电感式传感器测量电路设计
学院：信自学院
姓名：xxxxx
学号：2010104013
专业：自动化
班级：103班
2012年12月26日
目录
摘要 (3)
1.绪论 (5)
1．1 引言 (5)
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 (7)
2．整体的方框图与工作原理 (8)
3．各个单元电路设计 (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 (13)
3．3 电感测头的结构 (15)
3．4 正弦波电路的设计 (16)
3．5 零点残余电压的调整 (18)
3．6 交流放大电路 (20)
3．7 相敏检波电路 (22)
3．8 A/D转换及显示电路 (28)
4．软件部分的设计 (30)
4．1本系统设计的程序流程图 (30)
4．2单片机8051的C语言程序清单 (31)
5、参考文献 (33)
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。
电感式位移传感器实例电感式位移传感器实例
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研究的基本内容，拟解决的主要问题：
该智能电感测微仪的硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压，正弦波振荡器输出的信号加到测量头中。工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。当衔铁处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少；若上线圈的电感量减少，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U≠0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1所示。
图1系统的整体方框图
3．各个单元电路的设计
测头信号
变压器电
相敏检波
带通放
大
A/D 转换
单
片机
显示器
正弦波发生器
3．1 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域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增强人机对话的功能。89C51是Intel公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：一个8位的微型处理器CPU；一个256K的片内数据存储器RAM；片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是12MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。下面简单介绍下其各个部分的功能。
中央处理器CPU是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读人用户程序，并逐条执行指令，它是由8位算术／逻辑运算部件(简称ALu)、定时／控制部件，若干寄存器A、B、B5w、5P以及16位程序计数器(Pc)和数据指针寄存器(DM)等主要部件组成。算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。它具有对8位信息进行+、-、x、/ 四则运算和逻辑与、或、异或、取反、清“0”等运算，并具有判跳、转移、数据传送等功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。控制器部件是由指令寄存器、程序计数器Pc、定时与控制电路等组成的。指令寄存器中存放指令代码。枷执行指令时，从程序存储器中取来经译码器译码后，根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控制信号，送到存储器、运算器或I／o接口电路，完成指令功能。程序计数器Pc 程序计数器Pc用来存放下一条将要执行的指令，共16位．可对以K字节的程序存储器直接寻址c指令执行结束后，Pc计数器自动增加，指向下一条要执行的指令地址。
CPU功能，总的来说是以不同的方式，执行各种指令。不同的指令其功自略异。有的指令涉及到枷各寄存器之间的关系；有的指令涉及到单片机核心电路内部各功能部件的关系；有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。事实上，cRJ是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能。所谓cRJ的时序是指控制器控照指今功能发出一系列在时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。
一．时序
1．时钟电路8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTALI和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。采用内部方式时，在C1和C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器，振荡频率的选择范围为1．2—12MHZ在使用外部时钟时，XTAL2用来输入外部时钟信号，而XTALI接地。
2．时序MGL5l单片机的一个执器周期由6个状态(s1—s6)组成，每个状态又持续2个接荡周期，分为P1和P2两个节拍。这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。若采用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为1us，每个状态周期为1／6us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在N期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从S1P2开始执行指令。如果是双字节指令，则在同一机器周期的s4读人第二字节。若为单字节指令，则在51期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加1。在加结束时完成指令操作。多数Mcs—51指令周期为1—2个机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需4个机器周期。对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节，但Movx指令例外，Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令，在执行Movx指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。
