[毕业论文]电感式位移传感器的设计

学号 1402135112

湖南理工学院毕业设计（论文）

题目：电感式传感器测量电路设计

作者林恩来

届别 2006 届

系别机械与电气工程系专业自动化

指导教师谭竹梅职称副教授

完成时间 2006年5月20日

目

录

摘要 (1)

Abstract

Abstract Abstract

Abstract (2)

1．绪论 (4)

1．1 引言

1．2 传感器介绍 (5)

1．3 研究的基本内容，拟解决的主要问题 (6)

2．整体的方框图与工作原理 (8)

3．各个单元电路的设计 (8)

3．1 8051单片机简介 (8)

3．2 电感式位移传感器的基本原理 (12)

3．3 电感测头的结构 (14)

3．4 正弦波电路的设计 (14)

3．5零点残余电压的调整 (16)

3．6交流放大电路 (17)

3．7相敏检波电路 (18)

3．8 A/D转换及显示电路 (19)

4．软件部分的设计

4．1本系统设计的程序流程图 (22)

4．2单片机8051的C语言程序清单 (22)

4、致谢 (24)

5、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和改进.对电感

测微仪的正弦波生成电路、交流放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路等进行了分析和相应的设计。

关键词:

正弦波发生器，相敏检波，零点残余电压。

ABSTRACT A 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

output 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 ampli2

tube stabilizing technique too. The accuracy and stability of the sensor circuits also increased greatly.

Key Words :

Key Words :Key Words :

Key Words : inductance sensor, self-fixed amplitude circuit,

digital phase sensitivity detection, digital filter, static

testing

1．绪论 1.1引言测量技术是实现超精加工的前提和基础。精密加工和超精密加工过程中不仅

要对工件和表面质量进行检验，而且要检验加工设备和基础元部件的精度，如果

没有权威性的测控技术和仪器，就不能证实所达到的加工质量。加工和检测是不

可分的，测量是对加工的支持，无论多么精密的加工，都必须用更为精密的测量

技术作保障。因此，位移测量的精密和超精密测量已经成为整个超精密加工体系

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。

位移传感器主要有以下几种：电容式位移传达室感器、差动式电感受式位移传感器和电阻应变式位移传感器一般用于小位移的测量（几微米至毫米）；差动

变压器用于中等位移的测量，这种传感器在工业测量中应用得最多；电阻电位器

式传感器适用于较大范围位移的测量，但精度不高；感应同步器、光栅、磁栅、

激光位移传感器等用于精密检测系统的位移的测量，测量精度高（可达1pm )量

程也可大到几米。

电容式位移传感器根据被测物体的位移变化转换为电容变化的一种传感器，

一般用于高频振动微小位移的测量，与电位式、电感式等多种位移传感器相比，

它的优点是：结构简单；能实现非接触测量，只要极小的输入力就能使支极板移

动，并且在移动过程中没有摩擦和反作用力；灵敏度高、分辨力强，能敏感±

0.01um甚至更小的位移；动态响应好；能在恶劣环境中（高、低温，各种形式的

辐射等）工作。但它也存在着一些缺点，主要是输出特性的非线性和对绝缘电阻

要求比较高，为了克服寄生电容的影响，降低电容的内阻，要求对传感器及输出

导线采取屏蔽措施和采用较高的电源频率等。

光栅是一种新型的位移检测元件，是把位移变为数字量的位移-数字转换装

置。它主要用于高精度直线位移和角位移的数字检测系统。其测量精确度高（可

达1um）光栅传感器具有抗电磁干扰、耐久性好、准分布式传感、绝对测量、尺

寸小、灵敏度高、精度高、频带宽、信噪比高等优点，是结构局部健康监测最理

想的智能传感元件之一，可以直接或间接（通过某种封装或灵巧装置）监测应变、

温度、裂缝、位移、振动、腐蚀、应力等物理量，部分取代传统的测试手段，广

泛用于土木工程、航空航天工业、船舶工业、电力工业、石油化工、核工业、医

学等领域。

电感式位移传感器是把被测移量转换为线圈的自感或互感的变化，从而实现

位移的测量的一类传感器。它具有灵敏度高、分辨力大，能测出±0.1um甚至更

小的线性位移变化和0.1度的角位移,输出信号比较大,电压灵敏度一般每毫米可

达几百毫伏,因此有利于信号的传输.测量范围为±25um-50mm,测量精度与电容

式位移传达室感器差不多,但是它的频率响应较低,不宜于高频动态测量。 1.3研究的基本