传感器测控电路课程设计资料

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：

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专业及班级：

学号：

指导老师：

课程设计任务书

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

第一章绪论 (2)

1.1课程设计的意义 (2)

1.2课程设计的题目及要求 (2)

1.3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 (4)

3.1 设计方案的确定 (4)

3.2 变磁通式磁电感应式转速传感器 (4)

第四章传感器结构设计与计算 (6)

4.1 主要技术参数 (6)

4.2 传感器主要元件的工程设计计算 (6)

4.3 传感器转配图 (9)

第五章测控电路的设计 (11)

5.1 正弦波产生电路 (11)

5.2 放大电路 (12)

5.3 相敏检波电路 (13)

5.4 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：

①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。

②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。

③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、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；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。

60

n

z f ?=

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，Ω·m;

-------零磁场下的电阻率，Ω·m;

μ -------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

)273.01(2

2

B +=B

μβββB β0

)/(2

S V m ?ρρρ0-=?B B

B

K

2

2

2

2

273

.0μμρ

ρ

==?

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

工作方式每转脉冲

数（Ｐ／

Ｒ）测量范围

（ｒ／ｍ

ｉｎ）

工作温度

c。

工作相对

湿度

外形尺寸传输长度

闭磁路式６０５０～５

０００－１０～

４５

≤８５％Φ５２×

１０７

１０ｍ

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。

①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。

②永久磁铁材料的选择

永久磁铁由永磁合金制成，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T B r /

矫顽力

)/(1

m H kA c -? 最大磁能积

)

/(1

)(m BH kJ m

-?铝镍8.5

LN8.5

0.75

20

8.5

③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，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。

④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l H m m -，其中l m 是磁铁内磁路长度。若气隙为d,气隙内磁场强度为H 0，由磁路基尔霍夫第一定律可得l H H m m d )(0-=。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

l H H k m m b d )(0-= （4-1) 式中，k b ——修正系数，它考虑了非工作气隙的影响，一般k b ≈1.2。

由于磁路中的磁通是连续的，即S B S B m m 00=，其中B m 和s

m 为磁通密度和磁铁截面积，B 0和S 0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

S B k S B a m m 00= （4-2） 式中，k a ——漏磁系数，它等于永久磁铁内的总磁通φm

之比，也即

(4-3）

其中，G 0——工作气隙磁导；∑G ——工作气隙磁导与各漏磁导之和。k a 是

G G

L H L H k

G

G m

m

m m

a

∑∑==

大于1的正数，一般为1.5~10.不同的磁路结构，其k a 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k a 的值。这种计算k a 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k a 。

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

∑=='G

G G 0

μ

，所以

S k l m b m G /)(tan ∑=α。考虑到去磁曲线B=f(H)的坐标比例尺，式（4-4）又可以改写成

(4-5)

式中，m H ——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m A 1

-?值；m B ——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；μ0

——空气磁导率，近似为真空磁导率，

m H /4107

-?=πμ

。

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π/0l D =，则磁铁直径D m 近似为

d l d D D

m

-=-=π/)(0，因此，永久磁铁的截面积

S

m

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φ0

或磁感应强度B

为已知的，则可根据式（4-1)

α

tan )

(0

00

==

-H

S k B S l k H

B m

b

m

a

m

m d m

m

S k l B

H m

b

m G ?=

∑αtan D S m m 2

4?=πμα0

0tan S k S k l a m

a m d =

S

k S B B

a

m

m 0

=

和（4-2）分别求得

μ

H B k H

H k l

m

b

m

b

m

d d

=

=

（4-9）

S B B

k S

m

a m

00?=

（4-10） 将上两式相乘可得永久磁铁的体积

H

B B

S k k V m

m

b

a

m d

μ0

2

=

（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k a 的值，并由式（4-4)求得工作点A 及相应的B m 和H m ，然后由式（4-2)求出B 0，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