传感器与测控电路设计说明书

传感器与测控电路设计说明书

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）位移传感器的设计

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

一、设计题目与要求 (2)

二、基本原理简述 (2)

三、设计总体方案拟定 (7)

四、传感器的结构设计 (8)

五、结构设计CAD图 (12)

六、测控电路的设计与计算 (12)

七、电路框图及电路CAD图 (14)

八、精度误差分析 (14)

九、参考文献 (16)

一、设计题目与要求

1、设计题目：电感式（螺管型）位移传感器的设计

2、设计要求：

采用差动变压器原理设计一个测量位移的传感器，并设计一测控电路对传感器的输出量进行处理，使信号能输入到A/D转换器，进行一系列的测量与控制。

二、基本原理简述

电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。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。

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的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的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。

铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。

1、工作原理

设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为µm，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为

[]

222

22)1(4a a m r l lr l

N L -+=μπ 由公式可知，当传感器结构参数确定后，B 、N 0、l 都是定值，因此感应电动势e 与线圈相对磁场的运动速度v 成正比。

若被测量与Δl c 成正比，则ΔL 与被测量也成正比。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的。

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：为了得到较好的线性,铁芯长度取0.6l 时,则铁芯工作在H 曲线的拐弯处,此时H 变化小。这种差动螺管式自感传感器的测量范围为(5～50)mm,非线性误差在0.5％左右。

综上所述，螺管式自感传感器的特点： ①结构简单，制造装配容易；

②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大； ③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；

④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电

容大；

⑤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。

差动螺旋管式自感 传感器

(a )

(b

二、 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，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。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。

在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等

效电路如下图。

ω—激励电压的角频率；e 1初级线圈激励电压

L 1,R 1初级线圈电感和电阻

1

2 3

(b ) 螺管型

M 1,M 1分别为初级与次级线圈1,2间的互感 L 21,L 22两个次级线圈的电感 R 21,R 22两个次级线圈的电阻

初级线圈的复数电流值为

由于I l 的存在，在次级线圈中产生磁通 R m1及R m2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N 1为初级线圈匝

数。

在次级线圈中感应出电压e 21和e 22，其值分别为

N 2为次级线圈匝数。因此空载输出电压 其幅数

1

11

1L j R I ω+11121m R I N &=φ2

1

122m R I N &=φ⎪⎭⎪⎬⎫-=-=12221121I M j e I M j e &&ωω1

1212121m R N N I N M ⋅==φ2

1212222m R N N I N M ⋅==φ()1

11

1122212L j R e M M j e e e ωω+--=-=

输出阻抗 或

在实际使用中,常采用两个相同的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的灵敏度,减小测量误差。图4.1.5是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式电感传感器。差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的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的误差。

三、设计总体方案拟定

1、传感器的总体设计

图1为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。

()()

2

1211

212L R e M M e ωω+-=

()()22

21

2221L L j R R Z +++=ω&()()2

222122221L L R R Z ωω+++

=

a

)

b

)

c )

图4.1.5 差动式电感传感器

a) 变间隙型 b) 变面积型 c) 螺管

型

1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