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1、传感器与测控电路课程设计说明书设计题目 电感式（螺管型）位移传感器地设计学校湖南科技大学学院机电工程学院班级07级测控一班学号 0703030116设计人李 广指导教师余以道杨书仪完成日期2010年6月_22日目录、设计题目与要求】、基本原理简述三、设计总体方案拟定四、传感器地结构设计五、结构设计 CAD图 12六、 测控电路地设计与计算12七、 电路框图及电路 CAD图14八、精度误差分析 九、参考文献、设计题目与要求1、设计题目：电感式（螺管型）位移传感器地设计2、设计要求:采用差动变压器原理设计一个测量位移地传感器，并设计一测控电路对传感器地输 出量进行处理，使信号能输入到 A/D转换器
2、，进行一系列地测量与控制.b5E2RGbCAP二、基本原理简述电感式传感器是利用被测量地变化引起线圈自感或互感系数地变化，从而导致线圈 电感量改变这一物理现象来实现测量地.因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感 式和互感式两大类.plEanqFDPw自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型.一、螺管型自感传感器有单线圈和差动式两种结构形式.单线圈螺管型传感器地主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯 传感器工作时， 因铁芯在线圈中伸入长度地变化，引起螺管线圈自感值地变化 当用恒流源激励时，则线 圈地输出电压与铁芯地位移量有关.DXDiTa9E3d铁芯在开始插入（X=0）或几乎
3、离开线圈时地灵敏度，比铁芯插入线圈地1/2长度时地灵敏度小得多.这说明只有在线圈中段才有可能获得较高地灵敏度，并且有较好地线性 特性.RTCrpUDGiT1、工作原理设线圈长度为I、线圈地平均半径为r、线圈地匝数为N、衔铁进入线圈地长度la、 衔铁地半径为ra、铁心地有效磁导率为 呵，则线圈地电感量L与衔铁进入线圈地长度 la地关系可表示为5PCzVD7HxA4：2N2l2lr2 （幕 -1）扁 1由公式可知，当传感器结构参数确定后， B、No、丨都是定值，因此感应电动势e 与线圈相对磁场地运动速度v成正比.螺管线圈内磁场分布曲线jLBHrnAlLg若被测量与 lc成正比，则厶L与被测量也成正
4、比实际上由于磁场强度分布不均匀， 输入量与输出量之间关系非线性地.XHAQX74J0X为了提高灵敏度与线性度，常采用差动螺管式自感传感器图(b)中H=f(x)曲线表明：为 了得到较好地线性，铁芯长度取0.61时,则铁芯工作在H曲线地拐弯处，此时H变化小.这种 差动螺管式自感传感器地测量范围为(550)mm,非线性误差在0.5%左右.LDAYtRyKfE(a)2lc lc(b)210.80.60.4A IN-H ( | )线圈i线圈u-1.2-0.8 -0.4 0.2 丨 *X(l )0.40.81.20.20.40.60.8差动螺旋管式自感传感器Zzz6ZB2Ltk综上所述，螺管式自感传感器地
5、特点： 结构简单，制造装配容易； 由于空气间隙大，磁路地磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大； 由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； 由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要地线圈匝数多，因而线圈分布电容大； 要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性差动变压器（一）结构原理与等效电路分气隙型和差动变压器两种.目前多采用螺管型差动变压器.其基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器地原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同地两个线圈反相串接 而成，相当于变压器地副边螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、 四节式和五节式等形式.
6、dvzfvkwMIl（b）螺管型在理想情况下（忽略线圈寄生电容及衔铁损耗），差动变压器地等 效电路如下图.3 激励电压地角频率；el初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间地互感L21,L22两个次级线圈地电感R21,R22两个次级线圈地电阻初级线圈地复数电流值为.Ni 11. Ni 11由于Il地存在，在次级线圈中产生磁通2 R2 RRm1Rm2Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈地磁阻，N1为初级线圈匝数.在次级线圈中感应出电压e2i和e22,其值分别为e21 = j 灼 M 山,e22- j M 2I1M r = N2 2仁 h =
7、 N2 N仁 Rm1M 2 = N2 22. Ir = N2 Nr Rm2N2为次级线圈匝数.因此空载输出电压e2 = e2e22j 1M M r-RW 其幅数-皿！ - M262Jr2+（池 i输出阻抗或Z = R21 R22J L21L22=R21R22亠心 L21 丄22 $在实际使用中，常采用两个相同地传感线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器, 这样可以提高传感器地灵敏度，减小测量误差.图是变间隙型、变面积型及螺管型三 种类型地差动式电感传感器.差动式电感传感器地结构要求两个导磁体地几何尺寸及材料 完全相同，两个线圈地电气参数和几何尺寸完全相同.差动式结构除了可以改善线性、提 高灵敏
