哈理工大学测控专业 学年设计温度传感器

1、 哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告 目录第1章总体方案与精度设计21.1不同方案分析与比对21.2精度设计21.3传感器设计21.4小结2第2章电路设计与调试22.1 电路设计22.1.1 总体电路结构22.1.2 正弦波发生器设计22.1.3 方波发生器设计22.1.4 相敏检波电路设计22.1.5 低通滤波器的设计22.2 电路仿真22.2.1 正弦波发生器仿真电路22.2.2 方波发生器电路仿真22.2.3 相敏检波电路仿真22.2.4 总体电路仿真22.2.5 设计pcb图22.3 电路焊接与调试22.4 小结2第3章系统的标定与测量23.1 系统的标定23.2 实际测量实

2、验23.2.1 传感器静态特性的标定23.2.2 传感器动态特性的标定23.3 小结2总结2参考文献2第1章 总体方案与精度设计1.1 不同方案分析与比对传感器中将位移传感器分为线位移和角位移两类，这是按照位移的特征分的。位移传感器就是测量空间中距离的大小，线位移就是在一条线上移动的长度，角位移就是转动的角度。课程设计中设计的是线位移传感器，测量正负10mm范围，测量精度为2.0级。线位移按原理分主要有电阻式、电容式、电感式、变压器式、电涡流式、激光式等等。电阻、电容、电感式主要用来测量小位移，变压器式主要用于测量中位移，大的位移测量一般用电位器式，对于精度要求高的场合，则需要选择激光式。电容

3、式位移传感器是把位移的变化换做电容的变化进行制作的。对于震动频率很高的环境条件下，最适合选用这种类型的传感器。它具有灵敏度高、能实现非接触量的测量，而且可以在恶劣的场合下工作。它也有一些缺点，比如对连接线缆有很高的要求，要有屏蔽性能；而且最好选用高频电源用来供电。电感式位移传感器是将测量量换做互感的变化的传感器，它既可以测量角位移又可以测量线位移。目前常用的电感式位移传感器有气隙式、面积式、螺管式三种。变气隙式中电感的变化与传感器中活动衔铁之间重合面积的变化来反映位移。螺管型是插入长度的变化导致电感变化的原理。变压器式位移传感器是用途最广的一种位移传感器，线圈中感应电动势随着位移的变化而变化。

4、这种传感器的灵敏度很高，有时甚至不用放大器。缺点在于质量一般比较大，不应用于高频场合。还有一些其他的传感器介绍，在此不再赘述。鉴于设计需要的精度要求，测量范围以及能够使用的元器件，在多种原理的位移传感器中选择差动变压器式作为设计题目，对其分部进行设计。1.2 精度设计 由于设计要求传感器整体的测量精度达到2.0级，也就是最大示值误差不超过量程的2%，我们将整体传感器分为测量部分（差动变压器）和电路部分（正弦波发生器、方波发生器，相敏检波电路，低通滤波电路等），按照误差的等分配原则，假设测量部分和电路部分的误差都是，则误差合成后可以得到式（1-1） （1-1）解得=1.414%，由于测量部分相比

5、较电路部分更难控制误差，所以按照可能性，将测量部分的误差近似取1.5%，所以非线性误差近似取1.5%，即。1.3 传感器设计三段式螺管差动变压器结构如图1-1。 图1-1 三段式螺管差动变压器结构图1. 基磁绕组长度b的确定由于有 b= （1-2）取非线性误差; 最大动态范围=4mm;由式2-2求得激励绕组长度b=23.09mm; =9.38。2. 衔铁长度的确定 （1-3）式1-3中、-衔铁在两个副边绕组中的长度； -初次线圈间骨架厚度； -原边线圈的长度； -两副边绕组长度。初始状态时有，则衔铁的长度为 （1-4）设计时，一般取，故有，通常取，则有式2-5 （1-5）求得=69.27mm;

6、取骨架厚度d=1.5mm。3. 副边线圈m的确定假设：（1） 衔铁插入到两个副边绕组的长度分别为、，且在初始状态时： ；（2） 最大动态范围为已知给定值。则应该成立，才能保证衔铁工作时不会超出线圈以外。一般取，则有式1-6 （1-6）式2-5中，保证在最大动态范围时衔铁仍不会超出线圈之外的保险余量。一般取，在值较小时，值可取大一些。此处取，求得m=37.09mm。4. 衔铁半径和骨架外径的确定一般衔铁长度与衔铁半径之比可取为 (1-7)骨架外径与内径之比可取为 (1-8)在设计骨架内径与衔铁半径应尽量取得相近，即，这样可简化计算工作量。由=69.27mm，求得为，为10.38mm（取）。5.

