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传感器与测控电路设计说明书

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2020年4月19日
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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

设计人 李 广

指导教师 余以道 杨书仪

完成日期 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，电感式传感器能够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，而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

由公式可知，当传感器结构参数确定后，B、N0、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。

螺管线圈内磁场分布曲线
r
x
1.0
0.8

0.6

0.4
0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
H（ ）

IN

l

x（l）

若被测量与Δlc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。

2lc
Δlc
2l
线圈Ⅱ
线圈Ⅰ
r
0.8
0.6
0.4
0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
-0.8
0.8
0.4
1.2
-1.2
-0.4
x
H（ ）
IN
l
差动螺旋管式自感 传感器

(a)结构示意图 (b)磁场分布曲线

x(l)
(a)
(b)

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。

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。当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。

4

1
2
3

(b) 螺管型

在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如下图。
ω—激励电压的角频率；e1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间的互感
L21,L22两个次级线圈的电感
R21,R22两个次级线圈的电阻

初级线圈的复数电流值为～
～
～
e2
R22
e21
e22
e1
R1
M1
M2
L21
L22
L1
I1

由于Il的存在，在次级线圈中产生磁通
Rm1及Rm2分别为磁通经过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数。
在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为

N2为次级线圈匝数。因此空载输出电压
其幅数

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,这样能够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。 差动式结构除了能够改进线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也能够进行补偿，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。
如下图（三）所示，设计一个电感式（螺管型）传感器，主要要达到的技术规格为: 测量范围±20ｍｍ;基本误差0.5%;直线性±3%；输出讯号：±１０Ｖ;传感器工作环境温度-20℃～+70℃ ,相对湿度5％RH～90RH％;灵敏度0.45v/mm;传感器供电电源为DC15V,
l
r
x
2
r
a
1
2
图三 螺管型电感传感器
1-线圈 2-衔铁
外形尺寸φ38×200。

此传感器的工作原理：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,则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关.
2、测控电路的总体设计
经过对传感器的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的工作要求频率的电量值，即为相对应的v值，再经过积分电路， ，
图（四）
对Ui进行积分，得到相应位移对应的电压量，再输入到采样保持电路中。
四、传感器的结构设计及计算
1、轮廓设计
做成细长形，其外径一般应选用φ38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、小量程的传感器中。
3、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的温漂以及由于线圈温升引起的零漂，都应控制在一定范围内，为此，应考虑热平衡计算。传感器产生温漂和零漂的实质是，当温度变化时，由于有关零件的线膨胀系数不同，将使线圈和磁芯产生附加的相对位移。因此，要经过计算，选择合理的材料，使各部分的伸长率接近相等，从而使磁芯和线圈间的相对位移达到最小。
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的伸长，应与磁芯的部分、磁芯轴、测杆的部分的伸长相等，即

式中～各零件的线膨胀系数。
　　另外，设计支架时也要考虑立柱高度的伸长应与尺寸传递机构伸长的总和相等，即

式中～各零件的线膨胀系数。
　　考虑到磁芯轴必须用绝磁材料，线膨胀系数与其它零件的相差较大，不易达到,为此，能够合理地选用装置中某些构件的材料，使。
4.线圈设计
1. 设线圈窗口面积为，导线直径为，则线圈匝数为
(3-66)
式中——窗口充填系数。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的关系为
（3-67）
式中——磁路磁阻。
　　在不考虑涡流损耗和磁滞损耗的情况下，线圈品质因数为
（3-68）
式中——电源角频率，，为电源频率；
　　——铜损电阻， ；
　　——导线材料电阻率；
　　——线圈平均匝长。
将与的表示式代入（3-68）式可得
（3-69）
　　由式（3-67）、（3-69）能够看出，为了获得适当大的电感值与较高的品质因数，应考虑：①将窗口面积取大些；②窗口设计成细长形，减小值；③导线应选择较细的高强度漆包线。一般选用线径为～。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。
　电感线圈的骨架应采用热膨胀系数小，防潮性好、有一定强度、易加工的材料。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，以保证足够的机械强度。
5.铁心材料的选择
铁心材料选择的主要依据是要具有较高的导磁系数，较高的饱和磁感应强度和较小的磁滞损耗，剩磁和矫顽磁力都要小。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。
常见导磁材料有铁氧体、铁镍合金、硅钢片和纯铁。它们的相对磁导率大致相应为600、1400、60000、7500、3500～7000。饱和磁感应强度大致相应为0.18～0.45、0.8～、0.8～2.0、和2.0T。硅钢片和纯铁的磁滞损耗大，只能用于较低的供电频率。供电频率在1～10KHz范围内，常见铁镍合金。铁氧体的电阻率高，高频损耗小，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。镍锌铁氧体的居里点温度为～，锰锌铁氧体的居里点温度只有左右。
五、绘制相应的结构设计CAD图
见附CAD图

六、测控电路的设计与计算

1、电路方框图

一阶低通滤波器

输出整流电路

电流放大电路

方波发生器

2、采用 变压器式电桥
变压器式电桥如图4.1.6b所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为：

由于是双臂工作形式当衔铁下移时，Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，则有：

同理，当衔铁上移时，则有：
由以上两式可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。
图五是一个采用了带相敏整流的交流电桥。差动电感式传感器的两个线圈作为交流电桥相邻的两个工作臂，指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。
图五 带相敏整流的交流电桥
A
B
VD
1
VD
3
VD
2
VD
4
C
D
E
F
V
C
3
L
1
L
2
R
w
1
R
w
2
C
1
C
2
R
1
R
2
R
3
R
4
R
5
C
4
设差动电感传感器的线圈阻抗分别
为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时，
Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位
等于D点地位，电表指示为零。
当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，
Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=
Z-△Z。如果输入交流电压为正半周，则
A点电位为正，B点电位为负，二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，因此D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。
如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管V2、V3导通，V1、V4截止，则在A-F-C-B支中中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负）；而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，因此依然是D点电位高于C点电位，电压表正向偏转。
同样能够得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。
可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。
七、绘制相应的电路框图及电路CAD图
见附CAD图
八、精度误差分析
 1、激励电压幅值与频率的影响
激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。
2、温度变化的影响
周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥能够减少温度的影响。

电流灵敏度为

传感器输出电压

传感器的输出电压灵敏度为

当传感器的工作环境发生变化、或受到外磁场的干扰、或受到机械冲击或振动时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差公式为

3、零点残余电压
当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏 度区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等.
0
e2
x
-x
e20

补偿电路：如图所示，补偿电路分为：电阻补偿、电容补偿和阻容补偿。改变
RP 或 C 来修正零点残余电压。
九、参考文献
1、传感器原理的设计与应用，刘迎春主编，国防科技大学出版社，1989年2月
2、新编传感器技术手册，李科杰主编，国防工业出版社， 1月
3、测控仪器设计，王宝光主编，机械工业出版社， 一月
4、传感器与自动检测技术，余成波主编，高等教育出版社， 一月