二．引脚极其功能
MCS—51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。
下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。
1、电源引脚Vcc和Vss
Vcc（40脚）：接+5V电源正端；
Vss（20脚）：接+5V电源正端。
2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。
3、控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。
（A）．RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。
当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD （+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
（B）．ALE/ P （30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低
（C）．PSEN(29脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。
（D）．EA/Vpp（31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当EA端保持高
电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。
4.输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口
(A).P0口（39脚～22脚）：P0.0～P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。
(B).P1口（1脚～8脚）：P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对于EPROM 编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。
(C).P2口（21脚～28脚）：P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。
(D).P3口（10脚～17脚）：P3.0～P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能见下表
单片机P3.0管脚含义
引脚第2功能
P3.0 RXD（串行口输入端0）
P3.1 TXD（串行口输出端）
P3.2 INT0（部中断0请求输入端，低电平有效）
P3.3 INT1（中断1请求输入端，低电平有效）
P3.4 T0（时器/计数器0计数脉冲端）
P3.5 T1（时器/计数器1数脉冲端）
P3.6 WR（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）
P3.7 RD（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）
综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：
1).单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；
2).单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线。
3.2电感式位移传感器的基本原理
根据磁路的基本知识，线圈的自感可按下式计算
L=N2/Rm
其中N—线圈的匝数,Rm - 磁路总磁阻数,在气隙厚度较小的情况下，可以认为磁场是均匀的，其中L为线圈自感，N为各段导磁体的磁导率线圈的电感跟气隙厚度、气隙的面积、导磁体的长度等有关。根据改变空气隙的厚度、空气隙的面积、磁体的长度来实现电感的变化，从而实现测量的作原理，自感式电感传感器可分为气隙型、截面型、螺管型。
气隙型传感器灵敏度高，对后续测量电路的放大倍数要求低，它的缺点是非线性严重，为了限制非线性，示值范围只能较小，由于衔铁在运动方向上受铁心的限制，故自由行程小。截面型具有较好的线性，自由行程较大，制造装配比较方便，但灵敏度较低。螺管型则结构简单，制造装配容易:由于空气隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大;此外，螺管型还具有自由行程可任意安排、制造方便等优点，在批量生产中的互换性较好，这给测量仪器的装配、调试、使用带来很大的方便，尤其
在使用多个测微仪组合测量形状的时候。因为螺管型的这些优点，所以我们采用螺管型差动式电感测头。
图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。
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
交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。
前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图二是交流电桥的几种常用形式如图3所示。
电阻平衡臂电桥如图二a所示。Z1、Z2为传感器阻抗。高;L1=L2=L;则有Z1=Z2=Z=R′+jwL,另有R1=R2=R。由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时，Z1=Z+△Z 和Z2=Z—△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为
