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1、 桂林理工大学课程设计（论文）题目：基于电感传感器的路径中心检测装置研究与设计作 者 届 别 系 别 专 业 指导教师 职 称 完成时间 2013年X月X日 目 录摘要 1Abstract 2 1绪论 411 引言12 传感器介绍513 研究的基本内容，拟解决的主要问题 62整体的方框图与工作原理 83各个单元电路的设计831 8051单片机简介832 电感式位移传感器的基本原理1233 电感测头的结构1434 正弦波电路的设计1435零点残余电压的调整1636交流放大电路1737相敏检波电路1838 A/D转换及显示电路194软件部分的设计41本系统设计的程序流程图2242单片机8051的C
2、语言程序清单224、致谢245、参考文献25摘 要随着现代制造业的规模逐渐扩大，自动化程度愈来愈高。要保证产品质量，对产品的检测和质量管理都提出了更高的要求。我们为此要设计一种精度的检测位移的仪器。电感测微仪是一种分辨率极高、工作可靠、使用寿命很长的测量仪,应用于微位移测量已有比较长的历史.国外生产的电感测微仪产品比较成熟,精度高、性能稳定,但价格昂贵.国内生产的电感测微仪存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范围小等问题,一直与国外的传感器水平保持一定的差距.在超精密加工技术迅猛发展的今天,这种测量精度越来越显得不适应加工技术发展的需求.该文针对这些问题,对电感传感器测量电路进行了一定的设计
3、和改进.对电感测微仪的方弦波生成电路、交流放大电路、检波电路等进行了分析和相应的设计。关键词: 电感传感器、交流放大器电路、检波电路、单片机处理电路、显示电路、硬件调试。ABSTRACTA New high piracies inductance sensor is developed. This sensor consist s of a high piracies inductance probe and signal processing circuit . The circuit adopt speak sampling technique and direct digital out
4、put interface to substitute the conventional phase frequency detection technique and analog output interface. The non2linearity is also decreased. In addition ,the circuit adopts frequency and ampli2tube stabilizing technique too. The accuracy and stability of the sensor circuits also increased grea
5、tly.Key Words : inductance sensor, Exchange amplifier circuit, Detection circuit, SCM processing circuit, Show circuit，Hardware debugging1 绪 论1.1引言传感器检测技术是实现超精位置和轨迹方向的前提和基础。精密检测和超精密检测过程中不仅要对路径的位置进行检测，而且要检测出路径轨迹的方向，如果没有权威性的检测技术和仪器，就不能检测出路径的位置和轨迹方向。检测和显示轨迹方向和是不可分的，检测是对路径轨迹的检测，显示是对检测出的路径信息进行显示。因此，路径中心检
6、测技术已经成为整个超精密路径检测中一项至为关键的技术。检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。任何生产过程都可以看作是“物流”和“信息流”组合而成，反映物流的数量、状态和趋向的信息流则是人们管理和控制物流的依据。人们为了有目的地进行控制，首先必须通过检测获取有关信息，然后才能进行分析判断以便实现自动控制。所谓自动化，就是用各种技术工具与方法代替人来完成检测、分析、判断和控制工作。一个自动化系统通常由多个环节组成，分别完成信息获取、信息转换、信息处理、信息传送及信息执行等功能。在实现自动化的过程中，信息的获取与转换是极其重要的组成环节，只有精确及时地将被控对象的各项参数检测出来并转换成易
7、于传送和处理的信号，整个系统才能正常地工作。因此，自动检测与转换是自动化技术中不可缺少的组成部分。检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作，并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表，把检测技术自动化推进到一个新水平。1.2传感器介绍传感器是获取被测量信息的元件，其质量和性能的好坏直接影响到测量结果的可靠性和准确度，衡量其质量的特性有许多，主要包括静态和动态两个方面。当被测量不随时间变化或变化很慢时，可以认为输入量和输出量都和时间无关。表示
