传感器原理与应用课程设计.doc

传感器原理与应用课程设计班 级： 测控1141班 姓 名： 学 号： 指导教师： 张立新 冯璐 撰写日期： 2013年12月19日 目录第一章 课程设计的目的、内容、要求11.1 实验目的11.2 实验内容11.3 实验要求1第二章 CSY2001B使用说明22.1 详细参数22.2 使用说明22.3 操作须知4第三章 磁电式传感器介绍53.1 磁电式传感器的构成53.2 磁电式传感器的原理53.3 磁电式传感器的应用7第四章 磁电式传感器实验84.1 实验所需模块介绍84.2 霍尔传感器直流特性104.3 霍尔传感器交流特性114.4 霍尔传感器振幅测量12总结14参考文献15附录 磁电式传感器实物连线图16第一章 课程设计的目的、内容、要求1.1 实验目的1培养学生测控系统的设计能力。2系统训练典型传感器的应用能力。3提高传感器及其应用电路的调试能力。4重点掌握典型传感器的应用方法、测量范围、应用电路以及检测精度与误差等解决实际工程问题的方案和操作方法。1.2 实验内容1提出总体设计方案。2应用传感器实验设备与自制电路系统进行设计。3系统硬件电路调试。4撰写课程设计论文。5完成课程设计答辩。1.3 实验要求1课程设计题目的方案及论证由学生自选完成。2完成各传感器性能、参数、工作原理的分析。（要求画电路图，电源除外）3掌握各式传感器标定方法及应用注意事项。4掌握传感器设计应用的环境和对象。5设计结束学生应撰写课程设计论文一份，并完成课程设计答辩。第二章 CSY2001B使用说明2.1 详细参数大型桌式传感器与检测技术综合实验台，采用完全模块化组合方式。主机包含实验所需的各种信号激励控制源、仪表显示、计算机数据采集系统及传感器动、静态实验机构。每个实验模块包含实验处理电路、一种或一类传感器及实验执行机构，可按实验所需灵活组合。位移机构采用进口精密导轨组成，能确保纯直线性位移，以真实地反映传感器的性能。KYCSY2001B型传感器系统综合实验台适用于各大专院校开设的“传感器原理与应用”、“自动检测技术”、“自动化仪表”、“机械电子工程”等课程的实验教学课程。2.2 使用说明CSY系列传感器系统综合实验台为完全模块式结构，分主机、实验模块和实验桌三部分。根据用户不同的需求分为基本型和增强性两种配置。主机由实验工作平台，传感器综合系统、高稳定交、直流信号源，温控电加热源，旋转源、位移机构、振动机构、仪表显示、电动气压源、数据采集处理和通信系统（RS232接口）、实验软件等组成。全套13个实验模块中均包含一种或一类传感器及实验所需的电路和执行机构（位移装置均由进口精密导轨组成，以确保纯直线性位移），实验时模块可按实验要求灵活组合，仪器性能稳定可靠，方便实用。主机配置：1. 直流稳压电源：（传感器工作直流激励源与实验模块工作电源）±2V±10V分五档输出，最大输出电流1.5A±15V（±12V） 、最大输出电流1.5A；激光器电源。2音频信号源：（传感器工作交流激励源）0.4KHz-10KHz输出连续可调，最大Vp-p值20V。LV端口功率输出，最大输出电流1.5A3低频信号源：（供主机位移平台与双平行悬臂梁振动激励，实现传感器动态测试）1Hz30Hz输出，连续可调，最大输出电流1.5A，最大Vp-p值20V，激振I（双平行悬臂梁）、激振II（圆形位移平台）的振动源。转换钮子开关的作用：（请特别注意）当倒向V0侧时，低频信号源正常使用，V0端输出低频信号，倒向Vi侧时，断开低频信号电路，V0 端无低频信号输出，停止激振、的激励。Vi作为电流放大器的信号输入端，输出端仍为V0端。激振不工作时激振选择开关应位于置中位置。4温控电加热源：（温度传感器加热源）由E分度热电偶控温的300W电加热炉，最高控制炉温400，实验控温200。交流220V插口提供电炉加热电源，作为温度传感器热源、及热电偶测温、标定和传感器温度效应的温度源等。5旋转源：（光电、电涡流传感器测转速之用）低噪声旋转电机，转速0-2400转/分，连续可调。（特别注意：电机不工作时钮子开关应置于“关”，否则直流稳压电源负电源会无输出）。6气压源：（提供压力传感器气压源）电动气泵：气压输出应40KP，连续可调,使用时请注意控制气压。手动加压气囊：可加压至满量程40KP，通过减压阀调节气压值。仪表显示部分：1电压/频率表1/2位数字表、电压显示分02V、020V两档。频率显示分02KHz、020KHz两档，灵敏度50mv。2数字式温度表（E分度）温度显：0-800（用其他热电偶测温时应查对相应的热电偶分度表）。3气压表0-40KP（0-300mmHg）显示。磁电式、压电加速度、半导体应变（2片）、金属箔式应变（工作片4片，温度补偿片2片）、衍射光栅（增强型）。双平行悬臂梁旁的支柱安装有螺旋测微仪，可带动悬臂梁上下位移。圆形位移（振动）平台旁的支架可安装电感、电容、霍尔、光纤、电涡流等传感器探头，在平台振动时进行动态实验。2.3 操作须知1. 使用本仪器前，请先熟悉仪器的基本状况，对各传感器激励信号的大小、信号源、显示仪表、位移及振动机构的工作范围做到心中有数。主机面板上的纽子开关都应选择好正确的倒向。2. 了解测试系统的基本组成：合适的信号激励源传感器处理电路（传感器状态调节机构）仪表显示（数据采集或图象显示）。