3.3电感测头的结构
图三是轴向式电感测头的结构图。测头10用螺钉宁在测杆8上，测杆8可在钢球导轨7上作轴向运动。测杆上端固定在衔铁3.线圈4放在圆筒形磁心2中，两线圈差动使用，当衔铁过零点上移时，上线圈电感增加，下线圈电感量减少，两线圈输出由引线1接至测量电路。测量时，测头10与被测物体接触，当被测物体有微小位移时，侧头带动测杆8带动衔铁3 在电感圈4中移动，使线圈电感值变化，通过引线接入测量电路。弹簧5 产生的力，保证测头与被测物体有效地接触。防转销6限制测杆转动，
密封套9防止灰尘进入传感器内部。
图4电感测头结构图
3.4正弦波发生电路的设计
我设计及测试系统时，很多时候需要正弦波信号。在电感式位移传感测量电路中，我需要一个频率和幅值都稳定的电路，否则会造成测量部稳定及很大的误差。正弦波作为变压器的桥源，其精度对电桥的输出信号影响极大，对于其幅值和频率的稳定性都有很高的要求。由于传感器的工作环境通常比较恶劣，窜入电源的随机干扰不可避免，因此在电路设计中应该具有自动补偿环节。
由差动电感传感器的幅频特性可知，传感器的频率选在平坦区域偏高点（提高灵敏度），频率波动将有可能改变传感器的工作点，引起幅值的变化。而图2.16传感器的幅频特性另一面，电路总体设计要求实现峰一峰采样，即采样频率和模拟信号频率应保持严格的两倍关系，这两个信号频率都由标准振荡电路给出。显然，任一个信号频率的波动都会导致采不到峰值，带来的测量误差是很大的，所以对信号源频率的要求特点是单一稳定。对于频率单一稳定的信号发生，最理想的事石英晶体振荡器，石英
的物理特性十分稳定，而且品质因数高，选频特性好，波形失真小，在的范围内气频率的稳定度可以达到所以电路采用了由石英晶振和MC14060分频器构成信号源，石英晶体振荡器产生2.4567MHZ的稳定方波信号和采样的触发信号实现峰-----峰值采样以及作为进入I/O作为读取波峰、波谷的参考信号。
正弦波信号的幅值将直接影响传感器的输出，为保证正弦波信号幅值的稳定性，在电路设计上采用了稳幅电路进行自动补偿。稳幅电路的基本思路是将输出的变化量取出，补偿到输入端。当输出增大时，补偿的作用是负反馈，使输入信号被减少，当输出减少时，补偿的作用使输出信号增大，从而保持输出不变。在实际的测试电路中，主要有直流比较（如图6所示）和交流比较（如图7所示）两种典型电路。
在图5所示的直流比较电路中，输出信号经衰减和精密整流之后，与标准直流信号进行比较，误差值经放大后去控制乘法器的放大增益，从而改变放大电路的输入幅值，使输出稳定。这种电路由于有积分环节，当标准信号与输出有偏差时，通过积分最后消除输出误差，所以直流标准信号与交流输出之间的线性极好，其缺点是对积分放大环节引起的波形失真没有补偿。
在图六所示的交流比较电路中，输出的交流信号衰减后与给定的标准交流信号进行比较，误差直接交流放大后与标准交流信号相加减，从而稳定输出。这种电路线路相对比较简单，由于是交流瞬时值的比较，还可补偿功率放大的波形失真，缺点是：标准交流信号与交流输出信号之间有静差，因此线性比较差。为保证正弦波的精度，我们选择直流比较电路来提高波形精度。
3.5零点残余电压的调整
对于变压器电桥，从理论来说，当Z1=Z2时，电桥平衡，输出电压为零，但实际制作时要满足两电感线圈的等效参数完全相等是很难达到的，因此，即便是衔铁位于平衡位置时，任然存在有一定的电压输出，称为零点残余电压。
零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，也对传感器的线性度有一定的影响，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动表压器性能好坏的重要指标。所以在对变压器电桥的设计和制作时有必要采用一定的措施。
差动变压器的输出特性曲线如图八所示，图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所赞成的。
为减小零点残余电动势可采取以下方法：
1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。
2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。即可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。
3、采用补偿线路减小零点残余电动势。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的
电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。
机械工程测试技术基础题目：电感式压力传感器设计 班级 13机械自动化1班 学号 姓名 指导教师李红星 成绩
目录 一、概述 (2) 1.1、相关背景和应用简介 (2) 二、设计内容 (3) 1.主要参数 (3) 2.选用的元件和工作原理 (3) 3.测量方法 (5) 4.外观设计 (6) 课程设计小结 (7) 参考文献 (7)
一、概述 1.相关背景和应用简介 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。 本次课程设计的电感式压力传感器为自感型，是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。本次课程设计由于所学知识的欠缺，只说明电感式压力传感器的主要参数、选用的原件和工作原理、测量方法和外观设计。
二、设计内容 1.主要参数 量程:0~100KG. 综合精度：0.5%（线性、滞后、重复性）. 灵敏度：1.0---1.5mV/V. 工作环境温度：—10O C~50O C. 适用对象：电子称，平台秤。 外壳材质：合金钢。 特殊要求：不得用于高频动态环境。 2.选用的元件和工作原理 选用的元件：线圈，铁心，衔铁，连接导线，合金钢外壳。工作原理： 1-线圈2-铁心3-衔铁 （a）可变磁阻结构 （b）特性曲线
