电感式位移传感器的设计

LVDT线性位移传感器数据检测技术及测控电路课程设计姓名：***学号：**********班级：测控09-3班学校：哈尔滨理工大学第一章一、设计目的1、根据LVDT线性位移传感器的工作原理，设计差动变压器电感式位移传感器（包括传感器参数设计和架构设计）。

2、学习集成芯片AD698工作原理以及与LVDT的连接的应用。

3、学习分析设计电路、Altium Designer绘制原理图及PCB图。

4、学习焊接电路板并完成电路板的调试。

5、了解传感器标定方法，并计算传感器的相关参数。

6、运用所学习的理论知识解决实际问题。

第二章一、 原始数据及技术要求1、 最大输入位移为1cm ；2、 灵敏度不小于1v/mm ；3、 非线性误差不大于10%；4、 电源为直流30v; 二、 传感器原理设计2-1．差动变压器的工作原理因为差动输出电动势为)()(1211M f M I j M M I j E S ∆=∆=-=••ωω 所以差动变压器输出电动势为两副边线圈互感之差M ∆的函数。

2-2．螺管型差动变压器的结构设计螺管型差动变压器结构复杂，常用二段式、三段式、一节式的灵敏度高，但三节式的零点较好，如图一所示为三种形式的示意图。

二节式一节式三节式图一 差动变压器的结构形式2-3．螺管型差动变压器的参数计算 1. 激磁绕组长度的确定通常是在给定非线性误差γ及最大动态范围max l ∆的条件下来确定值b ，即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∆=∆=∆-=max 222221ll b k l k r 联立以上各式解得γ2max l b ∆=取max l ∆=1cm ，则缘边线圈长度b=2.24 cm, 2k =997 2. 衔铁的长度c l 的确定由结构图二的几何尺寸关系可知，铁芯的长度为212l b d l l c +++=式中1l 、2l --衔铁在两个副边绕组m 中的长度；d --初次线圈间骨架厚度； b --原边线圈的长度；m --两副边绕组长度；初始状态时有021l l l ==，则衔铁的长度由图二的几何尺寸有b d l l b d l lc ++=+++=)(22000设计时，一般取b l =0，故有d b l c 23+=，通常取b d <<，则b lc 3=由一中式求得为b=2.24cm ，求得为c l =6.72cm 。

倍加福接近传感器NCB4-12GM40-N0-V1电感式传感器倍加福接近传感器NCB4-12GM40-N0-V1电感式传感器电感式传感器简介：电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。

利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。

它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。

它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大，分辨率低，反之则高。

技术参数节选 NCB4-12GM40-N0-V1通用规格开关功能常闭 (NC)输出类型 NAMUR额定工作距离 4 mm安装齐平确保操作距离 0 ... 3,24 mm实际工作距离 3,6 ... 4,4 mm 类型衰减系数 rAl 0,41衰减系数 rCu 0,39衰减系数 r304 0,78输出类型 2 线额定值额定电压 8,2 V （Ri 约 1 kΩ）开关频率 0 ... 1500 Hz迟滞 1 ... 15 类型 5 %反极性保护反极性保护短路保护是适用于 2:1 技术是，无需反极性保护二极管电流消耗未检测到测量板 min. 2,2 mA检测到测量板≤ 1 mA开关状态指示灯黄色多孔 LED功能性安全相关参数安全完整性级别 (SIL) SIL 2MTTFd 3010 a任务时间 (TM) 20 a诊断覆盖率 (DC) 0 %装置应用传感器作为采集和获取信息的工具，对系统的自动化检测和质量监测起着重要作用。

电感式传感器是一种互感式电感传感器，它可将微小的机械量，如位移、振动、压力造成的长度、内径、外径、不平行度、不垂直度、偏心、椭圆度等非电量物理量的几何变化转换为电信号的微小变化，转化为电参数进行测量，是一种灵敏度较高的传感器，具有结构简单可靠、输出功率大、抗阻抗能力强、对工作环境要求不高、稳定性好等一系列优点，因而被广泛应用于各种工程物理量检测与自动控制系统中 [3] 。

