī)范（要求計算機打?。Ｒ髨D紙、圖面布置合理、正確清晰、符合制圖標準及有關規(guī)定。</p><p>　　1.3課程設計的目的</p><p>　　傳感器課程設計是測控專業(yè)開設的一門獨立實踐

30、課程。本課程以各類傳感器的性能測試、實際應用設計為線索，完成光電傳感器、應變傳感器、電感傳感器、電容傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器等基本型、設計性和綜合性實驗與設計內容，使學生掌握不同種類傳感器的使用方法和設計要點的基本技能，加深學生對“傳感器原理”及“測控電路”理論知識的理解，為從事儀器系統(tǒng)開發(fā)與設計打下基礎。</p><p>　　第二章 磁電式測轉速基本工作原理</p><p>　　磁

31、電感應式轉速傳感器是一種能將一定的速度量轉換成感應電動勢的傳感器。測量轉速時，由于轉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，從而在線圈中感應出一定頻率的近似正弦波的感應電動勢信號。對于磁電轉速傳感器來說線圈匝數(shù)是固定的，因此輸出感應電動勢僅僅與磁通變化率即和轉速有關，而且電動勢的大小與轉速成正比，而與氣隙成反比；每轉過一個齒，電動勢經(jīng)歷一個周期，電動勢頻率f與轉速n之間的關系為</p&g

32、t;<p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中z為定子或轉子端面上的齒數(shù)。因此可以通過檢測信號頻率來測量轉速。 </p><p>　　第三章 設計方案的確定與方案原理</p><p>　　3.1 設計方案的確定</p><p>　　磁電感應式轉速傳感器主要由永久磁鐵、旋轉齒輪、感應純鐵

33、和感應元件組成，一般分為恒定磁通式和變磁通式兩大類。其輸出阻抗小，轉換電路簡單，性能穩(wěn)定，又具有一定的頻率響應范圍。本文中，我選擇設計變磁通式磁電感應式轉速傳感器。圖3.1為其結構原理圖：</p><p>　　圖3.1 磁電式轉速傳感器結構原理圖（閉磁路)</p><p>　　3.2 變磁通式磁電感應式轉速傳感器</p><p><b>　?。?）磁阻效應

34、原理</b></p><p>　　變磁通式又稱變磁阻式或變氣隙式。磁敏電阻效應，就是某些材料的電阻值受磁場的影響而改變的現(xiàn)象，簡稱磁阻效應。磁阻傳感器主要用來檢測磁場的存在、強弱、方向和變化等。</p><p>　　在兩端設置電流電極的元件中，由于外界磁場的存在，改變了電流的分布，電流所流經(jīng)的途徑變長，導致電極間的電阻值增加，這就是磁阻效應。如圖3.2.1所示</p>

35、;<p>　　圖3.2.1 磁阻元件原理示意圖</p><p>　　在溫度恒定下，器件只有電子參與導電的簡單情況下，理論推導出來的磁場內的磁阻與磁感應強度B具有如下關系。</p><p>　　(3-1) </p><p>　　式中 ------磁感應強度為B時的電阻率，Ω·m;</p>

36、<p>　　-------零磁場下的電阻率，Ω·m;</p><p>　　-------電子遷移率， ,表示每秒每伏特電壓下電子的運動范圍大小，當電阻率變化時 ，電阻率的相對變化為</p><p><b>　　(3-2) </b></p><p>　　可見，在利用磁阻效應的元件中，

37、半導體材料的電子遷移率必須很高才行。</p><p>　　閉磁路變磁通磁電式傳感器一般結構</p><p>　　圖3.2.2為兩級閉磁路變磁通式結構示意圖。被測轉軸1帶動橢圓形鐵芯2在磁場氣隙中等速轉動，使氣隙平均長度周期地變化，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轉速成正比的感應電勢。在這種結構中，也可以用齒輪代替橢圓形鐵芯2，軟鐵4制成內齒輪形式