恒流源向线圈双向充电的电感式位移传感器 引言 没有正弦信号激励，只采用开关方式测量电容值，可以测量的电容值在pF 以下[1-3]。并用这种方法设计 的电容式传感器也很多[4-6] 。其中有恒压信号向小电容充电的用法[6]，这种用法最初出现在开关电容滤波电路中。而电感值的测量及其电感式传感器，包括差动变压器仍在采用正弦信号激励的方式[7-12]。有的电感式传感器在正弦激励的基础上引入开关方式，但在电路中仍然加电容与电感谐振[13-16]。电感与电容在电磁场中关系紧密，在电路中是对偶关系[17]。本文介绍采用开关电路以恒流源向电感线圈充电，只经过二极管放电来测量电感值的方法，采用双向充电来减少变差，实现了电感式位移量的测量。 1 测量原理 采用开关电路以恒流源电路向电感充电，只经过 二极管放电的测量电感值的原理如图1所示，图中S 和D 构成互补开关，S 闭合时电流源I s 向被测电感充电，时间足够长使电感中的电流达到稳定值s i I =，而且有磁通链x s L I ψ=，L s u D C R I =?。由于被测电感的性质，充电初期I s 是变的，I s 是恒流源电路，充电后期达到的平稳状态是恒流源性质，这样u L 是自由可变的。S 断开时，电感中储存的磁通链对应的电动势经二极管D 放电，这时的电感电压是二极管D 的正向压降L D P u U =-，如果不考虑电压的符号，对应的电感电流从I 1下降到I 2所释放的磁通链为12()x D P D L I I U t ψ?=-=?，所以有如下关系式 12 DP D U Lx t I I = - (1) 其中t D 是二极管稳定正向导通的时间，当I s 一定时，I 1是确定的；当D 一定时，I 2也是确定的，并且要求放电电流线性下降，这用示波器可以看到。D P U 、I 1和I 2为常数，则测量出t D 就可用电桥标定出电感值L x 。过了这段时间，磁场能量不足以击穿D 的PN 结，而与结电容构成LC 阻尼振荡，直至磁场能量释放完毕。 适当的设置S 的开关周期和占空比保证充电时间足够长，以致充电达到稳定状态，只要放电时间大于t D 就可以用检测电路及单片机测量出t D ，再用式（1）计算出电感值L x 。 式（1）与电容充放电的电路存在对偶性质。式（2） 图1 测量电感值的原理图 是电容值的计算公式[1] ，其中t ?是电容电压从U 1下降到U r 的时间。式（2）的恒流源电路I o 越小，可以测量的电容值就越小，对偶地对应式（1）是U D 越小，可以测量的电感值越小。 1o r I C t U U = ?- (2) 2 恒流源双向充电 测量电感器的电感值，只在几秒钟便完成，但要做成电感式传感器，其电感长期工作在一个方向的励磁，将会出现剩磁并影响传感器的性能，而且正行程与反行程的变差大。如图2所示。因而要采用双向充电的方式。 电路如图3所示，其中S1—S4构成对电感L x 的双向充放电的开关，开关逻辑如表1所示，其中E1和E2分别是输出信号u 1和u 2的输出使能，也就是在放 u L I s D S
位移传感器的主要分类 根据运动方式 直线位移传感器： 直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。 为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。 角度位移传感器： 角度位移传感器应用于障碍处理：使用角度传感器来控制你的轮子可以间接的发现障碍物。原理非常简单：如果马达角度传感器构造运转，而齿轮不转，说明你的机器已经被障碍物给挡住了。此技术使用起来非常简单，而且非常有效；唯一要求就是运动的轮子不能在地板上打滑（或者说打滑次数太多），否则你将无法检测到障碍物。一个空转的齿轮连接到马达上就可以避免这个问题，这个轮子不是由马达驱动而是通过装置的运动带动它：在驱动轮旋转的过程中，如果惰轮停止了，说明你碰到障碍物了。 根据材质 电位器式位移传感器：它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。图1中的电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。 霍耳式位移传感器：它的测量原理是保持霍耳元件（见半导体磁敏元件）的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。磁场梯度越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍耳电势与位移的关系越接近于线性。图2中是三种产生梯度磁场的磁系统：a系统的线性范围窄，位移Z=0时，霍耳电势≠0；b系统当Z<2毫米时具有良好的线性，Z=0时，霍耳电势=0；c系统的灵敏度高，测量范围小于1毫
便携式压力传感器用于煤矿压力传感器的定期检测检验和校准。下面就让艾驰商城小编对电感式传感器的功能及应用来一一为大家做介绍吧。 1、压力范围-100Kpa-6Mpa，适合各种类型的煤矿用压力传感器。采用手动容积式调节压力，气密性好，压力精度0.1%FS。 2 、压力传感器压力源采用精密研磨器件构成，符合IP54密封标准，压力/真空开关式选择，切换简单方便，容积式微调节器，极易实现检定点压力。 3、传感器显示值和对应输出信号值（频率或电流）同步检测。可以同时显示5路压力，显示控制方式为笔记本计算机，直观清晰。可以出具检定报告，具有打印机接口。 4、对不同输出信号（频率或电流）可方便选择、转换。 5、可在传感器不另外接负载电阻和外串接负载电阻500Ω时检测传感器各项参数。 6、传感器供电直流稳定电源具有稳压、稳流功能，其输出电压可在0～30V 范围内任意调节、输出电流的上限值可在0～2A范围内任意设置。 7 、一体化结构，外型美观、坚固耐用、操作简单、方便。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/f18424001.html,/
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。 简介 电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。 位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。 原理 计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。 信号处理 辨向原理 在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之