7、激磁电压频率的选定电源电压的频率会影响到灵敏度铁损和耦合电容以及线圈阻抗的损耗等。其结果都将影响输出电压的大小，所以对电源频率的选择也是一个非常重要的参数，由于上述原因，电源频率需要根据频率特性来选取。 在忽略传感器的涡流损失，铁损失和耦合电容等影响，其等效电路如图2-2所示。图2-2 差动变压器式传感器等效电路设：、-初级线圈激磁电压及电流；、-初级线圈电感及电阻、-初级与次级线圈间互感、-次级线圈的电感与电阻值 -两个次级差动电势由等效电路有以下式2-9成立： (1-9)联立以上各式解得式1-10： (1-10)令，则式1-10变为 (1-11)由式2-11可知，即增加，也增加当时，则，此

8、时输出与频率无关当超出某一值（取决于衔铁材料），则集肤效应增加，使铁损等增大，输出减小而使灵敏度减小。灵敏度与间特性曲线如图1-3所示，其灵敏度为 （1-12）图1-3 激磁电压频率与灵敏度关系曲线由图1-3知电源频率应选在曲线中间平坦区域，保证频率无变化时电压保持不变。根据铁芯使用的磁性材料来确定最高频率，以保证灵敏度不会变，这样既可以放宽对频率稳定性的要求，又可以在一定能够电压下减小磁通或安匝数。从而减小传感器的尺寸。6. 原边与副边绕组匝数的确定当安匝数增加时，可使灵敏度增加，但的增加将受到线圈导线允许电流密度、导线散热面积以及磁饱和等因素的限制。下面利用这三个条件来确定和。1）按允许的

9、电流密度计算安匝数由电流密度的定义和窗口面积容纳线圈的约束条件，有以下各式成立： （1-13）联立上述两式解得 （1-14）故得 （1-15）式1-15中，-电流密度，取；-导线截面积；-骨架窗口截面积；-填充系数，（=，取）； 选取直径为0.4mm的导线作为变压器线圈导线，则导线截面积q=0.1256;Q=338.32mm2求得IN=676.64A；由式可见，增大，数增加，但受几何尺寸限制。2）按线圈发热计算值因为线圈有铜损耗电阻，所以要消耗一定的功率而转换为热量，为了保证线圈不被烧坏，必须满足以下条件。设：为每瓦功率所需要的散热面积，为线圈外表散热面积，则应满足 （1-16）联立上述各式，

10、解得 （1-17）式中-导线电阻率，取铜细丝的直径为0.4mm,取铜导线在室温下的电阻率，为=-每匝平均长度，求得为43.46mm（）取 ;q=0.1256;i=0.628A;Rc=6.64求得IN2代入求得356由式可知：要使增加，则必使和增大，同时使减小，所以决定了传感器为细长形状的结构。3）按磁饱和计算安匝数因为磁路中由激磁电流确定的磁通量为 （1-18）所以得 为使工作在磁化曲线的线性段，需要满足一下条件： （1-19）式1-19中 -基本磁化曲线饱和点的磁感应强度；材料为坡莫合金，取Bc=0.5T；-导磁体截面积；计算得10.05mm；-材料磁阻，计算为;求得为;综合三者，取最小值为

11、=，工程设计时，常利用式式和式三个公式，采用试探法来确定值，其步骤如下：先由式计算出一个值将计算出的值代入式和式中进行验算，经过反复修正后得到满意的值。再由，算出值，从而得到的值（）。有 ;I=0.25A。7. 差动变压器变压比的确定 （1-20）若使次级绕组增加，将会造成零漂移且电阻增加造成铜损增大，并易受到干扰。因此，一般设计时，当初级线圈的匝数为匝匝时，常取。要求；求得。得到。8变压器各部分材料的确定1） 线圈骨架的确定a.骨架材料常用酚醛。陶瓷。四氯乙烯等材料制线圈的骨架。b.线圈内外径比的确定 (1-21) (1-22)由式1-21和式1-22可知： 增大，灵敏度减小。的增大，可使线

12、圈的工作线性度增加。以上两点是矛盾的，可根据设计要求来确定。2） 铁芯材料的确定通常根据采用的电源频率来确定铁芯的材料。1. 在低频时，可采用工业纯铁;2. 频率较高时，采用硅钢片;3. 高频时，采用坡莫合金;4. 最高频时，可采用铁 钛氧;3） 传感器线性工作范围的确定 传感器的线性工作范围一般取为总长度的1/4-1/5。4） 屏蔽措施为防止干扰信号的影响，传感器要采用屏蔽措施，一般传感器的外层用电工钢做屏蔽层，内层用高导材料的坡莫合金作屏蔽层，屏蔽条件要求高的可采用多层屏蔽。1.4 小结首先根据设计要求选用合适的电路以及传感器，深入了解各组成的工作原理以及工作需求，从而按照课程设计的要求设