38、，兩齒輪的齒數(shù)相等。當被測體轉動時，兩齒輪相對運動，磁路的磁阻發(fā)生變化，因而在線圈3中產(chǎn)生頻率與轉速成正比的感應電勢。</p><p>　　圖3.2.2 兩級閉磁路變磁通式結構示意圖</p><p>　　傳感器結構設計與計算</p><p>　　4.1 主要技術參數(shù)</p><p>　　表4.1 傳感器的主要技術參數(shù)</p>&

39、lt;p>　　4.2 傳感器主要元件的工程設計計算</p><p><b>　　磁路計算</b></p><p>　　永磁系統(tǒng)磁路計算的一般方法為：先根據(jù)傳感器外形尺寸確定磁路系統(tǒng)的大致結構尺寸；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；最后計算出永久磁鐵的尺寸。</p><p>　　①磁路系統(tǒng)中工作氣

40、隙的選擇</p><p>　　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。 越大，靈敏度越高，線性度越好，但傳感器體積和質量就較大，因此一般取d/ ≈1/4。</p><p>　?、谟谰么盆F材料的選擇</p><p>　　永久磁鐵由永磁合金制成，是提供

41、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 、剩余磁感應強度 、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。永久磁鐵必須進行各種穩(wěn)定性處理，如時間、溫度、組織結構等穩(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。</p><p>　　表4.2 鋁鎳8.5的磁性能</p><p>　?、鄞_

42、定永久磁鐵的工作點</p><p>　　A即為帶氣隙永久磁鐵的工作點。工作點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， 點正好與A點對應。因此，只要過 點和 點作兩分別平行于橫軸和縱軸的虛線，交于 點，連接O ,作直線O （稱為磁導線），其與去磁曲線的交點A就是永久磁鐵的最佳工作點。其對應的磁場強度為 ,磁感應強度為 。&l

43、t;/p><p>　?、苡嬎阌谰么盆F的尺寸</p><p>　　設永久磁鐵的工作點為A。永久磁鐵內的磁壓降為，其中是磁鐵內磁路長度。若氣隙為d,氣隙內磁場強度為，由磁路基爾霍夫第一定律可得。因此，永久磁鐵內的磁壓降在數(shù)值上等于氣隙中的磁壓降，只是方向相反。在磁電感應式傳感器中，實際的磁路除工作氣隙外還有與他相串聯(lián)的非工作氣隙，如磁鐵與導體間的裝配氣隙，這時</p><p&g

44、t;<b>　　（4-1) </b></p><p>　　式中，——修正系數(shù)，它考慮了非工作氣隙的影響，一般≈1.2。</p><p>　　由于磁路中的磁通是連續(xù)的，即，其中和為磁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?？紤]到有部分磁通在工作氣隙外漏掉，因此</p><p><b>　?。?-2）</b>

45、</p><p>　　式中，——漏磁系數(shù)，它等于永久磁鐵內的總磁通之比，也即</p><p><b>　　(4-3）</b></p><p>　　其中，——工作氣隙磁導；——工作氣隙磁導與各漏磁導之和。是大于1的正數(shù)，一般為1.5~10.不同的磁路結構，其值是不同的，可以根據(jù)確定的磁路結構和磁力線分布將整個氣隙磁場分成若干個易于計算的簡單幾何形

46、狀的磁通管，如圓筒形磁通管等，分別求出各磁導，就可能得出的值。這種計算的方法是較繁瑣的而且不易準確。因此在進行磁路計算時經(jīng)常根據(jù)經(jīng)驗確定。</p><p>　　由式（4-1）和（4-2）可得</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　當工作氣隙磁場均勻時，氣隙磁導，所以?？紤]到去磁曲線B=f(H)的坐標比例尺，式（4-

47、4）又可以改寫成</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p>　　式中，——磁場強度坐標比例尺，它表示在去磁曲線的H坐標上每單位長度的值；——磁感應強度坐標比例尺，它表示在去磁曲線的H坐標上每單位長度的T值；——空氣磁導率，近似為真空磁導率，。</p><p>　　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度l,再

