传感器测控电路课程设计磁电感应式转速传感器.doc

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1、湖 南 科 技 大 学课 程 设 计 课程设计名称： 传感器/测控电路课程设计学 生 姓 名 ： 学 院 ： 专业及班级 ： 学 号 ： 指 导 老 师 ： 课 程 设 计 任 务 书课程设计名称传感器/测控电路课程设计课程设计题目磁电感应式转速传感器学 生 姓名年级专业学号指 导 教 师单位课程设计起止日期2015年6月8日-2015年6月19日设计内容 设计磁电感应式转速传感器，说明基本工作原理，绘制传感器结构设计图、装配图和零件图。设计目的 1、了解传感器设计的一般方法、步骤； 2、掌握磁电感应式传感器的结构、工作原理和使用方法； 3、加深学生对传感器原理理论知识的理解； 4、通过自己动

2、手设计，加深对传感器的理解，以及提高自己的动手、收集资料、解决问题的能力，为从事仪器系统的开发与设计打下基础。设计要求 基本要求：1、工作在常温、常压、静态、环境良好；2、精度：0.1FS3、分辨率：按参考文献上常用传感器类比；4、测量范围：按参考文献上常用传感器类比；5、传感器及其辅助结构设计(装配图1张，零件图1张） 6、电路设计（硬件电路及分析,电路图1张）7、可以不同班级的两人以上选同一题，但结构、测量范围、测量方式、测量电路等最多一项相同。8、学生可以根据自己的兴趣及爱好，自选课题，但其设计方案必须征得指导教师同意。摘要转速传感器按照工作原理的不同可以分为：磁电式、光电式、离心式、电

3、涡流式和霍尔式等。其中磁电感应式转速传感器是一种机-电能量转换型传感器，不需供电电源、电路简单、性能稳定、输出信号强，因此，在实际工程中具有广泛的应用。本文介绍了磁电感应式转速传感器的工作原理，对其基本结构进行了设计和计算，绘制了相应的结构设计图、装配图和零件图，同时设计出了后续信号处理电路，为单片机的后续信号处理提供信号源。关键字：转速传感器；磁电式；工作原理；基本结构；信号处理电路目录第一章 绪论21.1 课程设计的意义21.2 课程设计的题目及要求21.3 课程设计的目的2第二章 磁电式测转速基本工作原理3第三章 设计方案的确定与方案原理43.1 设计方案的确定43.2 变磁通式磁电感应

4、式转速传感器4第四章 传感器结构设计与计算64.1 主要技术参数64.2 传感器主要元件的工程设计计算64.3 传感器转配图9第五章 测控电路的设计115.1 正弦波产生电路115.2 放大电路125.3 相敏检波电路135.4 滤波电路14第六章 总结与分析15参考文献16附录17第一章 绪论1.1课程设计的意义 传感器是摄取信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段。其早已渗透到及其广泛的领域，可以毫不夸张的说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各式各样的传感器。因此，作为测控专业的学生，学习如何设计一个简单实用的传感器并

5、掌握其设计思想是非常有必要的。1.2课程设计的题目及要求（1）题目：磁电感应式转速传感器的设计（2）要求：学生需认真阅读课程设计任务书，熟悉有关设计资料及参考资料，熟悉有关各种设计规范的有关内容，认真完成任务书规定的设计内容。学生均应在教师指导下，按时独立完成规定的内容和工作量。课程设计的计算说明书和设计图纸：要求设计说明书计算准确、文字通顺、编排规范（要求计算机打印）。要求图纸、图面布置合理、正确清晰、符合制图标准及有关规定。1.3课程设计的目的传感器课程设计是测控专业开设的一门独立实践课程。本课程以各类传感器的性能测试、实际应用设计为线索，完成光电传感器、应变传感器、电感传感器、电容传感器

6、、压电传感器、光纤传感器等基本型、设计性和综合性实验与设计内容，使学生掌握不同种类传感器的使用方法和设计要点的基本技能，加深学生对“传感器原理”及“测控电路”理论知识的理解，为从事仪器系统开发与设计打下基础。第二章 磁电式测转速基本工作原理 磁电感应式转速传感器是一种能将一定的速度量转换成感应电动势的传感器。测量转速时，由于转子与定子端面齿顶和齿槽气隙将作一定频率的周期性变化，则磁通也将有一定频率的交替变化，从而在线圈中感应出一定频率的近似正弦波的感应电动势信号。对于磁电转速传感器来说线圈匝数是固定的，因此输出感应电动势仅仅与磁通变化率即和转速有关，而且电动势的大小与转速成正比，而与气隙成反比