3实验操作时，在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源，各信号源之间严禁用连接线短路，主机与实验模块的直流电源连接线插头与插座连接时尤要注意标志端对准后插入，如开机后发现信号灯、数字表有异常状况，应立即关机，查清原因后再进行实验。4实验连接线插头为灯笼状簧片结构，插入插孔即能保证接触良好，不须旋转锁紧，使用时应避免摇晃。为延长使用寿命，操作时请捏住插头连接叠插。5实验指导中的“注意事项”不可忽略。传感器的激励信号不准随意加大，否则可能会造成传感器永久性的损坏。6本实验仪为教学实验用仪器，而非测量用仪器，各传感器在其工作范围内有一定的线性和精度，但不能保证在整个信号变化范围都是呈线性变化。限于实验条件，有些实验只能做为定性演示（如湿敏、气敏传感器），能完成实验指导书中的实验内容，则整台仪器正常。7本仪器的工作环境温度40，需防尘。第三章 磁电式传感器介绍磁电式传感器利用电磁感应原理将输入运动速度变换成感应电势输出，是一种有源传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号。并且，它具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力矩发生器和电磁激振器等。有时磁电式传感器也称作电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为101000Hz。3.1 磁电式传感器的构成磁电式传感器构成：磁路系统、线圈1磁路系统由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁。2线圈由它运动切割磁力线产生感应电动势。作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。3.2 磁电式传感器的原理1工作原理磁电式传感器的工作原理如图3-1 所示，它主要由旋转的触发轮（被等分的齿轮盘,上面有多齿或缺齿）和相对静止的感应线圈两部分组成。当柴油机运行时，触发轮与传感器之间的间隙周期性变化，磁通量也会以同样的周期变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电压信号。图 3-1磁电式传感器磁电式转速传感器是以磁电感应为基本原理来实现转速测量的。磁电式转速传感器由铁芯、磁钢、感应线圈等部件组成的，测量对象转动时，转速传感器的线圈会产生磁力线，齿轮转动会切割磁力线，磁路由于磁阻变化，在感应线圈内产生电动势。磁电式转速传感器的感应电势产生的电压大小，和被测对象转速有关，被测物体的转速越快输出的电压也就越大，也就是说输出电压和转速成正比。但是在被测物体的转速超过磁电式转速传感器的测量范围时，磁路损耗会过大，使得输出电势饱甚至是锐减。2输出特性由磁电式传感器工作原理可知，其产生的交流电压信号的频率与齿轮转速和齿数成正比。在齿数确定的情况下，传感器线圈输出的电压频率正比于齿轮的转速，其关系为式中，n 为发动机转速r/ s；z 为触发轮被等分的齿数；f 为磁电式传感器的输出信号频率Hz 。磁电式传感器的输出电压不仅与传感器和触发轮间的间隙（ d ） 有关,而且与n 有关。为了设计合理的磁电式传感器信号处理模块，本研究在不同的d 以及n 条件下，通过大量的试验测出传感器的输出电压特性。在不同的n 条件下，7 X 传感器输出峰值电压与d 的关系；在不同的d 条件下，7 X 传感器输出峰值电压与n 的关系。48 X 传感器输出峰值电压信号特征也如此。从而可以看出,在同一d 条件下,传感器输出的峰值电压随n 升高而增大；在同一n 条件下,d 越小, 其输出峰值电压越高。由此可以拟合出传感器的输出峰值电压特性为式中，V 为传感器输出峰值电压V；n 为发动机转速r/ s；d 为传感器与触发轮间的间隙mm；K 为与传感器有关的参数。3.3 磁电式传感器的应用磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。第四章 磁电式传感器实验4.1 实验所需模块介绍1相敏检波器顾名思义，就是对两个信号之间的相位进行检波。在实际应用中，这两个信号往往是同频的，或者是互为倍数。检波以后的输出以同相信号(相位差=0)为最大，相位差=90时为零，在这之间则与COS甲成比例。 这种电路具有明显的特点，即能对噪声有相当的抑制作用。相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路，如图4-1所示。图 4-1相敏检波电路对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。2差动放大器差动放大电路又叫差分电路，他不仅能有效的放大直流信号，而且能有效的减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移，因而获得广泛的应用。特别是大量的应用于集成运放电路，他常被用作多级放大器的前置级。差动放大原理电路如图Z0501所示。它由两个对称的共射信号从两管的基极输入，从两管的集电极输出，这种连接方式称为双端输入双端输出方式。