8、它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程，在这种关系的基础上确定的性能参数为静态特性；当被测量随时间变化很快时，就必须考虑输人量和输出量之间的动态关系。这时，表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微分方程，与被测量相对应的输出响应特性称为动态特性。 现在我们有很多测量磁场的方法，磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应：磁电效应（电磁感应、霍尔效应、磁致电阻效应）、磁机械效应、磁光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。下面列出了一些测量原理以及相应的传感器：（1） 电磁感应磁场测量方法：电磁线磁场传感器、磁通门磁场传感器、磁阻抗磁场传感器。（2） 霍尔效应磁场测量方法：半导体霍尔
9、传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大，10-11-107G。我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。 我们选取最为传统的电磁感应线圈的方案。它具有原理简单、价格便宜体积小（相对小）、频率响应快、电路实现简单等特点，适应于初学者快速实现路经检测的方案。1.3研究的基本内容，拟解决的主要问题：该电感传感器的路迹中心检测装置电路主要包括电感式传感器、方波信号源、交流放大器电路、检波电路及单片机系统。方波振荡器为电感式传感器和相敏检波
10、器提供了频率和幅值稳定的激励电压，方波振荡器输出的信号加到漆包线。由电磁学可知，导线周围的空间充满了交变的电磁场，如果在里面放置一个电感线圈，电磁感应会使线圈中产生交变的电流。在导线位置和导线中电流既定的条件下，线圈中感应电流(或者电压)是空间位置的函数。因此，电感线圈就可以作为传感器。检测装置经3组电感式传感器感应的交变电流大小来确定导线偏移方向和偏移距离量以及偏移大小，当导线与检测装置平行且处于检测装置的中间位置时，两线圈的感应电流相等，导线无偏移检测装置。当导线处于检测装置左边时，检测装置左边的电感的感应电动势减掉右边的电感的感应电动势大于0；若导线处于检测装置右边时，检测装置左边的电感
11、的感应电动势减掉右边的电感的感应电动势小于0； 下线圈的电感量则增加。交流阻抗相应地变化，电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比，频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到单片机，经过数据处理进行显示。电感式传感器测位移时，由于线圈中的电流不为零，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰(如电源电压频率的变化，温度的变化)也会使输出产生误差。所以在实际工作中常采用差动形式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。两个完全相同的单个线圈的
12、电感式传感器共用一个活动衔铁就构成了差动式电感传感器。采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以相互抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。零点残余电压也是反映差动变压器式传感器性能的重要指标。理想情况是在零点时，两个次级线圈感应电压大小相等方向相反，差动输出电压为零实际情况是两组次级线圈的不对称铁心的B-H曲线的非线性，以及激励电源存在的高次谐波等因素引起零点处U0知。其数值约为零点几毫伏，有时甚至可达几十毫伏，并且无论怎样调节衔铁的位置均无法消除。零点残余电压的存在，使传感器的灵敏度降低，分辨率变差和测量误差增大。克服办
13、法主要是提高次级两绕组的对称性(包括结构和匝数等)，另外输出端用相敏检测和采用电路补偿方法，可以减小零点残余电压影响。2整体的方框图与工作原理 电感式位移传感器元件由静止的螺管线圈和可在线圈上移动的衔铁测头组成,它依据电磁感应原理工作.当线圈由高频电源驱动时,其两路引出端将输出两个感应电势,这些信号经信号检出电路综合后,形成在幅值及相位上随测头位置而变的电压信号,代表了位移量的大小和方向.此信号再经放大、滤波及整形等初步调理后，由A/D转换器转换为对应的数字量送入微控制器。微控制器对它进行信号处理、存储以及显示，获得较高精度的测量结果，然后按系统组成态设定的输出方式，以要求的信号形式将测量结果输出。系统的整体方框图如图2所示。 测头信号变压器电桥正弦波发生器相敏检波带通放大A/D转换显示器单片机 图1系统的整体方框图3各个单元电路的设计31 8051单片机简介目前，8051单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领
