毕业论文----非接触式电位器的研究

毕业论文题目：非接触式电位器的研究院（系）信息科学与工程学院专业电气工程及其自动化届别2010届学号姓名指导老师2010年5月摘要非接触式电位器的研究-1-电位器是一种阻值可以根据用户需要进行调整的可变电阻器，是应用广泛的通用机电元件。传统的电位器大多为接触式的，这样的电位器存在许多缺点。为克服存在的缺陷，非接触式电位器应运而生。本次设计从现代传感器技术入手，通过深入了解现代传感器技术，从中选取合适的传感器作为实现“非接触式”的手段。在理论分析的基础上，并考虑到实际制作环境的限制，从而选取了差动式电感传感器作为电位器的调节端，并且改进了传感器电路，提高了其调节的稳定性和灵敏度。在该电位器的输出端，接上了一运算放大器，使其输出范围大大增加。通过对作品参数的测试，证明了其符合设计要求，实现了电位器的“非接触式”调节。关键词：电位器；非接触式电位器；传感器技术；差动式电感传感器；运算放大器Abstract非接触式电位器的研究-2-Potentiometeisaresistorthatcanbeadjustedaccordingtotheuserwhoneedsavariableresistance,it’sawidelyusedandgeneral-purposeelectromechanicalcomponents.Mostofthetraditionalpotentiometesarecontact-typecomponent,therearemanydefectswiththem.Inordertoovercomethesedefects,thenon-contactpotentiometersareinvented.Thisdesignisonthebaseofmodernsensortechnology.ByaProfoundunderstandingofthemodernsensortechnology,Iuseasuitedsensortoachieveingthe“non-contact”.NotonlyIanalysethetheory,butalsoIthinkoverthepracticalsetting,Ichoosethedifferential-inductivesensorsasthemodulatoryterminal,andmendthesensorcircuit,sothestabilityandsusceptivenesshaveimproved.Intheoutputofthepotentiometer,Iuseaoperationalamplifiertoincreasetheoutputrange.Throughthetestofthiswork,Iproveitmeetthedesignrequirements:achieveingthe“non-contact”ofthepotentiometer.keywords：potentiometer，non-contactpotentiometers，sensortechnology，differential-inductivesensors，operationalamplifier目录非接触式电位器的研究-3-摘要……………………………………………………………1ABSTRACT………………………………………………………2引言……………………………………………………………4第一章设计任务…………………………………………………51.1设计题目…………………………………………………51.2设计背景…………………………………………………51.3设计任务…………………………………………………5第二章电位器的认识……………………………………………62.1传统电位器………………………………………………62.2非接触式电位器…………………………………………7第三章传感器的电子学基础……………………………………83.1电桥………………………………………………………83.2电桥的电源………………………………………………103.3传感器信号的放大………………………………………11第四章作品设计…………………………………………………12结语……………………………………………………………19参考文献…………………………………………………………21后记……………………………………………………………22致谢……………………………………………………………22非接触式电位器的研究-4-引言电位器是一种可调的电子元件。传统的电位器是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。由于电阻体和滑动系统之间存在摩擦，且改变电参数必然需要一定的力矩，这些对于高速运动和灵敏的仪器是极为有害的。电刷的长期摩擦会使接触电阻发生变化，噪声变大，可靠性变差，寿命变短，而非接触式电位器则可以克服这些缺点。由于非接触式电位器和传统电位器相比具有不可比拟的优越性，因此在许多对电位器要求高的场合，非接触式电位器得到广泛的应用。本设计由传感器技术出发，较为详细地介绍了相关的传感器技术，叙述了设计的过程及相关数值计算。从设计材料的经济合理、易于制作的要求出发，确定了所需原件及设计方法。非接触式电位器的研究-5-第一章设计任务1.1设计题目非接触式电位器的研究1.2设计背景在现代社会中，科技迅速发展、各种技术日新月异，为我们的工作、生活提供了极大的便利。在调节和控制的领域当中，电位器有着非常重要地位。传统的电位器由于电刷的长期摩擦会使接触电阻发生变化，噪声变大、可靠性变差，使寿命变短，对于一些调节频繁、要求调节精度高的场合，这样的电位器在就难以应付了。