位移传感器的工作原理一、引言位移传感器是一种用于测量物体位置或位移变化的设备。

它广泛应用于工业自动化、机械工程、航空航天等领域。

本文将详细介绍位移传感器的工作原理及其应用。

二、工作原理位移传感器的工作原理基于不同的物理效应，常见的工作原理包括电容式、电感式、光电式、压阻式等。

1. 电容式位移传感器电容式位移传感器利用电容量的变化来测量位移。

它由两个电极组成，当物体接近或远离电极时，电容量会发生变化。

通过测量电容量的变化，可以确定物体的位移。

2. 电感式位移传感器电感式位移传感器利用电感量的变化来测量位移。

它由一个线圈和一个铁芯组成，当物体接近或远离线圈时，线圈的电感量会发生变化。

通过测量电感量的变化，可以确定物体的位移。

3. 光电式位移传感器光电式位移传感器利用光的传输和接收来测量位移。

它由一个发光器和一个接收器组成，当物体接近或远离发光器和接收器时，光的强度会发生变化。

通过测量光的强度的变化，可以确定物体的位移。

4. 压阻式位移传感器压阻式位移传感器利用电阻值的变化来测量位移。

它由一个弹性材料和一个电阻片组成，当物体施加压力或力量时，弹性材料会发生形变，从而改变电阻片的电阻值。

通过测量电阻值的变化，可以确定物体的位移。

三、应用领域位移传感器在许多领域中都有广泛的应用。

1. 工业自动化位移传感器在工业自动化领域中用于测量机器人的位置和姿态，控制机器人的运动轨迹，实现精确的操作和加工。

2. 机械工程位移传感器在机械工程领域中用于测量机械设备的位移、振动和变形，监测设备的状态，提高设备的运行效率和可靠性。

3. 航空航天位移传感器在航空航天领域中用于测量飞机和航天器的结构变形、翼尖位移等参数，确保飞行安全和结构的完整性。

4. 汽车工程位移传感器在汽车工程领域中用于测量汽车零部件的位移、变形和振动，监测车辆的状态，提高驾驶安全性和乘坐舒适度。

5. 医疗设备位移传感器在医疗设备领域中用于测量患者的身体位移和运动，监测病情变化，辅助医生进行诊断和治疗。

实验八电感位移传感器特性研究【实验目的】1.了解电感位移传感器工作原理；2.测量自感式传感器特性；3.测量差动变压器式传感器特性。

【实验原理】1．自感式位移传感器当磁棒插入线圈中并发生位移时，回路自感的大小与这回路所围面积的磁链数有关，由于磁棒在外部的磁感线是发散的、密度较稀，在内部的磁感线密度很大，所以自感L随磁棒位移x而发生变化。

而自感式传感器是把被待测位移变化转换成自感L变化的一种传感器。

自感式传感器的自变量为L，电感测量常见方法有以下两种。

（1）RL分压法测电感图9.1（a）所示的RL分压法测量电感接线图，因为电感的电流落后电压90°，而串联电路流过的电流是相同的，所以电感的电流与电阻的电压同相位。

我们把电阻电压VR放在X轴上，则电感电压VL在Y轴正向。

因为串联电路流过的电流相同，所以我们可以把电流因子约去。

由图9.1（b）可知V R V i =√VR2+VL2=√1+(ωL/R)（1）L=Rω√(Vi/VR)2−1（2）所以，只要已知R、ω、Vi ，测量VR即可求出L。

（2）LC谐振电流法测量电感如图9.2所示，我们再在RL回路中串入一个电容C。

串联电路流过各元件的电流相同，但电容上的电压落后电流90°。

我们仍把电阻上的电压作为参考量放在x轴，那么，电容电压将位于y轴的负方向。

这样电容上的电压和电感上的电压都位于y轴且方向相反。

一种特殊情况下，无论电感和电容的值是多少，总能找到一个频率使得VC=VL，由图9.2（b）看出，在y方向上的合成量为零。

这种情况称之为谐振，此时回路电流为谐振电流，用取样电阻R就得到了取样电压，此时取样信号与信号源信号同相位且为最大值，利用这个特点，我们可以测量精确电感。

由VC=VL，约去电流因子我们有XC=XL，即ωL=1（3）ωC（4）L=1ω2C可以看出，只要信号源频率、电容C已知，L就可以计算。

这种测量方式避免了测量仪表直接加在被测元件上，对于小容量电容测量很有好处，由于是比较相位，所以特别灵敏。

电感式位移传感器的设计（第1页）一、设计背景位移传感器在现代工业生产中扮演着重要角色，广泛应用于机械制造、自动化控制、航空航天等领域。

电感式位移传感器作为一种常见的位移检测装置，具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点。

本文将详细介绍电感式位移传感器的设计过程。

二、工作原理电感式位移传感器是基于电磁感应原理设计的。

当传感器中的激励线圈通以交流电流时，会在周围产生交变磁场。

当被测物体（通常是金属目标物）进入该磁场并发生位移时，会导致磁路的磁阻发生变化，进而引起线圈感应电动势的变化。

通过检测感应电动势的变化，即可实现对位移量的精确测量。

三、设计目标1. 确保传感器具有较高的测量精度和分辨率；2. 提高传感器的线性度和稳定性；3. 优化传感器结构，使其便于安装和维护；4. 降低成本，提高传感器的性价比。