48、由l計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</p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　由式（4-4）可得永久磁鐵的長度</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　由式（4-2）可估算出空氣磁通密度</p>&

49、lt;p><b>　　(4-8)</b></p><p>　　如果工作氣隙中的磁通或磁感應強度為已知的，則可根據(jù)式（4-1)和（4-2）分別求得</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　將上兩式

50、相乘可得永久磁鐵的體積</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　當磁路系統(tǒng)的結構尺寸和材料已確定后，可根據(jù)經(jīng)驗確定的值，并由式（4-4)求得工作點A及相應的和，然后由式（4-2)求出，最后驗算傳感器的靈敏度。</p><p>　　4.3 傳感器裝配圖</p><p>　　圖4.1 傳感器轉配

51、圖</p><p>　　如圖4.1，轉子2與轉軸一緊固，轉子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，兩者對應相等。測量轉速時，傳感器的轉軸1與被測物的轉軸相連接，因而帶動轉子2轉動。當轉子2的齒與定子7的齒相對時，氣隙最小，磁路系統(tǒng)的磁通最大。齒與槽相對時，氣隙最大，磁通最小。因此當定子7不動而轉子2轉動時，磁通就周期性的變化，從而在線圈中感應出近

52、似正弦波的電壓信號。轉速n越高，感應電勢的頻率也就越高。</p><p>　　圖4.2 傳感器零件圖</p><p><b>　　測控電路的設計</b></p><p>　　傳感器出來的信號要經(jīng)過穩(wěn)壓電路，放大電路，濾波電路，調制解調電路,再經(jīng)AD轉換，輸入到單片機進行處理。</p><p>　　系統(tǒng)總的框圖如圖5.1所

53、示：</p><p>　　圖5.1 測控系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　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行設計。</p><p>　　5.1 正弦波產(chǎn)生電路</p><p>　　穩(wěn)幅文氏振蕩器是用運算放大器做放大元件的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡正弦波振蕩器，電路如圖5.2所示。 由于放大器的輸出電阻很低，反饋

54、信號加入運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益KF=1+ R8/Rf，僅與外部電阻R8和Rf有關，而與放大器本身參數(shù)無關，因此增益的精度和穩(wěn)定性都很高。在實際應用中，常選RC串-并聯(lián)電路的R1=R2=R，C1=C2=C，所以在f=1/2πRC這個頻率上， RC移相網(wǎng)絡相位移為零，而R8≈2Rf，滿足振蕩條件。選R=240kΩ， C=330pF，則得到振蕩頻率為：</p><p><b&

55、gt;　　(5-1)</b></p><p>　　圖5.2 穩(wěn)幅文氏振蕩器</p><p>　　為實現(xiàn)自動穩(wěn)幅的目的，在運算放大器輸入端加上由R8、R4和場效應管VT組成可控負反饋電路。對場效應管要求工作在線性電阻區(qū)，只有在UDS較小時，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，阻值可調范圍約為400Ω～100MΩ ，當幅值較大時， RDS應自動增大

56、以加強負反饋，這個作用由整流二極D1，濾波電路R7、R6、C5及場效應管VT組成。當幅值較小時，C5上的電壓VC5逐漸減小，導致RDS下降，所以電路將自動在VT的其一柵源電壓下穩(wěn)定下來，輸出幅值穩(wěn)定的正弦波電壓。調節(jié)R6可改變輸出電壓的大小，一般將輸出電壓調節(jié)在3～5V之間。</p><p><b>　　5.2 放大電路</b></p><p>　　在許多檢測技術應用

57、場合，傳感器輸出信號往往較弱，而且其中還包括工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號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。</p><p>　　圖5.3 三運放高共模抑制比放大電路</p><p>　　從電路結構可知，這是一種同相并聯(lián)差動放大器，其對稱性結構使整個放大器具有很高的共模抑制能力，特別是適用于長距離測量。其數(shù)學模型為：<

