传感器课程设计

电气测量课程设计题目差动变压器位移测量系统设计学院电子信息工程学院专业自动化学生姓名学号年级级指导教师职称2014年10月1目录第1章绪论.........................................................................................21.1课程设计目的及意义...................................................................21.2课程设计任务及要求...................................................................21.3课程设计时间安排.......................................................................2第2章方案设计.............................................................................32.1系统功能…………………………………………………………32.2系统组成...................................................................................32.3工作原理....................................................................................4第3章硬件电路设计.......................................................................63.1电源模块和低频振荡电路.........................................................63.2零点残余电压的补偿……………………………………………63.3相敏检波电路..........................................................................73.4移相电路………………………………………………………..93.5放大电路……………………………………………………….103.6低通滤波电路………………………………………………….11第4章实际操作与数据记录.......................................................124.1位移特性测试..........................................................................124.2实验数据................................................................................124.3数据处理..............................................................................13结论与心得体会...................................................................13参考文献.................................................................................142一、绪论1.1课程设计目的及意义本课程是我们学习了误差理论、测控电路和传感技术课程之后的一次理论用于实践的实际应用。通过本课程可以使我们更加牢固的掌握所学知识，这是对我们之前所学课程的一次测试。我们通过实际操作处理实践中的问题，提升我们处理问题的能力。这次课程能锻炼我们的思维方式以及测量误差的处理能力。最终达到培养我们学习自主能力、动手能力和自我创新能力。1.2课程设计任务及要求1.设计电源模块和低频振荡电路；2.设计电桥，放大和检波电路；3.用测试台架标定，0~100mm时对应输出为±5V；4.位移特性测试：将传感器安装在测试台架上，驱动工作台，测量相敏检波电路的输出值，记录工作台的位移量，考核非线性；5.电源波动测试：改变振荡器的幅值或频率，观察传感器输出信号的变化情况。1.3课程设计时间安排阶段内容第一阶段动员大会、选题第二阶段查找资料、设计、实际操作第三阶段课程设计报告的编写3二．方案设计2.1系统功能差动变压式传感器是将测量信号的变化转化成线性互感系数变化的传感器,其工作原理是利用电磁感应,将被测位移量的变化转换成变压器线圈的互感系数的变化,再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出,实现由非电量到电量的转换。变压器初级线圈输人交流电压,次级线圈则感应出电动势。这种传感器结构简单,线性好,灵敏度高,测量范围大,受外界干扰影响小,使用寿命长,因而,被广泛应用于工业生产各个领域。而差动变压器位移测量系统就是用差动变压式传感器来测量微小位移。2.2系统组成图2系统电路连接图测量系统的总体框图如图2所示。本测量系统电路部分由音频振荡器、零点残余电压补偿、信号放大、移相器、相敏检波、低通滤波、数字显示等组成,与差动变压式传感器及测微头一起构成了一个位移测量系统。音频震荡器的信号接人差动变压器的初级线圈,次级线圈的输出信号经零残电压补偿及信号放大电路后作为相敏检波器的输人信号,相敏检波器的输出信号经低通滤波后用数字电压表显示,其值应与铁芯的位移成线性正。利用相敏解调技术可以分离出有用信号。