7、；每转过一个齿，电动势经历一个周期，电动势频率f与转速n之间的关系为 (2-1)式中z为定子或转子端面上的齿数。因此可以通过检测信号频率来测量转速。 第三章 设计方案的确定与方案原理3.1 设计方案的确定磁电感应式转速传感器主要由永久磁铁、旋转齿轮、感应纯铁和感应元件组成，一般分为恒定磁通式和变磁通式两大类。其输出阻抗小，转换电路简单，性能稳定，又具有一定的频率响应范围。本文中，我选择设计变磁通式磁电感应式转速传感器。图3.1为其结构原理图：图3.1 磁电式转速传感器结构原理图（闭磁路)3.2 变磁通式磁电感应式转速传感器（1）磁阻效应原理变磁通式又称变磁阻式或变气隙式。磁敏电阻效应，就是某些

8、材料的电阻值受磁场的影响而改变的现象，简称磁阻效应。磁阻传感器主要用来检测磁场的存在、强弱、方向和变化等。 在两端设置电流电极的元件中，由于外界磁场的存在，改变了电流的分布，电流所流经的途径变长，导致电极间的电阻值增加，这就是磁阻效应。如图3.2.1所示图3.2.1 磁阻元件原理示意图 在温度恒定下，器件只有电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁场内的磁阻与磁感应强度B具有如下关系。 (3-1) 式中 -磁感应强度为B时的电阻率，m; -零磁场下的电阻率，m; -电子迁移率， ,表示每秒每伏特电压下电子的运动范围大小，当电阻率变化时 ，电阻率的相对变化为 (3-2)可见，在利用磁阻效应的元

9、件中，半导体材料的电子迁移率必须很高才行。（2） 闭磁路变磁通磁电式传感器一般结构图3.2.2为两级闭磁路变磁通式结构示意图。被测转轴1带动椭圆形铁芯2在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期地变化，因而磁路磁阻也周期地变化，致使磁通同样周期地变化，在线圈3中产生频率与铁芯2转速成正比的感应电势。在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形铁芯2，软铁4制成内齿轮形式，两齿轮的齿数相等。当被测体转动时，两齿轮相对运动，磁路的磁阻发生变化，因而在线圈3中产生频率与转速成正比的感应电势。图3.2.2 两级闭磁路变磁通式结构示意图第四章 传感器结构设计与计算4.1 主要技术参数表4.1 传感器的主要技术参数

10、工作方式每转脉冲数（）测量范围（）工作温度工作相对湿度外形尺寸传输长度闭磁路式4.2 传感器主要元件的工程设计计算 磁路计算永磁系统磁路计算的一般方法为：先根据传感器外形尺寸确定磁路系统的大致结构尺寸；然后选取工作气隙尺寸；选择永久磁铁材料，由材料的去磁曲线确定永久磁铁的工作点；最后计算出永久磁铁的尺寸。磁路系统中工作气隙的选择为使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，必须在保证足够大的窗口面积和所需加工安装精度的前提下，尽量减小工作气隙d。工作气隙宽度也和传感器的灵敏度、线性度有关。越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和质量就较大，因此一般取d/1/4。永久磁铁材料的选择永久磁铁由永磁合

11、金制成，是提供工作气隙磁能的能源。不同永磁合金的磁性能各不相同，表征性能的主要参数为矫顽力、剩余磁感应强度、最大磁能积， 以及去磁曲线和磁能积曲线。本文中，我选用铝镍8.5，表4.2为其磁性能。永久磁铁必须进行各种稳定性处理，如时间、温度、组织结构等稳定性处理，以使其磁性能稳定，否则将直接影响传感器的精度。表4.2 铝镍8.5的磁性能型号名称代号剩余磁感应强度矫顽力最大磁能积铝镍8.5LN8.50.75208.5确定永久磁铁的工作点A即为带气隙永久磁铁的工作点。工作点A的确定原则是使永久磁铁尽可能工作在最大磁能积上，这时磁铁体积最小。最大磁能积可在材料磁性能表中查到。由磁能积曲线与去磁曲线可知