13、计相应的参数，合理的进行调整，力求在满足设计要求的前提下，减小成本，提高设计的可行性。第2章 电路设计与调试2.1 电路设计2.1.1 总体电路结构总体电路结构如图2-1图2-1 差动变压器式位移传感器结构图首先设计一正弦信号发生器，采用的是稳幅文氏电桥正弦波发生器，使用的是差动变压器式传感器，差动变压器在应用时要想法消除零点残余电动势和死区，选用合适的测量电路，采用相敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）方向又可改善输出特性，消除测量范围内的死区，滤波部分选用的是RC有源低通滤波器。2.1.2 正弦波发生器设计电路由RC 串并联选频网络和同相放大器组成。运放构成同相输入的比例放大器,RC串并联

14、网络,将输出电压反馈到集成运放的同相输入端,形成正反馈。根据产生正弦振荡的相位条件, 可得电路的振荡频率f0为: (2-23) (2-24)当=； ；（RF = 2Rf ）。实际上，运算放大器的开环放大倍数是有限的，为满足幅值条件使电路易于起振，应使RF 略大于 2Rf。如图2-2。 图2-2 稳伏文氏正弦波发生器从理论上讲, 满足振荡条件后, 振荡幅值可固定在任意值上 ,但由于环境温度等外界条件的变化, 振荡条件会受到影响, 使振荡器停振或产生波形失真。因此须在基本电路上增加稳幅电路,得到的稳幅文氏电桥正弦波发生器。为得到稳幅的目的, 通常采用两只反向并接的二极管和电阻并联,它们在输出电压的

15、正负半周内分别导通。在起振之初,由于输出电压幅度很小,不足以使二极管导通，正向二极管近于开路，此后，随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到RF = 2Rf时，振荡稳定。在图2-5电路中，RF 、 Rf分别为： RF = +( / )，Rf =R4 ，其中 为二极管的正向导通电阻。利用二极管的非线性特性,使振荡电路能根据振荡幅度的变化,自动地改变基本放大器的负反馈的强弱,实现稳幅目的振荡过程中,两只二极管交替导通和截止,若外界因素使振幅增大, 二极管的正向导通电阻 减小,使Rf变小, 负反馈系数自动变大,反馈作用加强,从而稳定振幅。2.1.3 方波发生器设计方波频率计算公式

16、如式 (2-25)振荡频率f=1/T；选取参数的思路： 首先让振荡周期中德常用对数ln的真数趋近e。电阻不影响输出频率，只起限流作用，不必取太大。在仿真的时候在进一步的对各元件参数进行调试。设计的方波发生器如图2-3图2-3 方波发生器电路图2.1.4 相敏检波电路设计相敏检波电路采用了开关式相敏检波电路，相敏检波器的输入信号与开关信号反相时，输出为正极性的全波整流信号；反之，则输出负极性的全波整流信号波形，电路如图2-4所示。图中正弦波发生器为输入信号端，接放大器的输出端，放大器输出端，接滤波器输入端，Q1为参考信号方波信号的输入端，Q2为反相后的参考信号方波信号的输入端，当输入参考信号时，

17、使三极管分别导通和截止，形成开关状态，从而使正弦波发生器输入的正弦信号转化成全波整流信号。如图2-4。图2-4 开关式相敏检波电路设计相敏检波电路时，取R1R2R3R4R5R62，在方波正半周，三极管 Q2导通，Q1截止时，同相输入端接地，输入信号从反相输入端输入，放大倍数为R6R2R3=1 。在方波负半周，三极管 Q1导通，Q2截止时，反相输入端接地，输入信号从同相输入端输入，放大倍数为R5R1R4R5 1R6R3=1 。效果与仿真实验中相敏检波后仿真图相同，实现了全波相敏检波。2.1.5 低通滤波器的设计设计采用的是RC有源低通滤波器，为匹配正弦信号发生器的输出信号的频率，设计电路如图2-

18、5。图2-5 有源低通滤波电路2.2 电路仿真电路按要求设计完成后，在仿真软件Multisim10中搭接好后,调出示波器,连接好后,按下按钮,可以得到电路的示波器仿真结果。2.2.1 正弦波发生器仿真电路正弦波发生器仿真电路如图2-6，仿真波形如图2-7。图2-6 正弦波仿真电路图2-7 正弦波仿真波形2.2.2 方波发生器电路仿真方波电路仿真如图2-8，仿真波形如图2-9。图2-8 方波发生器仿真电路图2-9 仿真模拟方波波形2.2.3 相敏检波电路仿真相敏检波仿真电路如图2-10，仿真波形如图2-11。图2-10 相敏检波仿真电路图2-12 相敏检波仿真波形2.2.4 总体电路仿真经过调试