为了改善其性能，提高其适用性，非接触电位器应运而生。非接触式电位器克服了传统电位器的许多缺点，是调节性能大大提高，不管是在频繁的调节场合或者是要求精确调节，非接触式电位器都能很好的升任。可以说，非接触式电位器的出现，使各种工业控制和生活、生产方面的控制调节得到了很大的改善，提高了生产和生活的水平。1.3设计任务设计一电位器，要求实现“非接触式”调节。电位器在制作时应考虑实际操作环境，要便于购买材料和易于制作。非接触式电位器的研究-6-第二章电位器的认识2.1传统电位器电位器是一种可调的电子元件。大多数传统的电位器是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。它大多是用作分压器，这是电位器是一个四端元件。电位器基本上就是滑动变阻器，有几种样式，一般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。UiUoR传统电位器原理图传统的电位器在调节电位的时候，是通过触点在电阻体上的滑动实现的。这样的调节方式虽然简单，但是存在许多缺点。首先，触点的滑动会与电阻体（图中R）产生摩擦，如此长期下去，电位器的调节精确度必然会下降，从而影响了机器的正常运行。另一方面，由于触点和电阻体摩擦的缘故，会使电位器的寿命大大减小，影响了机器的使用周期。特别是在调节场合频繁的时候，剧烈的摩擦会严重降低调节的可靠性。由此可见，传统的电位器虽然可以实现电位的调节，非接触式电位器的研究-7-但是本身存在的不足限制其使用的范围。为了克服传统电位器的种种缺点，非接触式电位器变应运而生了。2.2非接触式电位器上一节简单介绍了传统电位器的结构，以及传统电位器的不足。为了克服传统电位器在调节过程中的摩擦所带来的不良后果，科学家们通过反复研究和实验，制作出了非接触式电位器。这种电位器和传统电位器最大的不同点在于，其调节端是“非接触”的，调节电位的时候，不会产生像传统电位器那样的摩擦，从而大大提高了电位器的调节精确度和使用寿命。常见的非接触式电位器的调节端大部分是使用现代传感器，例如霍尔传感器、电涡流传感器、电感传感器等。这些传感器在调节时，通常是将一些非电量，如位移、倾角、压力等的变化转换为一定的信号，并通过这些信号的变化，控制输出端的信号输出。传感器的相关知识将在下章介绍。非接触式电位器的研究-8-第三章传感器的电子学基础根据传感器输入信号的不同，检测系统分为直流检测系统和交流检测系统两大类，如下图所示。传感器直流电桥直流放大器低通滤波器直流电源非电量传感器交流电桥交流放大器相敏检波器非电量低通滤波器振荡器电源3.1电桥电桥主要用于把被测的非电量（或电量）转换成电阻、电感、电容的变化，再变成电流或电压的变化。电桥在测量系统中的使用十分广泛。根据供电电源的不同，电桥分为直流电桥和交流电桥。直流电桥主要用于应变式传感器，就聊电桥主要用来测电感和电容的变化，例如，用于电感式传感器和电容式传感器。3.1.1直流电桥直流电桥原理电路如图3-1：ViVoabcdR1R2R3R4图3-1非接触式电位器的研究-9-电桥输出电压oV为：24132123141423()()odcbciiiRRRRRRVVVVVVRRRRRRRR电桥平衡条件是oV=0，即2413RRRR3.1.2交流电桥如图3-2，交流电桥的激励源为交流电源，四个桥臂上接的是阻抗元件1234,,,ZZZZ。abcdZ1Z2Z3Z4图3-2~iVoV用复阻抗Z代替电阻R，且输入电压和输出电压均用复数表示，即分别为iV和oV，则交流电桥的输出电压表达式与直流电桥相同，即24131423()()oiZZZZVVZZZZ把各复阻抗用指数形式表示，即用||jZZe表示，则交流电桥平衡课写成1324()()2413||||||||jjZZeZZe根据复数相等条件，交流电桥平衡必须满足下面条件非接触式电位器的研究-10-①2413||||||||ZZZZ②2413由以上两式可知，交流电桥平衡有两个条件：相对两臂阻抗模乘积相等；两相对桥臂复阻抗角之和相等。两个平衡条件缺一不可，否则交流电桥永远不平衡。3.2电桥的电源直流电桥使用的是直流电源，交流电桥使用的是交流电源。3.2.1直流电桥的电源为了获得稳定的电桥驱动电源，减小电源变化对电桥工作的影响，一般采用恒压源或恒流源做直流电桥的电源。1.直流电桥的恒压电源在直流电桥中，为了获得稳定的电桥驱动电压，常常采用单独的恒压源供电。常用的有以下几种：（1）集成电路稳压电源（2）可编程稳压电源（3）专用传感器电源模块2B35K（4）其他低成本电桥电源2.直流电桥的恒流源电源在应变式、压阻式传感器测量电路中，为了减小环境温度和流过电桥臂上电阻电流变化产生的影响，要求流过的电流要稳定，以减小因电流变化产生的热量变化导致电阻值发生变化，给测量带来额外的误差。因此，要求电桥在恒流电源下工作。3.2.2交流电桥的电源交流电桥的电源要求为纯净的正弦信号。获得稳定的交流电桥驱动电源的方法有多种。对于音频电桥，一般采用RC振荡器。只有在工频下工作的高压交流电源，才直接使用电网电压。对于有严格要求的交流电桥，目前常采用石英体振荡器，通过频率综合器或可编程分析器得到所需要的频率。随着集成电路的发展，已经出现了专用正弦信号发生集成电路，为用户获得所需频率的信号源提供了极大方便。随着专用集成电路和单片机应用技术的发展，可编程控制的多功能数字式正弦波发生器也得到了广泛使用。交流电桥的电源在使用时应注意一下条件：1.有效频率范围2.频率稳定度3.幅值稳定度4.电源输出电压和输出功率3.3传感器信号的放大非接触式电位器的研究-11-传感器信号放大的目的是为了将微弱的传感器输出信