第四章 电感式传感器 第二讲 差动变压器传感器 教学目的要求：1) 掌握互感式传感器的结构种类，了解其工作原理、输出特性，掌握其灵 敏度与初始平衡位置的气隙大小的关系。 2) 一般了解差动变压器配用的差动相敏检波电路的工作原理和基本特性，差动整流电路的工作原理。 教学重点：差动变压器传感器的测量电路及简单应用 教学难点：差动变压器传感器的的应用 教学学时：2学时 教学内容： 一．工作原理 把被测量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。当这种传感器是根据变压器的原理,且次级绕组（输出）都用差动连接, 故称差动变压器式传感器。 二．基本特性 111 1 L j r U I ω+= 112I M j E a ω-= 122I M j E b ω-= b
1 1121222)(L j r U M M j E E U b a ωω+-- =-= 有效值 21 21211212])([)(L r U M M U ωω+-= 1) 活动衔铁处于中间位置时 M 1=M 2=M 故 02=U 2) 活动衔铁向上移动时 M 1=M+ΔM M 2=M-ΔM 故21 212112])(/[2L r U M U ωω+?= ，与a E 2 同极性。 3) 活动衔铁向下移动时 M 1=M-ΔM M 2=M+ΔM 故 21212112])(/[2L r U M U ωω+?-= ， b E 2 4）输出特点：输出（交流电压）幅值与衔铁偏移量成正比；衔铁过平衡点时，相位改变180度。 5）零点残余电压 由于差动变压器的两次侧绕组不对称（等效阻抗不一样），衔铁处于中间位置时输出不为零。 三．测量电路 1.相敏检波电路 放大，相敏检波，转化为直流输出 a)被测位移变化 b)变压器激励电压 c)差动变压器输出电压波形 d)相敏检波控制（解调）电压 e)检波（低通滤波后）输出
第5章电感式传感器 一、单项选择题 1、电感式传感器的常用测量电路不包括（）。 A. 交流电桥 B. 变压器式交流电桥 C. 脉冲宽度调制电路 D. 谐振式测量电路 2、电感式传感器采用变压器式交流电桥测量电路时，下列说法不正确的是（）。 A. 衔铁上、下移动时，输出电压相位相反 B. 衔铁上、下移动时，输出电压随衔铁的位移而变化 C. 根据输出的指示可以判断位移的方向 D. 当衔铁位于中间位置时，电桥处于平衡状态 3、下列说法正确的是（）。 A. 差动整流电路可以消除零点残余电压，但不能判断衔铁的位置。 B. 差动整流电路可以判断衔铁的位置，但不能判断运动的方向。 C. 相敏检波电路可以判断位移的大小，但不能判断位移的方向。 D. 相敏检波电路可以判断位移的大小，也可以判断位移的方向。 4、对于差动变压器，采用交流电压表测量输出电压时，下列说法正确的是（）。 A. 既能反映衔铁位移的大小，也能反映位移的方向 B. 既能反映衔铁位移的大小，也能消除零点残余电压 C. 既不能反映位移的大小，也不能反映位移的方向 D. 既不能反映位移的方向，也不能消除零点残余电压 5、差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有（）。 A．直流电桥 B．变压器式交流电桥 C．差动相敏检波电路 D．运算放大电路 6、通常用差动变压器传感器测量（）。 A．位移 B．振动 C．加速度 D．厚度7、差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有( )。 A．直流电桥 B．变压器式交流电桥 C．差动相敏检波电路 D．运算放大电路 二、多项选择题 1、自感型传感器的两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度（）。 A. 提高很多倍 B. 提高一倍 C. 降低一倍 D. 降低许多倍 2、电感式传感器可以对（）等物理量进行测量。
东北石油大学 课程设计 2015年7 月 8日
任务书 课程传感器课程设计 题目电感式位移传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器姓名祖景瑞学号 主要内容： 本设计要完成电感式位移传感器应用电路的设计，通过学习和掌握电感式传感器的原理、工作方式及应用来设计一个电路。电路要能够检测一定范围内位移的测量，并且能够通过LED进行数字显示。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器等技术。 基本要求： 1、能够检测 0~20cm 的位移； 2、电压输出为 1~5V； 3、电流输出为 4~20mA； 主要参考资料： [1] 贾伯年，俞朴.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，2006：68-69. [2]王煜东. 传感器及应用[M].北京：机械工业出版社，2005：5-9. [3] 唐文彦.传感器[M].北京：机械工业出版社，2007: 48-50. [4] 谢志萍.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002:80-90.完成期限—
指导教师 专业负责人 2015年 7 月 1 日
摘要 测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法，激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制方面。针对目前电感式位移传感器的应用现状，本文提出了一种电感式位移传感器的设计方法，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点，可以广泛应用于机械位移的测量与控制。 关键词：电感式传感器；自感式传感器；测量位移；位移传感器
课程设计任务书 分院（系）机械工程专业机械设计制造及其自动学生姓名陈雪松学号201207024134 设计题目差动变压器位移传感器 内容及要求： （1）利用差动变压器设计位移传感器 （2）利用给定的数据设计电路图,并解释清楚原理 （3）根据设计的电路进行改进提高测量精度 （4）测位移的传感器用差动变压器 要求在课程设计报告中给出： 1)简述元器件装置的结构和电路原理图。 2)调试过程，说明发现的向题及处理过程。 3)系统调试并写出测试结果。 4)总结结论。 进度安排： 2014年11月10日—2012年12月5日 根据设计要求和内容查阅参考文献或资料，提出设计方案，进行原理设计。 2014年12月6日—2014年12月20日 根据设计方案，进行调试，测试，撰写课程设计报告。