58、;/p><p><b>　?。?-2)</b></p><p>　　令電路參數(shù)對稱R=R3=R5=R4=R6=16kΩ ，即R1=R2=40kΩ。帶入整理得增益為： </p><p><b>　?。?-3)</b></p><p>　　這種

59、電路特點是性能穩(wěn)定，其漂移將大大減少，具有高輸入阻抗和高共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，并適用于遠距離傳輸過來的信號，因而十分適用與傳感器配合使用。顯然，為保證電路的對稱性，改變增益最合理、最簡單的方法是改變RG的阻值。</p><p>　　5.3 相敏檢波電路</p><p>　　當被測量進行放大后，為了恢復原來被測量緩慢信號，采用相敏檢波器將交流的幅度變化轉換成正比于傳感器電容ΔC

60、的直流電平。其相敏檢波電路如圖5.4所示。其工作過程如下，</p><p>　　當輸入電壓Vi 為正半周期時，U4反相，D2截至，D1導通，U4輸出為零，R11’=R12=20kΩ ，U5的電壓放大倍數(shù)為R10’/R9=-1，則輸出信號為：Vo=V1。</p><p>　　當輸入電壓Vi 為負半周期時，經(jīng)A4反相，D2導通，D1截至，經(jīng)R10’， U4輸出為-Vi，選擇

61、合適的電阻R11’、R11使R11’=2R11經(jīng)過R11’過來的電壓疊加后輸出信號V0為： Vo=V1。</p><p>　　圖5.4 相敏檢波電路圖</p><p><b>　　5.4 濾波電路</b></p><p>　　通過相敏檢波出來的信號需要濾波后才能得到有用信號。采用壓控電壓源型低通濾波電路。電源頻率為f=2kHz，可設截止頻率為f

62、p=10kHz，Q=0.707。由此可設計</p><p>　　圖5.5 低通濾波電路圖</p><p>　　R13=R14=1.6K,</p><p>　　C4=C5=0.01,</p><p>　　R16=5K,R17=3K。</p><p>　　則帶寬為0～10Hz 。這樣把它檢波后的脈動直流信號中高次諧波濾掉，

63、采用有源低通濾波器的優(yōu)點是較小的電容得到良好的濾波效果。濾波器輸出后的電壓信號經(jīng)過AD模數(shù)轉換與單片機連接，這樣就可以完成對被測對象的檢測和控制。</p><p><b>　　第六章 總結與分析</b></p><p>　　通過此次為期兩周的傳感器課程設計，不僅鞏固了我所學的傳感器和測控電路的相關知識，而且學會了如何將自己所學的知識運用到實際設計與生活中去，還學到了許

64、多關于設計的方法與思路。通過對課程設計中所遇到的難題以及疑惑之處的深入探究與解決，豐富了我們的課外知識，拓寬了我們的視野，提高了我們解決實際問題的能力。</p><p>　　課程設計對于提升自己的專業(yè)能力有很大的幫助，有自己的想法，再到獨立設計和完成作品是個很有趣的過程，為我們在以后的工作中設計與創(chuàng)新打下了堅實的基礎。</p><p>　　在此，非常感謝這一周一同努力的同學，感謝給予我指導

65、和幫助的楊書儀老師和余以道老師。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]唐文彥.傳感器[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2013. </p><p>　　[2]張國雄，李醒飛.測控電路[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.</p><p&

66、gt;　　[3]吳東鑫.新型使用傳感器應用指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.</p><p>　　[4]李小堅，趙山林，馮曉君，龍懷冰.Protel DXP電路設計與制版實用教程[M].2版.北京：人民郵電出版社.2009.</p><p>　　[5]劉小年.AutoCAD計算機繪圖基礎[M].長沙：湖南大學出版社，2010.</p><p>　　[6]徐