工作原理是：当输入信号Ui=0时，则两管的电流相等，两管的集点极电位也相等，所以输出电压Uo=UC1-UC2=0。温度上升时，两管电流均增加，则集电极电位均下降，由于它们处于同一温度环境，因此两管的电流和电压变化量均相等，其输出电压仍然为零。如图4-2所示。图 4-2差动放大器电路原理图3低通滤波器低通滤波器(Lowpass filter)是容许低于截至频率的信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。如图4-3，4-4所示。图 4-3低通滤波器图图 4-4低通滤波器仿真图4.2 霍尔传感器直流特性霍尔元件通以恒定电流时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度（磁场位置），当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。设计所需部件：霍尔传感器、直流稳压电源（2V）、霍尔传感器实验模块、电压表、测微仪实验图如图4-5所示。WDR+2V差动放大器 电压表图 4-5霍尔传感器测直流特性实验图设计步骤：1安装好模块上的梯度磁场及霍尔传感器，连接主机与实验模块电源及传感器接口，确认霍尔元件直流激励电压为2V，霍尔元件另一激励端接地，实验接线按附录图一所示，差动放大器增益10倍左右。2用螺旋测微仪调节精密位移装置使霍尔元件置于梯度磁场中间，并调节电桥直流电位器WD，使输出为零。3从中点开始，调节螺旋测微仪，前后移动霍尔元件各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值，并记入下表4-1所示：表4-1直流特性实验数据Xmm-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.533.5V0mv-3.72-3.33-2.94-2.41-1.73-1.22-0.6400.581.221.792.292.642.822.904.3 霍尔传感器交流特性设计步骤：1连接主机与实验模块电源线，按附录图二接好实验电路，差动放大器增益适当，音频信号输出从1800端口（电压输出）引出，幅度Vp-p4V，示波器两个通道分别接相敏检波器、端。实验图如下图4-6所示。图 4-6霍尔传感器交流特性实验图2开启主机电源，按实验十交流全桥的调节方式调节移相器及电桥，使霍尔元件位于磁场中间时输出电压为零。3调节测微仪，带动霍尔元件在磁场中前后各位移3.5mm，记录电压读数并记入下表4-2所示：表4-2交流特性实验数据Xmm-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.500.511.522.533.5Vmv-2.01-2.04-2.08-2.05-2.03-1.94-1.8700.861.701.651.691.661.701.684.4 霍尔传感器振幅测量设计步骤：1将梯度磁场安装到主机振动平台旁的磁场安装座上，霍尔元件连加长杆插入振动平台旁的支座中，调整霍尔元件于梯度磁场中间位置。2激振器开关倒向“激振I”侧，振动台开始起振，保持适当振幅，用示波器观察输出波形。3提高振幅，改变频率，使振动平台处于谐振（最大）状态，示波器可观察到削顶的正弦波，说明霍尔元件已进入均匀磁场，霍尔电势不再随位移量的增加而增加。4重按实验三十七接线，调节移相器、电桥，使低通滤波器输出电压波形正负对称。5接通“激振I”，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器和低通滤波器的波形，试解释激励源为交流且信号变化也是交流时需用相敏检波器的原因。6频率特性计算 幅频特性为： (4-1) 相频特性为： (4-2)幅频与相频特性的曲线如图4-7，4-8所示。图 4-7幅频特性图 图 4-8相频特性图总结每个一课程设计都是一个挑战！ 这次的课程设计也不例外。在这次课程设计中，是整个小组一起行动。大家一起动手，相互帮忙，各尽职责。我们体会到团队合作的重要性，分工明确，使得我们更加顺利的完成这次的课程设计。同时在这次课程设计中，我们从得到任务书，向老师请教，如何去进行课程设计，再到去图书馆找资料，更有到网上查找，这样不止使我们知道了，如何去进行课程设计，如何去动手，这对我们的以后的工作生涯有着不可替代的作用。在使用CSY2001B试验台的时候，让我们更简单的对系统的特性进行分析，有了一个更直观的了解。调理电路的仿真分析过程中，我们对处理信号的方法，能够分清调制，解调、滤波，也让我们学会如何在生活中应用。让我们对这个设计的感观，从模模糊糊变得更加的清晰。总之，这次的课程设计，不管从哪方面，都提高了我们的能力，让我们对即将到来的生活，做了更多的充分准备，是一个不错的平台。让我们学会、明白了很多的东西。参考文献1 传感器（第4版），机械工业出版社，2011.12 MATLAB语言程序设计教程，张德喜，中国铁道出版社，2006.63 传感器设计基础（课程设计与毕业设计指南），国防工业出版社，2007.94 新编传感器技术手册，李科杰，国防工业出版社，2002.15 测试技术基础， 赵文礼，高等教育出版社，2009.4附录 磁电式传感器实物连线图磁电式传感器直流特性连线图磁电式传感器交流特性连线图