目录 1摘要 (2) 2引言 (4) 3.螺线管式差动变压器传感器 (4) 3.1差动变压器式传感器简介 (4) 3.2 工作原理 (4) 4.差动变压器的测量电路及其仿真 (6) 4.1差动整流电路 (7) 4.2相敏检波电路： (9) 4.3零点残余误差补偿 (13) 5.差动变压器位移传感器的改进 (14) 5.1差动电压接放大器电路及其仿真 (14) 5.2整流信号接滤波电路 (15) 6.使用器件清单 (17) 7 总结 (17)
1.摘要 ------差动变压器位移传感器的基本知识介绍 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。由于传感器的输出信号一般都很薄弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大等。 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的自感或互感变化的机电转换装置。它也常用来检测位移、振动、力、应变、流量、比重等物理量。 电感式传感器的种类很多。根据传感器转换原理不同，可分为自感式、互感式、涡流式、压磁式和感应同步器等。根据结构形式不同，可分为气隙式和螺管式两种。根据改变的参数不同，又可分为变气隙厚度式、变气隙面积式、变铁芯导磁率式三种。 电感传感器具有以下优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好；性能稳定，重复性好；输出阻抗小，输出功率大；抗干扰能力强，适合在恶劣环境中工作。电感传感器的缺点是：频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量；存在交流零位信号；要求附加电源的频率和幅值的稳定度高；其灵敏度、
课程设计任务书
目录 1摘要 (2) 2引言 (4) 3.螺线管式差动变压器传感器 (4) 3.1差动变压器式传感器简介 (4) 3.2 工作原理 (4) 4.差动变压器的测量电路及其仿真 (6) 4.1差动整流电路 (7) 4.2相敏检波电路： (9) 4.3零点残余误差补偿 (13) 5.差动变压器位移传感器的改进 (14) 5.1差动电压接放大器电路及其仿真 (14) 5.2整流信号接滤波电路 (15) 6.使用器件清单 (17) 7 总结 (17)
1.摘要 ------差动变压器位移传感器的基本知识介绍 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。由于传感器的输出信号一般都很薄弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大等。 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的自感或互感变化的机电转换装置。它也常用来检测位移、振动、力、应变、流量、比重等物理量。 电感式传感器的种类很多。根据传感器转换原理不同，可分为自感式、互感式、涡流式、压磁式和感应同步器等。根据结构形式不同，可分为气隙式和螺管式两种。根据改变的参数不同，又可分为变气隙厚度式、变气隙面积式、变铁芯导磁率式三种。 电感传感器具有以下优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好；性能稳定，重复性好；输出阻抗小，输出功率大；抗干扰能力强，适合在恶劣环境中工作。电感传感器的缺点是：频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量；存在交流零位信号；要求附加电源的频率和幅值的稳定度高；其灵敏度、
电感式传感器 电感式传感器 inductance type transducer 电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。 电感式传感器具有以下特点：（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。 下面分别介绍:自感式传感器、互感式传感器、电涡流式传感器 1、 自感式传感器。 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：①
无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 1、变间隙型电感传感器 这种传感器的气隙δ随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图1）。它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。δ一般取在0.1～0.5毫米之间。 2、变面积型电感传感器 这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图2）。它的灵敏度为常数，线性度也很好。 3、螺管插铁型电感传感器 它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作。 二、互感式传感器（差动变压器） 一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压装置。用于测量位移、压力、振动等非电量参量。它既可用于静态测量，也可用于动态测量。
电感传感器的接口电路设计 摘要：位移测量具有广泛应用，电感式传感器以其结构简单可靠、输出功率大、线性好、抗干扰和稳定性好、价格低廉等特点获得了大量的应用。针对目前电感式位移传感器的应用现状，在对电感式直线位移传感器深入分析的基础上，本文设计了一种电感式位移传感器接口电路。 该电路采用电感传感器把被测位移量转变为微弱电信号，经前置交流放大、相敏整流，直流放大，A/D转换等电路处理后，送入单片机进行综合运算处理后输出，并通过液晶显示结果，可以适应不同量程和分辨率的信号调理要求。文中介绍了整体电路的设计和单片机系统的硬件及软件流程。设计过程中用Protel99 SE对电路原理图进行了绘制，选用了单片机的开发工具Keil C51μvision2对软件设计中的程序进行编写、编译、模拟仿真，电路正常，完成了课题要求的电感传感器对位移测量并显示结果。 关键词：位移测量；电感式传感器；单片机；液晶显示
