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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 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 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。 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。 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。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；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 由于Il的存在，在次级线圈中产生磁通 Rm1及Rm2分别为磁通通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