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1、<p><b> 課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p> 課程設(shè)計(jì)名稱: 《傳感器/測(cè)控電路》課程設(shè)計(jì)</p><p> 學(xué) 生 姓 名: </p><p> 學(xué) 院: 機(jī)電工程學(xué)院 </p><p>
2、 專業(yè)及班級(jí): 10級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器3班 </p><p> 學(xué) 號(hào): </p><p> 指導(dǎo)教師: </p><p><b> 目 錄</b></p><p> 一 . 前言··
3、;····································
4、83;··1</p><p> 二 . 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求·························1</p><
5、p> 三 . 課程設(shè)計(jì)的目的································2</p>
6、;<p> 四 . 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容····························2</p><p> 1
7、 . 課程設(shè)計(jì)方案的確定·························2 </p><p> 2 . 三節(jié)式螺管型差動(dòng)位移電感傳感器的基本原理·
8、183;····4</p><p> 3 . 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算·························
9、3;5</p><p> 4 . 測(cè)控電路設(shè)計(jì)與計(jì)算····························6</p>
10、<p> 5 . 誤差分析·································
11、83;····8</p><p> 五 . 總結(jié)與分析··························
12、3;············9</p><p> 六 . 附圖···················
13、183;························10</p><p> 1 . 傳感器結(jié)構(gòu)圖······&
14、#183;···························10</p><p> 2 . 電路圖···
15、83;····································1
16、1</p><p> 七 . 參考文獻(xiàn)·······························
17、183;········12</p><p><b> 一 . 前言</b></p><p> 傳感器(英文名稱:transducer/sensor)是一種檢測(cè)裝置,能感受到被測(cè)量的信息,并能將檢測(cè)感受到的信息,按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、
18、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。</p><p> 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中,要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù),使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài),并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說,沒有眾多的優(yōu)良的傳感器,現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。一些傳感器的發(fā)展,往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。</p><p> 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)
19、、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域??梢院敛豢鋸埖卣f,從茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng),幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目,都離不開各種各樣的傳感器。由此可見,傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用,是十分明顯的。世界各國(guó)都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。</p><p> 作為當(dāng)代理工科而且學(xué)習(xí)過傳感器,測(cè)控電路知識(shí)的大學(xué)生,學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單
20、實(shí)用的傳感器并掌握其設(shè)計(jì)思想是非常有必要的。</p><p> 二 . 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求</p><p> 傳感器/測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)分為兩部分,一是傳感器的設(shè)計(jì),包括根據(jù)被測(cè)量選擇傳感器類型,根據(jù)轉(zhuǎn)換原理選擇傳感器性能與結(jié)構(gòu)參數(shù),根據(jù)傳感器輸出電量設(shè)計(jì)后續(xù)電路;二是測(cè)控電路的設(shè)計(jì),包括將敏感元件測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào),根據(jù)功能設(shè)計(jì)放大電路,濾波電路,調(diào)制解調(diào)電路,限幅電路等,提取