四、传感器结构设计1. 激励线圈设计（1）线圈的匝数：匝数越多，产生的磁场强度越大，但线圈电阻也会增加，导致功耗增大。

因此，需在磁场强度和功耗之间寻找平衡。

（2）线圈的材料：选择具有较高磁导率和电阻率的材料，以提高线圈的性能。

（3）线圈的形状：根据实际应用场景，设计合适的线圈形状，使其在有限的空间内产生较强的磁场。

2. 检测线圈设计（1）线圈与激励线圈的相对位置：确保检测线圈能充分感应到激励线圈的磁场变化。

（2）线圈的匝数：匝数越多，感应电动势越大，但线圈电阻也会增加。

需在灵敏度与功耗之间进行权衡。

（3）线圈的材料：选择具有较高磁导率和电阻率的材料。

电感式位移传感器的设计（第2页）五、信号处理电路设计1. 激励信号源（1）频率选择：激励信号的频率应适中，频率太低会导致灵敏度下降，频率太高则可能引起电磁干扰。

（2）幅值稳定：确保激励信号幅值稳定，以减少测量误差。

2. 感应电动势检测感应电动势的检测是位移测量的关键步骤。

检测电路设计如下：（1）放大电路：由于感应电动势信号较弱，需通过放大电路对其进行放大，以便后续处理。

位移传感器原理及应用领域位移传感器是一种用来测量物体或系统位移改变的装置。

它通过将物体的位移转化为信号输出，以实现对位移进行准确测量和监测。

位移传感器在许多领域都有广泛的应用，包括工业自动化、航空航天、建筑工程、医疗设备等。

位移传感器的工作原理有多种，下面列举了几种常见的工作原理：1. 电阻式位移传感器：该传感器利用电阻元件的电阻随物体位移变化而发生变化的原理，将位移转化为电阻值的变化。