差动式传感器输出信号经放大后输人到4相敏检波器的信号输入端,进行相敏解调,并经低通滤波,输出结果与位移呈线性关系。为了辨别位移的方向,使用移相器产生一个信号作为相敏检波电路的参考信号2.3工作原理差动变压式传感器的结构如同一个变压器,由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动变压器激励用,相当于变压器的原边；次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成,相当于变压器的副边。差动变压器为开磁路,工作建立在互感基础上。在初级线圈接入正弦交流激励电源（有效值为1U）时,次级线圈即感应出电动势,输出电压为2U,螺旋测微头与铁芯相连,其移动引起铁芯的移动,从而引起线圈互感系数的变化,此时的输出电压随之作相应的变化。其结构及工作原理如图1所示。传感器输出电压和铁芯位移的理论关系为:xUxlhlxhlNhNU122121221211222)]1223/()4)[(/3((4-1)式中：1U、2U分别为激励电源电压、空载输出电压有效值；1N、2N分别是一次、二次线圈的匝数；1h、2h分别为一次、二次线圈高度；1l为磁芯长度；x为铁芯偏离中心位置的距离。在恒压源1U供电的情况下,分子分母均含有2x项,在误差范围内可近似认为对传感器线性度影响很小。所以，可设)]1223/()4)[(/3(22121221211221xlhlxhlNhNk，则有：5xUkU112(4-2)设传感器灵敏度系数11Ukk，则有：kxU2(4-3)在给定传感器后2N、2h、1N、1h、1l为定值,在误差允许范围内，1k可认为是常数,通过标定获得,因此，在1U恒定时可以认为k也是常数,即输出电压与铁芯的位移成线性关系。由于差动式传感器的输出电压与铁芯的位移成线性关系,所以可以搭建一定的测量电路系统,对电压值进行精确测量,再由已标定的差动变压式传感器的输人输出量之间关系,即可精确地测出铁芯移动的微小位移。6三、硬件电路设计3.1电源模块和低频振荡电路采用集成函数发生器芯片8380与一些电阻电容构成,产生频率范围几百至上千赫兹的正弦信号,经过功率驱动电路提高带负载能力,其输出作为激励源,激励差动变压式传感器初级线圈,使次级线圈感应出电动势。人们把人耳能够听到的振动频率称为音频（也有称声频），它的频率范围是从20Hz—20KHz,低于20Hz的频率称次声波，高于20KHz的频率称超声波。能够产生20Hz－20KHz的振荡器就称为音频振荡器，简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化。振荡器的作用是将直流电变交流电.它有很多用途.在无线电广播和通信设备中产生电磁波.在微机中产生时钟信号.在稳压电路中产生高频交流电。本次测量中音频振荡器信号从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4－5KHz（可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。调节输出幅度为峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器监测）。3.2零点残余电压的补偿图4理论上当两次级线圈的阻抗相当时,输出电压应为零。实际上,由于传感器阻抗是复数阻抗,这种情况是难以精确达到的,在零点总有一个最小的输出电压,称为零7点残余电压。零点残余电压的存在，使得传感器输出特性在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高。零点残余电压太大，使得线性度变坏，灵敏度下降，甚者会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不在反应被测量的变化。图5为了消除零点残余电压带来的影响，所以引进零点残余补偿电路，产生零点残余的原因主要有：两个副边绕组的电气参数及几何结构不可能完全对称，以及磁性材料在磁化时的非线性（如磁饱和、磁滞）等。由于零点残余电压的存在会造成差动变压器零点附近的不灵敏区,若此电压较大,经过放大器会使放大器末级趋向饱和,影响电路正常工作,因此必须采用适当的方法进行补偿。这是一种简单又行之有效的方法如图5所示通过调节电位器RW1和RW2来补偿零点残余电压3.3相敏检波电路相敏检波器,顾名思义,就是对两个信号之间的相位进行检波。在实际应用中,这两个信号往往是同频的,或者是互为倍数。相敏检波的功用和原理1、什么是相敏检波电路？相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。2、为什么要采用相敏检波？包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。3、相敏检波电路与包络检波电路在功能与电路构成上最主要的区别是什么？8相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。4、相敏检波电路与调幅电路在结构上有哪些相似之处？它们又有哪些区别？将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。二者主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。相敏检波电路（与滤波器配合）可以将调幅波还原成原信号，起解调作用；并具有鉴别信号相位的能力。调制与解调过程9图6利用相敏检波可以将差动变压器输出的交流信号转换为直流信号，直流电压的正负反映了位移的不同方向。该相敏检波电路由施密特开关电路及运放组成,使相敏检波器的输人信号与开关信号反相时,