21、有用信號(hào),剔除無用信號(hào),經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,運(yùn)算處理得到被測(cè)信號(hào)的各種所需參數(shù)!</p><p> 課程設(shè)計(jì)的基本要求:1,學(xué)生需認(rèn)真閱讀課程設(shè)計(jì)任務(wù)書,熟悉有關(guān)設(shè)計(jì)資料及參考資料,熟悉有關(guān)各種設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)內(nèi)容,認(rèn)真完成任務(wù)書規(guī)定的設(shè)計(jì)內(nèi)容;2,學(xué)生均應(yīng)在教師指導(dǎo)下,按時(shí)完成規(guī)定的內(nèi)容和工作量;3,課程設(shè)計(jì)的計(jì)算說明書和設(shè)計(jì)圖紙:要求設(shè)計(jì)說明書計(jì)算準(zhǔn)確,文字通順,編排規(guī)范。要求圖紙,圖面布置合理,正確清晰,符合制
22、圖標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)規(guī)定!</p><p> 三 . 課程設(shè)計(jì)的目的</p><p> 課程設(shè)計(jì)是本專業(yè)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容之一,是學(xué)習(xí)專業(yè)技術(shù)課所需的必要教學(xué)環(huán)節(jié)。通過課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐,使學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)得到鞏固,并使學(xué)生得到運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的初步訓(xùn)練;課程設(shè)計(jì)的學(xué)生應(yīng)該接觸和了解實(shí)際局部設(shè)計(jì),從收集資料,方案對(duì)比,計(jì)算,繪圖的全過程,進(jìn)一步提高學(xué)生的分析,綜合能
23、力以及工程設(shè)計(jì)中計(jì)算和繪圖的基本能力,為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)做必要的準(zhǔn)備!</p><p> 四 . 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p> 1 . 課程設(shè)計(jì)方案的確定</p><p> 本次課程設(shè)計(jì)老師提供的課題有40多個(gè),而我選擇的是電感式傳感器,電感傳感器是將測(cè)量量換作線圈自感或互感的變化的傳感器。優(yōu)點(diǎn):靈敏度高;輸出信號(hào)比較大,因此有利于信號(hào)的傳輸;缺點(diǎn):頻率
24、響應(yīng)較低,不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。常用的有:1、變氣隙型中電感的變化與傳感器中活動(dòng)銜鐵的位移相對(duì)應(yīng)。2、變面積型是用鐵芯與銜鐵之間重合面積的變化來反映位移。3、螺管型是銜鐵插入長(zhǎng)度的變化導(dǎo)致電感變化的原理。我選的是螺管型互感式傳感器。</p><p> 自感式 互感式</p><p> 互感型傳感器的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象,將被測(cè)
25、位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。它本身是一個(gè)變壓器,其初級(jí)線圈接入交流電源,次級(jí)為感應(yīng)線圈,當(dāng)初級(jí)線圈的互感變化時(shí),輸出電壓將作相應(yīng)的變化。由于常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式,故又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是:測(cè)量精度高,可達(dá)0.1μm;線性范圍大,可到±100mm;穩(wěn)定性好,使用方便。因而被廣泛應(yīng)用于直線位移,或可能轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重量等參數(shù)的測(cè)量。缺點(diǎn)是:質(zhì)量一般比較大,靈敏度較低,不應(yīng)用于高頻場(chǎng)合。&
26、lt;/p><p> 2 . 三節(jié)式螺管型差動(dòng)位移電感傳感器的基本原理</p><p> 當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響,W2a中磁通將大于W2b,使M1>M2,因而E2a增加,而E2b減小。反之,E2b增加,E2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b,所以當(dāng)E2a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時(shí), Uo也必將隨x而變化。</p><p> 3 . 傳感器結(jié)構(gòu)
27、設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p> 使用最多的是三節(jié)式的;</p><p> 根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為</p><p><b> 輸出電壓有效值為:</b></p><p> ?、?活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)有M1=M2=M故Uo=0</p><p> ?、?活動(dòng)銜鐵向上移
28、動(dòng)時(shí)有M1 =M+ΔM, M2 =M-ΔM故</p><p><b> 與E2a同極性。</b></p><p> ③ 活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)有M1 =M-ΔM, M2 =M+ΔM故</p><p><b> 與E2b同極性。</b></p><p> 三段式螺管差動(dòng)變壓輸出電壓曲線如圖所示。&