The Design of the Inductive Sensor Interface Circuit Abstract: the measurement of diaspacement is very important in engineering. Inductive transducers are widely used due to their simple structures,high output capacities,good linearity,good disturbance resistance,good stability and low prices.Based on thoroughly analysis of linear inductive displacement transducers,a inductive displacement transducer interface circuit is designed in this thesis. This metering circuit uses the inductive transceiver to transform that the displacement offset into the weak electrical signal, after the pre- AC amplification, the phase-sensitive rectifier,the DC Larger and the A / D conversion circuit processing, output after processing in the monolithic integrated circuit and display the results through the LCD. It can adapt to different range and resolution of the signal conditioning requirements. In the process of designing, Protel99SE is used to plot schematic diagram, Keil C51μvision2and the development kit of MCU is used to compile, translate and make simulation about the assemble program. The circuit is in gear and it basically can accomplish the task of measure of the displacement offset through the inductive sensor and dispiay the result. Keywords: the measurement of displacement；the inductive sensor；MCU；LCD
东北石油大学 课程设计 课程传感器课程设计 题目电感式位移传感器应用电路设计院系电气信息工程学院 专业班级测控12-2 学生姓名祖景瑞 学生学号120601240222 指导教师邹彦艳刘继承 2015年7 月8日
任务书 课程传感器课程设计 题目电感式位移传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器姓名祖景瑞学号120601240222 主要内容： 本设计要完成电感式位移传感器应用电路的设计，通过学习和掌握电感式传感器的原理、工作方式及应用来设计一个电路。电路要能够检测一定范围内位移的测量，并且能够通过LED进行数字显示。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器等技术。 基本要求： 1、能够检测0~20cm 的位移； 2、电压输出为1~5V； 3、电流输出为4~20mA； 主要参考资料： [1]贾伯年，俞朴.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，2006：68-69. [2]王煜东. 传感器及应用[M].北京：机械工业出版社，2005：5-9. [3] 唐文彦.传感器[M].北京：机械工业出版社，2007: 48-50. [4] 谢志萍.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002:80-90. 完成期限2015.7.4—2015.7.8 指导教师 专业负责人 2015年7 月1 日
摘要 测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法，激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制方面。针对目前电感式位移传感器的应用现状，本文提出了一种电感式位移传感器的设计方法，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点，可以广泛应用于机械位移的测量与控制。 关键词：电感式传感器；自感式传感器；测量位移；位移传感器
电感式传感器测量电路设计 学院：信自学院 姓名：xxxxx 学号：13 专业：自动化 班级：103班 2012年12月26日
目录 摘要 (3) 1.绪论 (5) 1．1 引言 (5) 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 (7) 2．整体的方框图与工作原理 (8) 3．各个单元电路设计 (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 (13) 3．3 电感测头的结构 (15) 3．4 正弦波电路的设计 (16) 3．5 零点残余电压的调整 (18) 3．6 交流放大电路 (20) 3．7 相敏检波电路 (22) 3．8 A/D转换及显示电路 (28) 4．软件部分的设计 (30) 4．1本系统设计的程序流程图 (30) 4．2单片机8051的C语言程序清单 (31)
5、参考文献 (33) 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。 电感式位移传感器实例 电感式位移传感器实例
