0
东北石油大学
课 程 设 计
2015年7 月 8日 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
指导教师 邹彦艳 刘继承
1
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 —
2 指导教师
专业负责人
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，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器.
该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。
该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。
磁致伸缩线性位移传感器的工作原理
磁致伸缩线性位移传感器的工作原理：当工作时，由电子仓内电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的位移和液位。该产品主要应用于要求测量精度高、使用环境较恶劣的位移和液位测量系统中。具有精度高、重复性好、稳定可靠、非接触式测量、寿命长、安装方便、环境适应性强等特点。它的输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，因此不必像其它液位传感器一样需要定期重标和维护；正是因为它的输出信号为绝对值，所以即使电源中断重新接通也不会对数据接收构成问题，更无须重新归回零位。与其它液位变送器或液位计相比有明显的优势，它可广泛应用于石油、化工、制药、食品、饮料等行业，对各种液罐的液位进行计量和控制。作为位移传感器，它不但可以测量运动物体的直线位移，而且还可同时给出运动物体的速度模拟信号。
电涡流传感器是由DJ型前置放大器和电涡流探头组合构成，它是一种趋近式传感系统。由于其长期工作可靠性好，灵敏度高，抗干扰能力强，采用非接触测量，响应速度快，耐高温，能在油、汽、水等恶劣环境下长期连续工作,检测不受油污、蒸汽等介质的影响，已广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、航空航天等大中型企业，对各种旋转机械的轴位移、振动、转速、胀差、偏心、油膜厚度等进行在线监测和安全保护，为精密诊断系统提供了全息动态特性，有效地对设备进行保护。电涡流位移传感器系统主要包括探头、延伸电缆（可选）、前置器和附件。线性范围宽、动态响应好、抗干扰能力强。
一种电感式位移传感器的电路
随着传感器技术的成熟发展，传感器已广泛应用于各种测量装置中。
在很多几何量测量装置中，位移传感器是不可或缺的组成部分。介绍了一种
电感式位移传感器的电路系统。该系统以一片AD698芯片为信号调整电路的
核心，将位移量输出信号转换为相应的直流电压值，并结合其它一系列电路
模块实现了测头位移量测量。通过对测头的标定试验证明该系统精度高、线
性测量范围大。
1 系统结构与工作原理
图1为测头电路系统结构框图。测头电路系统主要由信号转换电路、
运算放大电路、滤波输出电路、量程切换电路和窗口电压比较电路五部分组
成。传感器输出交流电压信号，电压值与传感器磁芯位置成正比，经过信号
转换电路将其转换为相应的直流电压信号。运算放大电路对直流电压信号进
行放大，以满足后续电路的电压需求;放大后的直流信号经过滤波输出电路输
出到A /D 卡，在计算机控制下实现自动检测;同时，滤波信号经量程切换电
路，将直流电压信号以对应电表不同量程的位移值得以显示，从而提供直观
的测量结果;滤波信号经窗口电压比较电路可检测到测头位移状态，分别以检
测、安装、报警等状态显示输出，保证了安装和检测过程的安全。
第２９卷第７期 ２０１２年７月 机 电 工 程 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０１２
电感式位移传感器输出特性仿真分析
宋黎明，杨前明 ，谢计业，李 微
（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛２６６５９０）
摘要：电感式位移传感器因其结构及电磁感应特点，不可避免地出现输出非线性与温度漂移的问题，影响其测试精度。针对这一问 题，在分析电感式位移传感器结构特性与工作原理的基础上，建立了其输入／输出关系数学模型，并运用Ｍａｔｌａｂ软件进行了仿真分 析；探讨了输入／输出参数之间的变化规律。研究结果表明：电感式位移传感器存在一个近似线性工作区域±６ ，其线性度误差受 线圈匝数与半径的影响；在其他参数一定的情况下，线圈半径与线圈匝数分别为定值、依次改变线圈匝数与线圈半径时，存在铁芯 位移 ，且当 ≤Ｉ ６ Ｉ时，传感器输出特性近似成线性关系，线性度好；当 ≥ｌ ６ ｌ时，传感器输出特性为非线性关系，线性度
差。 关键词：电感式位移传感器；数学模型；Ｍａｔｌａｂ仿真；线性误差 中图分类号：ＴＰ２１２；ＴＨ７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：ＩＯＤＩ一４５５１（２０１２）０７—０７９５—０４
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ
ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ
ＳＯＮＧ Ｌｉ—ｍｉｎｇ，ＹＡＮＧ Ｑｉａｎ—ｍｉｎｇ，ＸＩＥ Ｊｉ－ｙｅ，ＬＩ Ｗｅｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ，ｉｔ ｉｓ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ ｔｏ ａｐｐｅａｒ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｆｔ，ｂｙ ｗｈｉｃｈ ｉｔｓ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ Ｍａｔｌａｂ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗａｓ ｉｎ— ｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｈａｓ ａｎ ｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ｌｉｎｅａｒ ｅｘｔｅｎｔ（±６…）ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｅｒｒｏｒｓ ａｒｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｉｌｓ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｍｉｄｉａｍｅｔｅｒ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｉｌ ｏｆ ｒａｄｉｕｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｃｏｉｌ ｔｕｒｎｓ ａｒｅ ｆｉｘｅｄ，ｏｒ ｔｈｅ ｃｏｉｌ ｒａｄｉｕｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｕｒｎｓ ａｒｅ ｃｈａｎｇｅｄ ｉｎ ｐｒｏｐｅｒ ｓｅｑｕｅｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｗｈｅｎ ≤ ｌ ６ ａｘ Ｉ，ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｈａｓ ａｎ ｆａｖｏｒａｂｌｅ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ．Ｗｈｅｎ ≥Ｉ ６ ａｘ ｌ，ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｐｐｅａｒｓ ｗｏｒｓｅ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；Ｍａｔｌａｂ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｌｉｎｅａｒ ｅｒｒｏｒ