29、lt;/p><p> 4 . 測(cè)控電路設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p> 差動(dòng)變壓器的輸出電壓是調(diào)幅波,為辨別銜鐵的移動(dòng)方向,要進(jìn)行解調(diào)。常用解調(diào)電路有:差動(dòng)相敏檢波與差動(dòng)整流電路。采用解調(diào)電路還可以消除零位電壓。</p><p> (1)差動(dòng)相敏檢波電路 </p><p> 差動(dòng)相敏檢波的形式很多,相敏檢波電路要求參考電壓與差動(dòng)變壓器次級(jí)輸出
30、電壓的頻率相同,相位相同或相反;因此常接入移相電路。為了提高檢波效率,參考電壓幅值取為信號(hào)的。 </p><p><b> 差動(dòng)相敏檢波電路</b></p><p> ?。?)差動(dòng)整流電路 </p><p> 差動(dòng)整流電路簡(jiǎn)單,不需參考電壓,不需要考慮相位調(diào)整和零位電壓影響,對(duì)感應(yīng)和分布電容影響不敏感。經(jīng)差動(dòng)整流后變成直流輸出便于遠(yuǎn)距離輸送
31、。</p><p> 全波整流電路和波形圖</p><p> 差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性,在f點(diǎn)為“+”,e點(diǎn)為“–”,則電流路徑是fgdche(參看圖a)。反之,如f點(diǎn)為“–”,e點(diǎn)為“+”,則電流路徑是ehdcgf??梢姡瑹o論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何,通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出
32、情況。輸出的電壓波形見圖(b),其值為USC=eab+ecd。</p><p><b> 5 . 誤差分析</b></p><p> 采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外,對(duì)外界影響,如溫度的變化、電源頻率的變化等也基本上可以相互抵消,銜鐵承受的電磁吸力也較小,從而減小了測(cè)量誤差。</p><p> 零點(diǎn)殘余電壓也是反映差動(dòng)變壓器
33、式傳感器性能的重要指標(biāo)。理想情況是在零點(diǎn)時(shí),兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓大小相等方向相反,差動(dòng)輸出電壓為零,實(shí)際情況是兩組次級(jí)線圈的不對(duì)稱鐵心B-H曲線的非線性,以及激勵(lì)電源存在的高次諧波等因素引起零點(diǎn)處U≠0知。其數(shù)值約為零點(diǎn)幾毫伏,有時(shí)甚至可達(dá)幾十毫伏,并且無論怎樣調(diào)節(jié)銜鐵的位置均無法消除。零點(diǎn)殘余電壓的存在,使傳感器的靈敏度降低,分辨率變差和測(cè)量誤差增大。</p><p> 零點(diǎn)殘余電壓的波形主要由基波和高次諧波
34、組成。</p><p> 基波產(chǎn)生的主要原因是:傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對(duì)稱,導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)幅值不等、相位不同,因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置,兩線圈中感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消。</p><p> 高次諧波(主要是三次諧波)產(chǎn)生原因:是磁性材料磁化曲線的非線性(磁飽和、磁滯)。</p><p> 減小零點(diǎn)殘余電壓方法:</p>&
35、lt;p> 盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路的對(duì)稱</p><p> 2. 選用合適的測(cè)量電路,如采用相敏整流電路。</p><p> 3. 采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。</p><p><b> 五 . 總結(jié)與分析</b></p><p> 通過此次為期兩個(gè)星期的傳感器/測(cè)控電
36、路的課程設(shè)計(jì),不僅鞏固了所學(xué)的傳感器與測(cè)控電路的相關(guān)知識(shí),而且學(xué)會(huì)了如何將自己所學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際設(shè)計(jì)與生活之中,還學(xué)到了許多關(guān)于設(shè)計(jì)的方法與思路。通過對(duì)課程設(shè)計(jì)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(shí),拓寬了我們的視野,更加提高了我們對(duì)實(shí)際問題的解決能力。</p><p> 當(dāng)然,首次進(jìn)行傳感器/測(cè)控電路設(shè)計(jì)的我們參考設(shè)計(jì)的傳感器以及后續(xù)測(cè)控電路肯定存在許多缺陷和不足之處,而我們?cè)谠O(shè)
37、計(jì)過程中只能盡量避免出現(xiàn)不必要的誤差與設(shè)計(jì)缺陷,而一個(gè)傳感器真正投入生產(chǎn)還有很多試驗(yàn)改進(jìn)過程,鑒于我們能力有限,只要我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中學(xué)到如何設(shè)計(jì),分析,怎樣改進(jìn)即可,這為以后我們真正設(shè)計(jì)新的傳感器或者創(chuàng)新打下必要的基礎(chǔ)!</p><p> 還有,特在此感謝在傳感器/測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)過程中給予我指導(dǎo)與幫助的楊書儀老師和余以道老師以及測(cè)三的同學(xué)們!</p><p><b> 六
38、. 附圖</b></p><p> 1 . 傳感器結(jié)構(gòu)圖(1:2.5)</p><p><b> 2 . 電路圖</b></p><p><b> 七 . 參考文獻(xiàn)</b></p><p> [1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 高教出版社,2000. </p><
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