12、，点正好与A点对应。因此，只要过点和点作两分别平行于横轴和纵轴的虚线，交于点，连接O,作直线O（称为磁导线），其与去磁曲线的交点A就是永久磁铁的最佳工作点。其对应的磁场强度为,磁感应强度为。计算永久磁铁的尺寸 设永久磁铁的工作点为A。永久磁铁内的磁压降为，其中是磁铁内磁路长度。若气隙为d,气隙内磁场强度为，由磁路基尔霍夫第一定律可得。因此，永久磁铁内的磁压降在数值上等于气隙中的磁压降，只是方向相反。在磁电感应式传感器中，实际的磁路除工作气隙外还有与他相串联的非工作气隙，如磁铁与导体间的装配气隙，这时 （4-1) 式中，修正系数，它考虑了非工作气隙的影响，一般1.2。由于磁路中的磁通是连续的，即

13、，其中和为磁通密度和磁铁截面积，和为气隙中的磁通密度和气隙截面积。考虑到有部分磁通在工作气隙外漏掉，因此 （4-2）式中，漏磁系数，它等于永久磁铁内的总磁通之比，也即 (4-3）其中，工作气隙磁导；工作气隙磁导与各漏磁导之和。是大于1的正数，一般为1.510.不同的磁路结构，其值是不同的，可以根据确定的磁路结构和磁力线分布将整个气隙磁场分成若干个易于计算的简单几何形状的磁通管，如圆筒形磁通管等，分别求出各磁导，就可能得出的值。这种计算的方法是较繁琐的而且不易准确。因此在进行磁路计算时经常根据经验确定。由式（4-1）和（4-2）可得 （4-4）当工作气隙磁场均匀时，气隙磁导，所以。考虑到去磁曲线

14、B=f(H)的坐标比例尺，式（4-4）又可以改写成 (4-5) 式中，磁场强度坐标比例尺，它表示在去磁曲线的H坐标上每单位长度的值；磁感应强度坐标比例尺，它表示在去磁曲线的H坐标上每单位长度的T值；空气磁导率，近似为真空磁导率，。根据选定的传感器外形尺寸和气隙尺寸定出每匝线圈平均长度l,再由l计算空气隙的平均直径，则磁铁直径近似为，因此，永久磁铁的截面积为 (4-6)由式（4-4）可得永久磁铁的长度 (4-7)由式（4-2）可估算出空气磁通密度 (4-8)如果工作气隙中的磁通或磁感应强度为已知的，则可根据式（4-1)和（4-2）分别求得 （4-9） （4-10）将上两式相乘可得永久磁铁的体积

15、（4-11）当磁路系统的结构尺寸和材料已确定后，可根据经验确定的值，并由式（4-4)求得工作点A及相应的和，然后由式（4-2)求出，最后验算传感器的灵敏度。4.3 传感器装配图图4.1 传感器转配图如图4.1，转子2与转轴一紧固，转子2和定子7都用工业纯铁制成，它们和永久磁铁4组成磁路系统。转子2和定子7的环形端面上均匀地铣了一些齿和槽，两者对应相等。测量转速时，传感器的转轴1与被测物的转轴相连接，因而带动转子2转动。当转子2的齿与定子7的齿相对时，气隙最小，磁路系统的磁通最大。齿与槽相对时，气隙最大，磁通最小。因此当定子7不动而转子2转动时，磁通就周期性的变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的

16、电压信号。转速n越高，感应电势的频率也就越高。图4.2 传感器零件图 第五章 测控电路的设计传感器出来的信号要经过稳压电路，放大电路，滤波电路，调制解调电路,再经AD转换，输入到单片机进行处理。系统总的框图如图5.1所示： 稳压电路正弦波产生电路放大电路相敏检波电路低通滤波电路A/D转换电路 单片机图5.1 测控系统总体框图 本文中，我选择正弦波产生电路，放大电路，相敏检波电路和滤波电路进行设计。5.1 正弦波产生电路稳幅文氏振荡器是用运算放大器做放大元件的RC串并联选频网络正弦波振荡器，电路如图5.2所示。 由于放大器的输出电阻很低，反馈信号加入运算放大的同相输入端，所以输入电阻很高，这样同