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
东北石油大学 课程设计 ２015年7 月８日
任务书 课程传感器课程设计 题目电感式位移传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器姓名祖景瑞学号1206012402２２ 主要内容: 本设计要完成电感式位移传感器应用电路的设计,通过学习和掌握电感式传感器的原理、工作方式及应用来设计一个电路。电路要能够检测一定范围内位移的测量,并且能够通过LEＤ进行数字显示。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器,霍尔式位移传感器等技术。 基本要求: 1、能够检测0~2０cm 的位移； 2、电压输出为1~５V； 3、电流输出为４~20mA； 主要参考资料: [1］贾伯年，俞朴.传感器技术［Ｍ]．南京:东南大学出版社，2006：68-69. ［2]王煜东. 传感器及应用[M].北京:机械工业出版社，2０05:5－9. ［3]唐文彦．传感器[M］.北京:机械工业出版社,2007： 48－5０. [4]谢志萍．传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,２０02:80-90. 完成期限20１５.7.4—2015.7.８ 指导教师 专业负责人 ２015
年７月1日
摘要 测量位移的方法很多,现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法,激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。电感式位移传感器具有无滑动触点,工作时不受灰尘等非金属因素的影响,并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制方面。针对目前电感式位移传感器的应用现状，本文提出了一种电感式位移传感器的设计方法，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点,可以广泛应用于机械位移的测量与控制。 关键词：电感式传感器;自感式传感器；测量位移;位移传感器
电感式传感器 1．电感式传感器工作原理 电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。 2．传感器选型指南 选择的依据是要决定哪一个是合适的传感器原理。这取决于将要测定的目标的材料。如果目标是金属的，那么需要一个电感传感器。 如果目标是塑料做的，纸做的；或<油基或水基）流体、颗粒、或者粉末，那么需要一个电容传感器。 如果目标带有磁性，那么电磁传感器是合适的。 为你的应用选择最佳传感器的4个步骤： 步骤1 按外壳形状 步骤2 按动作距离 步骤3 按电气数据和输出形式 步骤4 按其它技术参数
步骤1 按外壳形状 圆柱形传感器 这此传感器在它们的正面有一个感应区域，指向轴线方向。现有的直径是从3mm(没有螺纹>和4mm(有螺纹>，一直到// 现有的罩壳材料有： ★高级不锈钢 ★黄铜，镀镍或者复盖聚四氟乙稀 ★塑料 矩形传感器 槽型传感器 步骤2 按动作距离 动作距离是一个接近开关的最重的特征。根据物理原理，对于电感传感器和电容传感器，可以应用下面的近似公式： S≤D/2 式中，D是传感器的传感面直径。 S是传感器的动作距离 动作距离的定义 当用标准测试板轴向接近开关感应面，使开关输出信号发生变化时测量的开关感应面和测试板之间的距离。 标准测试板尺寸： 其边长或为传感器的直径，或为3Sn<3倍额定动作距离）取二者中较大者，厚度为1mm 材料：为ST37或碳钢
位移传感器原理及分类 人们以经典电磁学为理论基础，把不便于定量检测和处理的位移、位置、液位、尺寸、流量、速度、振动等物理量转换为易于定量检测、便于作信息传输与处理的电学量。这就是在生产生活中被广泛应用的位移传感器。 位移传感器 位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。位移是和物体的位置在运动过程中移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。 位移传感器的分类及原理 按工作原理分：电位器式位移传感器 它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。 但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。 物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。
实验电感式传感器实验 实验项目编码： 实验项目时数：2 实验项目类型：综合性（）设计性（）验证性（√） 一、实验目的 了解模拟量电感传感器的响应特性；熟悉评估测量的重复性、直线度和磁滞误差；掌握确定模拟量电感传感器的灵敏度。 二、实验内容及基本原理 （一）实验内容 使用螺旋测微器带动电感式传感器衔铁横向位移，产生电感变化，利用测量电路，将电感变化转换成电压输出，从而将位移与电压输出建立联系。 （二）实验原理 差动变压器的工作原理电磁互感原理。差动变压器的结构如图1所示，由一个一次绕组1 和二个二次绕组2、3 及一个衔铁4 组成。差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于把二个二次绕组反向串接(＊同名端相接)，以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。 当差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响)，它的等效电路如图2所示。图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1 分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小， 图1 差动变压器的结构示意图图2 差动变压器的等效电路图 因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。 因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。