2. 容积式位移传感器：该传感器利用物体位移改变容积的原理，通过测量容器内介质的体积变化来获得位移信息。

3. 电感式位移传感器：该传感器利用线圈的电感随物体位移变化而发生变化的原理，将位移转化为电感值的变化。

4. 光电式位移传感器：该传感器利用光电元件的光强随物体位移变化而发生变化的原理，将位移转化为光强值的变化。

5. 压电式位移传感器：该传感器利用压电材料的晶体结构随物体位移变化而发生变化的原理，将位移转化为电荷或电压信号的变化。

位移传感器在工业自动化中的应用非常广泛。

在机械加工、车床、数控机床等设备中，位移传感器可以用来监测加工过程中各个部件的位移和位置，确保加工精度和质量。

在机器人技术中，位移传感器被用来测量和控制机器人各个部件的位移变化，实现协调运动和精准抓取。

在工厂自动化生产线中，位移传感器可以用来监测和控制物料的位移和位置，提高生产效率和质量。

位移传感器在航空航天领域也有重要的应用。

在航空器设计和测试中，位移传感器可以用来测量各个关键部件的位移和变形，确保航空器的结构稳定性和安全性。

在飞行器导航和自动驾驶系统中，位移传感器可以用来测量飞行器的位移和姿态，实现精准的飞行控制。

在建筑工程中，位移传感器可以用来监测和记录建筑物的变形和位移，包括地基的变形、桥梁的位移等。

这对于建筑物的结构安全和稳定性具有重要意义。

在医疗设备领域，位移传感器可以用来测量人体的运动和位移，包括手术机器人的运动、矫形器的调整等。

它们为医生提供了精确而可靠的数据来指导手术和治疗。

直线位移传感器的工作原理直线位移传感器（Linear displacement sensor）是一种用于测量物体直线移动距离的传感器。

它广泛应用于机器人、仪器仪表、自动化生产线等领域，用于实时监测和控制物体的位置。

其工作原理可以分为电感式、电容式、光电式和磁电式等。

一、电感式直线位移传感器：电感式直线位移传感器利用感应线圈的电感变化来测量位移。

其基本构造包括一对感应线圈以及一根可移动的金属臂，金属臂和感应线圈构成一个简单的变压器。

当金属臂移动时，感应线圈的电感会发生变化，进而导致输出信号的变化。

通过测量感应线圈回路的电感值，就可以确定物体的位移。

二、电容式直线位移传感器：电容式直线位移传感器采用了变电容的原理来测量位移。

其构造包括两块感应板和一块可移动的介电板。

在两块感应板之间，形成一个变动的电容结构。

当介电板移动时，感应板之间的电容值会发生变化，进而使得输出信号的电容值变化。

通过测量电容值的变化，就可以确定物体的位移。

三、光电式直线位移传感器：光电式直线位移传感器是通过光电原理来测量位移的。

其构造包括一个光源和一个光敏接收器。

光源发出的光射线被光敏接收器接收。

当物体位移时，光线被挡住或发生折射，光敏接收器接收到的光信号的强度就会变化。

通过测量光信号的变化，就可以确定物体的位移。

四、磁电式直线位移传感器：磁电式直线位移传感器利用磁感应原理来测量位移。

其构造包括一个磁电传感器和一个磁铁。

磁电传感器产生的磁场被磁铁吸引，当磁铁位移时，磁场的位置和强度会发生变化，磁电传感器测量到的电压信号也随之变化。

通过测量电压信号的变化，就可以确定物体的位移。

需要注意的是，不同类型的直线位移传感器在测量范围、精度、灵敏度等方面会存在差异。

同时，传感器的选用还需要根据具体应用场景来确定。

在使用直线位移传感器时，还需要考虑温度、湿度、耐久性等因素。

综上所述，直线位移传感器的工作原理涉及电感、电容、光电和磁电四种原理。

通过测量变化的电感、电容、光信号和电压等参数，就可以准确测量物体的直线位移。

位移传感器的工作原理位移传感器是一种用于测量物体位移或者位置的设备，广泛应用于工业自动化、机械创造、航空航天等领域。

它能够将物体的位移转化为电信号输出，提供准确的位移测量数据，为工程师和研究人员提供重要的参考信息。

一、工作原理位移传感器的工作原理基于不同的技术原理，常见的包括电阻式、电容式、电感式、光电式和霍尔效应式等。

以下将分别介绍这些工作原理。

1. 电阻式位移传感器电阻式位移传感器利用电阻值的变化来测量位移。

它通常由一个电阻元件和一个滑动触点组成。

当物体发生位移时，滑动触点会相应地改变与电阻元件之间的接触面积，从而改变电阻值。

通过测量电阻值的变化，可以确定物体的位移。

2. 电容式位移传感器电容式位移传感器利用电容值的变化来测量位移。

它由两个电极之间的电介质组成，当物体发生位移时，电介质的相对位置会发生改变，从而改变电容值。

通过测量电容值的变化，可以确定物体的位移。

3. 电感式位移传感器电感式位移传感器利用电感值的变化来测量位移。

它由一个线圈和一个磁铁组成，当物体发生位移时，磁铁的位置相对于线圈会发生改变，从而改变电感值。

通过测量电感值的变化，可以确定物体的位移。

4. 光电式位移传感器光电式位移传感器利用光的传输和接收来测量位移。

它由一个光源和一个光敏元件组成，当物体发生位移时，光线的传输路径会发生改变，从而改变光敏元件接收到的光强度。

通过测量光强度的变化，可以确定物体的位移。

5. 霍尔效应式位移传感器霍尔效应式位移传感器利用霍尔元件的特性来测量位移。

霍尔元件是一种基于霍尔效应的半导体器件，当物体发生位移时，磁场的强度和方向会发生改变，从而改变霍尔元件的输出电压。

通过测量输出电压的变化，可以确定物体的位移。