17、相放大器的增益KF=1+ R8/Rf，仅与外部电阻R8和Rf有关，而与放大器本身参数无关，因此增益的精度和稳定性都很高。在实际应用中，常选RC串-并联电路的R1=R2=R，C1=C2=C，所以在f=1/2RC这个频率上， RC移相网络相位移为零，而R82Rf，满足振荡条件。选R=240k， C=330pF，则得到振荡频率为： (5-1)图5.2 稳幅文氏振荡器为实现自动稳幅的目的，在运算放大器输入端加上由R8、R4和场效应管VT组成可控负反馈电路。对场效应管要求工作在线性电阻区，只有在UDS较小时，它的RDS差不多随栅源电压VGS线性变化，宛如一只良好的压控线性电阻，阻值可调范围约为40010

18、0M ，当幅值较大时， RDS应自动增大以加强负反馈，这个作用由整流二极D1，滤波电路R7、R6、C5及场效应管VT组成。当幅值较小时，C5上的电压VC5逐渐减小，导致RDS下降，所以电路将自动在VT的其一栅源电压下稳定下来，输出幅值稳定的正弦波电压。调节R6可改变输出电压的大小，一般将输出电压调节在35V之间。5.2 放大电路在许多检测技术应用场合，传感器输出信号往往较弱，而且其中还包括工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制能力以及高增益、低噪声和高输入阻抗，如图5.3所示。图5.3 三运放高共模抑制比放大电路从电路结构可知，这是一种同相并联差动放大

19、器，其对称性结构使整个放大器具有很高的共模抑制能力，特别是适用于长距离测量。其数学模型为： （5-2) 令电路参数对称R=R3=R5=R4=R6=16k ，即R1=R2=40k。带入整理得增益为： （5-3)这种电路特点是性能稳定，其漂移将大大减少，具有高输入阻抗和高共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，并适用于远距离传输过来的信号，因而十分适用与传感器配合使用。显然，为保证电路的对称性，改变增益最合理、最简单的方法是改变RG的阻值。5.3 相敏检波电路当被测量进行放大后，为了恢复原来被测量缓慢信号，采用相敏检波器将交流的幅度变化转换成正比于传感器电容C的直流电平。其相敏检波电路如图5.4所示。

20、其工作过程如下，当输入电压Vi为正半周期时，U4反相，D2截至，D1导通，U4输出为零，R11=R12=20k ，U5的电压放大倍数为R10/R9=-1，则输出信号为：Vo=V1。当输入电压Vi为负半周期时，经A4反相，D2导通，D1截至，经R10， U4输出为-Vi，选择合适的电阻R11、R11使R11=2R11经过R11过来的电压叠加后输出信号V0为： Vo=V1。图5.4 相敏检波电路图5.4 滤波电路通过相敏检波出来的信号需要滤波后才能得到有用信号。采用压控电压源型低通滤波电路。电源频率为f=2kHz，可设截止频率为fp=10kHz，Q=0.707。由此可设计 图5.5 低通滤波电路图

21、R13=R14=1.6K,C4=C5=0.01,R16=5K,R17=3K。则带宽为010Hz 。这样把它检波后的脉动直流信号中高次谐波滤掉，采用有源低通滤波器的优点是较小的电容得到良好的滤波效果。滤波器输出后的电压信号经过AD模数转换与单片机连接，这样就可以完成对被测对象的检测和控制。第六章 总结与分析通过此次为期两周的传感器课程设计，不仅巩固了我所学的传感器和测控电路的相关知识，而且学会了如何将自己所学的知识运用到实际设计与生活中去，还学到了许多关于设计的方法与思路。通过对课程设计中所遇到的难题以及疑惑之处的深入探究与解决，丰富了我们的课外知识，拓宽了我们的视野，提高了我们解决实际问题的能

22、力。课程设计对于提升自己的专业能力有很大的帮助，有自己的想法，再到独立设计和完成作品是个很有趣的过程，为我们在以后的工作中设计与创新打下了坚实的基础。在此，非常感谢这一周一同努力的同学，感谢给予我指导和帮助的杨书仪老师和余以道老师。参考文献1唐文彦.传感器M.5版.北京：机械工业出版社，2013. 2张国雄，李醒飞.测控电路M.4版.北京：机械工业出版社，2011.3吴东鑫.新型使用传感器应用指南M.北京：电子工业出版社，1998.4李小坚，赵山林，冯晓君，龙怀冰.Protel DXP电路设计与制版实用教程M.2版.北京：人民邮电出版社.2009.5刘小年.AutoCAD计算机绘图基础M.长沙：湖南大学出版社，2010.6徐光卫，宋春华.磁电式转速传感器的优化设计J.传感器与微系统，2013,32（2）.7张洪润.传感器技术大全.M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.附录