19、，总体仿真电路如图2-13。图2-13 整体电路仿真波形如图2-14。图2-14 整体仿真波形2.2.5 设计pcb图根据仿真整体电路进行合理布线，画出pcb板图，如图2-15。图2-15 电路pcb设计图2.3 电路焊接与调试根据设计的电路，运放选用四运放的LM324芯片和双运放的LM358芯片。焊接的实际电路如图2-16。图2-16 焊接好的电路板由于在实际焊接中，电容和仿真元件不匹配，在设计时又疏忽了电路调整的需要而没有留下足够调整用变阻器，导致在焊接完成后，调试电路用了很长时间，但还是输出了理想的波形，达到了传感器的要求，但是由于耽误了太多时间，导致后面标定的过程没有很好的完成。2.4

20、 小结在实际设计中，由于Multisim12.0仿真软件中的电路元器件与实际电路中的所用的元器件有所不同，如仿真电路中的正弦信号发生器所用电容是5nF，而实际焊接时使用的是0.01pF，开关电路三极管2N3390而实际电路中应用的是9013等等，这些元器件参数性能的不同，使得调试电路有一定的失真现象，但是，实验结果应该基本符合实验设计的基本要求。第3章 系统的标定与测量3.1 系统的标定传感器的标定，就是通过试验确定传感器的输入量与输出量之间的关系。传感器在制造、装配完毕后必须对设计指标进行标定试验，以保证量值的准确传递。标定的方法是将已知的被测量输入待标定的传感器，同时得到传感器的输出量；对

21、所获得的传感器输入量与输出量进行比较处理，从而得到一系列的表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。3.2 实际测量实验3.2.1 传感器静态特性的标定将铁芯（衔铁）移动到-10mm,并以此为起点向上限方向移动（上行），每隔2mm测一次，记录电路输出值，全程测得11个点，顺序记录每个点的输出信号值。再按减小的方向（下行）测量11次，这样为一个循环，测量3个循环，共测试66个数据，按下述公式进行传感器的标定以及误差精度的计算。非线性误差（线性度），用相对误差L表示，有式3-1：L=±(LmaxyFS) ×100 （3-1）式中，Lmax最大非线性误差yFS

22、满量程输出回程误差（迟滞），用H表示,有式3-2：L=±（12）HmaxyFS×100 （3-2）式中，Hmax最大正反行程间输出的最大差值重复性误差，用R表示，有式3-3：R=±RmaxyFS×100 （3-3）式中，正行程的最大重复性误差为Rmax1 反行程的最大重复性误差为Rmax2 重复性误差取这两个误差中较大者为Rmax灵敏度误差，用R表示，有式3-4：S=kk×100 （3-4）式中，灵敏度k=yx，常数与输入量无关3.2.2 传感器动态特性的标定传感器的动特性标定，实质上就是通过实验得到传感器的动态性能指标的具体数值。应该指出，标

23、定系统中所用的标准设备的时间常数应比待标定的传感器的小得多，而固有频率则应高得多。这样它们的动态误差才忽略不计。1.回归方程、进行方差分析、显著性检验及回归精度估计 回归分析求回归方程系数后，还需进一步对所得的回归方程整体的精度进行分析检验，以确定回归方程的质量水平，并定量的评价回归方程与实际研究事物规律的符合程度，即进行回归方程的方差分析与显著度检验。一元回归是处理两个变量之间的关系，假如两个变量之间的关系式线性的就称为一元线性回归。一元线性回归的回归方程为：y=b0+bx式中，b0、b是回归方程的回归系数。yx图3-1回归方程 方差分析：为了对回归方程进行检验，首先必须把它们所引起的变差从

24、y的总变差中分解出来。这里涉及到离差平方和S、回归平方和U与残余平方Q和三个概念。回归方程的显著度检验：回归方程的显著度检验通常采用F检验法FF0.01(1，N-2) 高度显著F0.05(1，N-2) FF0.01(1，N-2) 显著F0.10(1，N-2)FF0.05(1，N-2 ) 回归在0.1水平上显著FF0.10(1，N-2) 不显著，此时y、x线性关系不密切2精度分析反映测量结果与真值接近程度的量，通常称为精度，它的误差的大小相对应，因此可以用误差大小来表示精度的高低，误差小则精度高，误差大则精度低。不确定度就是评定测量结果质量高低的一个重要指标，不确定度愈小，测量结果的质量愈高，使用价值愈大，其测量水平也愈高；不确定度愈大，测量结果的质量愈低，使用价值愈小，其测量水平也愈低。测量不确定度是指测量结果变化的不肯定，是表征被测量的真值在某个量值范围的一个估计，是测量结果含有的一个