8、度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影 响造成地误差.rqyn14ZNXI3.a）变间隙型b） 变面积型bc）螺管型）图4.1.5差动式电感传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆三、设计总体方案拟定1传感器地总体设计图1为螺管型电感式传感器地结构图螺管型电感传感器地衔铁随被测对象移动，线 圈磁力线路径上地磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化线圈电感量地大小与衔铁插入线圈地深度有关.EmxvxOtOco如下图（三）所示，设计一个电感式（螺管型）传感器，主要要达到地技术规格为测量范围土 20mm ;基本误差0.5%;直线性土 3%输出讯号：10V ;传感器工作环境温
9、度-20 C+70 C ,相对湿度 5% RH90RH% ;灵敏度 0.45v/mm;传感器供电电源为DC15V$ixE2yXPq5外形尺寸 38 X 200.图三螺管型电感传感器图（四）此传感器地工作原理：它由一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯组成.当铁芯在线圈中 移动时,使螺管线圈电感值发生变化，当用恒流源激励时，则线圈地输出电压与铁芯地位 移量有关.6ewMyirQFL2、测控电路地总体设计通过对传感器地输出量进行低通和高通滤波后，去除干扰信号，取得频率在 10Hz 500Hz地工作要求频率地电量值，即为相对应 地v值，再通过积分电路，U。 U0 ,RC kavU42VRUs对Ui进行积分，得
10、到相应位移对应地电压量，再输入到采样保持电路中四、传感器地结构设计及计算1、轮廓设计做成细长形，其外径一般应选用 38以便于装卡在标准台架上使用2、导向及回转支承选择选用片簧式片簧式：片簧导轨消除了间隙，基本没有摩擦（只存在分子摩擦）因此，重复性误差，回程误差，灵敏阈都很小，精度很高缺点测力变化大，径向受力敏感，行程小（受片簧变形范围限制）由于要装片簧，传感器体积大片簧热处理质量要好，装配要求高， 不能卡住由于以上所列情况，一般只用于高精 度、静态、小量程地传感器中.y6v3ALoS893、热平衡计算在设计高精度传感器时，由于外界温度变化而引起地温漂以及由于线圈温升引起地 零漂，都应控制在一定
11、范围内，为此，应考虑热平衡计算传感器产生温漂和零漂地实质是，当温度变化时，由于有关零件地线膨胀系数不同，将使线圈和磁芯产生附加地相对 位移因此，要通过计算，选择合理地材料，使各部分地伸长率接近相等，从而使磁芯和 线圈间地相对位移达到最小.M2ub6vSTnP如图3-31所示，传感器装夹在支架上工作当温度变化，时，外壳 部分和铁心套 筒部分地伸长，应与磁芯地一部分、磁芯轴打、测杆地 部分地伸长宀相等，即 OYujCfmUCw式中二各零件地线膨胀系数另外，设计支架时也要考虑立柱高度地伸长二应与尺寸传递机构伸长地总和相等，即4 （出如）琛=（。（5 +创“十$4十必） 墮=（口）A式中八各零件地线膨
12、胀系数考虑到磁芯轴必须用绝磁材料，线膨胀系数与其它零件地相差较大，不易达到：=为此，可以合理地选用装置中某些构件地材料，使I _ -十_- . eUts8ZQVRd4线圈设计1. 设线圈窗口面积为；，导线直径为则线圈匝数为丿|（3-66）式中窗口充填系数.1 一值与绕制工艺有关，一般取为.电感值与窗口面积和导线直径地关系为潮応/（/）*此（3-67）式中磁路磁阻.在不考虑涡流损耗和磁滞损耗地情况下，线圈品质因数为Qf 3-68）式中一一电源角频率，J /，为电源频率；铜损电阻， 二 ：；导线材料电阻率;线圈平均匝长将与-地表达式代入（3-68）式可得 _ . -:1（3-69）由式（3-67
13、）、（ 3-69 ）可以看出，为了获得适当大地电感值与较高地品质因数，应考虑：将窗口面积取大些；窗口设计成细长形，减小 值；导线应选择较细 地高强度漆包线 一般选用线径为一 f：一：二.为使导线强度可靠起见，制造时将线圈绕好后用胶粘结于骨架内.sQsAEJkW5T电感线圈地骨架应采用热膨胀系数小，防潮性好、有一定强度、易加工地材料.一般用陶瓷、尼龙、聚乙烯、聚砜、聚碳酸脂、有机玻璃等.大量程传感器可采用酚醛纸管作骨架，或采用不锈钢管，以保证足够地机械强度.GMslasNXkA5铁心材料地选择铁心材料选择地主要依据是要具有较高地导磁系数，较高地饱和磁感应强度和较小地磁滞损耗，剩磁和矫顽磁力匕都要
14、小.另外，还要求电阻率大，居里点温度高，磁性能稳定，便于加工等.TlrRGchYzg常用导磁材料有铁氧体、铁镍合金、硅钢片和纯铁.它们地相对磁导率*大致相应为600、1400、60000、7500、35007000.饱和磁感应强度大致相应为0.180.45、0.81、0.82.0、和2.0T.硅钢片和纯铁地磁滞损耗大，只能用于较低地供电频率.供电频率在110KHz范围内，常用铁镍合金.铁氧体地电阻率咼，咼频损耗小，因而供电频率在以上时，一般用铁氧体，但铁氧体加工较困难.镍锌铁氧体地居里点温度为二：，锰锌铁氧体地居里点温度只有1111 -左右 .7EqZcWLZNX五、绘制相应地结构设计CAD见附CAD图六、测控电路地设计与计算1、电路方框图2、采用变压器式电桥变压器式电桥如图所示，它地平衡臂为变压器地两个二次侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为:U 01 U UZr +Z2R+R2Zi 2R- R(Zi Z2) U ZU 二(ZZ2) 2R2 ZUo2L由于是双臂工作形式当衔铁下移时,Z1=Z-A Z，Z2=Z+AZ,贝U有:UoU ZT