二、应用领域位移传感器广泛应用于各个领域，以下列举几个常见的应用领域。

1. 工业自动化在工业自动化领域，位移传感器被用于监测机器人的位置和姿态，实现精确的定位和运动控制。

它还可以用于测量生产线上的物体位置，确保生产过程的准确性和稳定性。

位移传感器的工作原理一、引言位移传感器是一种用于测量物体位置或移动的设备，广泛应用于工业自动化、机器人技术、汽车工程等领域。

本文将详细介绍位移传感器的工作原理。

二、工作原理位移传感器的工作原理基于不同的物理原理，常见的工作原理包括电阻式、电感式、电容式和光电式等。

1. 电阻式位移传感器电阻式位移传感器利用电阻值随位移变化的特性来测量位移。

一种常见的电阻式位移传感器是电位器。

电位器由一个可转动的电阻器和一个滑动电极组成。

当滑动电极沿电阻器移动时，电阻值会发生变化。

通过测量电阻值的变化，可以确定位移的大小。

2. 电感式位移传感器电感式位移传感器利用电感值随位移变化的特性来测量位移。

一种常见的电感式位移传感器是线性变压器。

线性变压器由一个主线圈和一个副线圈组成，主线圈上通以交流电源，副线圈测量输出电压。

当物体位移时，副线圈中的感应电动势会发生变化，通过测量输出电压的变化，可以确定位移的大小。

3. 电容式位移传感器电容式位移传感器利用电容值随位移变化的特性来测量位移。

一种常见的电容式位移传感器是平行板电容器。

平行板电容器由两个平行的金属板和一个绝缘材料组成。

当物体位移时，两个金属板之间的距离会发生变化，从而导致电容值的变化。

通过测量电容值的变化，可以确定位移的大小。

4. 光电式位移传感器光电式位移传感器利用光电效应来测量位移。

一种常见的光电式位移传感器是光电编码器。

光电编码器由一个光源和一个光敏元件组成。

光源发出光线，光线照射到光敏元件上，当物体位移时，光敏元件接收到的光线强度会发生变化。

通过测量光线强度的变化，可以确定位移的大小。

三、应用领域位移传感器在工业自动化、机器人技术、汽车工程等领域有着广泛的应用。

1. 工业自动化位移传感器可用于测量机械设备的位置和移动，实现自动化控制。

例如，在生产线上，位移传感器可以用来控制机械臂的位置，实现精确的操作。

2. 机器人技术位移传感器在机器人技术中起着关键作用。

电感式位移测量系统设计开题报告一、选题背景随着工业生产的发展，对于物理环境参数的测量需求也越来越大，位移测量系统作为其中重要的一种需要得到更进一步的优化和改进，以更好地适应工业生产需求。

目前，电感式位移测量系统已经成为一种主流方案，由于其在非接触式测量、高分辨率、高精度、快速响应和适用于不同介质的优势，电感传感器在位移测量中被广泛应用。

二、选题目的本次设计的目的在于，通过电感式位移测量系统的设计，进一步掌握电磁感应原理、信号处理、传感器设计及现代工业测量技术，同时实现一个高精度、高灵敏度、适用于不同介质的位移测量系统，以满足工业对于物理环境参数的需求。

三、选题意义电感式位移测量系统被广泛应用于汽车、火车、机床、航天航空等领域，其在测量准确度，测量范围和精度等方面具有明显优势，在现代工业制造领域有着重要作用。

因此，实现一个可靠的电感式位移测量系统对于推动工业生产的发展和提高生产效率具有重要的意义。

四、预期成果本次设计的成果为一个高精度的电感式位移测量系统，该系统具有以下特点：1. 高灵敏度和高精度：通过选用高品质的传感器和信号处理器，实现高灵敏度和高精度的位移测量。

2. 非接触式测量：该系统不需要与物体有直接接触，可以在不破坏物体表面的情况下进行测量。

3. 宽测量范围：该系统适用于不同介质，可以适应不同类型的位移测量。

五、设计方案1. 主要原理电感传感器采用电磁感应测量位移，将测量物理量转换为电信号输出，然后通过信号处理器进行信号放大、滤波、A/D转换等处理，最终输出数字量。

系统主要由电感传感器、语音放大器、信号处理器、微控制器等部分组成。

2. 设计流程设计的主要流程包括以下几个步骤：（1）选用合适的电感传感器并进行电路设计。

（2）配置合适的语音放大器并进行信号处理。

（3）设计微控制器系统以控制电路。

（4）进行系统测试和性能优化。

3. 设计难点本次设计的主要难点在于：（1）传感器的选择和电路设计，通过选用合适的传感器和电路设计实现高灵敏度和高精度的位移测量。

恒流源向线圈双向充电的电感式位移传感器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 DCR 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 DP 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 DP D L I I U t ψ∆=-=⋅，所以有如下关系式12DPD 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。

DP 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。

1orI 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VCCu Li L xI s DS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。