电感式微位移传感器考核论文要点.pdf

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1、传感器原理及应用课程 考 核 论 文 题目电感式微位移传感器 班级 学号 姓名 成绩 机械与汽车工程学院机械电子工程系 二零一四年 五 月 1 目录 摘要2 一、传感器简述 2 二、 电感式微位移传感器分类 3 2.1 自 感 式3 2.2 互感式 4 2.3 电涡流式 6 三、电感式微位移传感器系统设计（自感式） 9 3.1 原理 9 3.2 测量系统 10 3.2.1 正弦波发生电路 13 3.2.2相敏检波电路 15 3.2.3差动放大电路 17 3.2.4 A/D转换及显示电路 19 3.2.5 单片机 21 四、电感式微位移传感器应用 22 2 电感式微位移传感器 摘要： 新技术革命

2、的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就 是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。电感 式微位移传感器主要用于测量微位移，有许多物理量如力、压力、压差、加速度、振动、应 变、流量、 厚度、 液位等常常需要先转换成位移量变化的参数，因此电感式微位移传感器是 一类重要的基本传感器。因其应用相当广泛，本文就此传感器原理结构及其应用做介绍。 关键字：正弦波振荡器电感式微位移传感器相敏检波电路 一、传感器简述 人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。 而单靠人们自身的感觉器官， 在研究 自然现象 和规律以及生产活动中它们的 功能就远远不够了

3、。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人 类五官的延长，又称之为电五官。 新技术革命的到来， 世界开始进入信息时代。 在利用信息的过程中， 首先要 解决的就是要获取准确可靠的信息， 而传感器是获取自然和生产领域中信息的主 要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生 产过程中的各个参数， 使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的 质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 在基础学科研究中， 传感器更具有突出的地位。 现代科学技术的发展， 进入 了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观

4、察小到 fm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。 此外，还出现了对深化物质认识、 开拓新能源、 新材料等具有重要作用的各种极 端技术研究， 如超高温、超低温、超高压、超高真空、 超强磁场、超弱磁场等等。 显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能 的。许多基础科学研究的障碍， 首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新 机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。 一些传感器 的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调 查、医学诊断、生物工程、甚至文物

5、保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地 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，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，传感器技术在 发展经济、 推动社会进步方面的重要作用，是十分 3 明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来， 传感器技术将 会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 二、电感式微位移传感器分类 2.1 自感式变压器： 常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。 在实际应用中， 这 三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 变间隙型电感传感器：这种传感器的气隙随被测量的变化而改变

6、, 从而改变磁 阻。它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。 一般取在 0.1 0.5 毫米之间。 变面积型电感传感器： 这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁 通截面）随被测量的变化而改变, 从而改变磁阻。它的灵敏度为常数，线性度也 很好。 线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。 衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电 感量。这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作。 测试电路： 电感传感器测量线路主要采用交流电桥。交流电桥的固定桥臂可以是电阻、 变压器的次级绕组或紧耦合的电感。需要指出的是， 紧耦合电感电桥无论是在灵 敏度指标上还是在电桥的平衡上都更优越。 简

7、单自感传感器的测量线路， 该线路的输出量是电流。 该线路在精密测量中 存在如下一些缺点： 线性工作范围窄； 无输入时就存在起始电流， 因此不能实现 4 零输入时零输出的要求， 且激磁电流产生的磁场使衔铁产生附加位移将引起测量 误差。将简单自感传感器的自感量转换成电的频率变化的设想是：将简单自感传 感器与电容器构成一振荡器的线路， 于是振荡器的振荡频率便是传感器自感量的 函数。实现上述设想的典型线路，这是一个电容三点式振荡器。 2.2 互感式传感器： 差动变压器： 差动变压器指的是一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压器装置。主 要用于测量位移、压力、振动等非电量参量。它既可用于静态测量，也可

8、用于 动态测量。 简介： 一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压装置。用于测量位移、压力、 振动等非电量参量。它既可用于静态测量，也可用于动态测量。 5 差动变压器的基本组成部分包括一个线框和一个铁心。在线框上设置一个原 绕组和两个对称的副绕组， 铁心放在线框中央的圆柱形孔中。在原绕组中施加交 流电压时，两个副绕组中就会产生感应电动势e1和 e2。如果两个副绕组按反向 串联( 图1), 则它的总输出电压u2=u21u22e1e2。当铁心处在中央位置时， 由于对称关系， e1=e2，输出电压 u2为零。如果铁心向右移动，则穿过副绕组 2 的磁通将比穿过副绕组 1的磁通多，于是感应电动势e2e1

9、，差动变压器输出电 压 u2不等于零 , 而且输出电压的大小与铁心位移x 之间基本成线性关系 , 其特性 如图2所示，呈 V字形。用适当的测量电路测量 , 可以得到差动变压器输出与位移 x 成比例的线性读数。最常用的测量电路是差动整流电路，它把两个次级电压分 别整流后， 以它们的差作为输出。 差动整流电路有电流输出型和电压输出型，前 者用于连接低阻抗负载的场合； 电压输出型差动整流电路则用于连接高阻抗负载 的场合。 应用： 位移变送器 由同心分布在线圈骨架上一初级线圈P，二个级线圈 S1 和 S2 组成， 线圈 组件内有一个可自由移动的杆装磁芯（铁芯），当铁芯在线圈内移动时，改变了 空间的磁场

10、分布 , 从而改变了初次级线圈之间的互感量M ，当初级线圈供给一定 频率的交变电压时， 次级线圈就产生了感应电动势，随着铁芯的位置不同，次 级产生的感应电动势也不同，这样， 就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。 保护装置 变压器的差动保护是变压器的主保护，是按循环电流原理装设的。差动变 压器保护主要用来保护双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各 6 种相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障。在绕组变压 器的两侧均装设电流互感器， 其二次侧按循环电流法接线， 即如果两侧电流互感 器的同级性端都朝向母线侧， 则将同级性端子相连， 并在两接线之间并联接入电 流继电浪。 2.

11、3 电涡流传感器： 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属 导体距探头表面的距离。 它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准 确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。 简介： 在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、 分析测量中， 对 非接触的高精度振动、 位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。 如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大 型旋转机械的运动状态， 主要取决于其核心转轴， 而电涡流传感器， 能直接非 接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂

12、纹及发生 摩擦等机械问题的早期判定， 可提供关键的信息。 电涡流传感器以其长期工作可 靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油 污等介质的影响、 结构简单等优点， 在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断 中得到广泛应用。 7 原理： 根据法拉第电磁感应原理， 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切 割磁力线运动时（与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流），导体 内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流， 以上现象称为电涡流效应。 而 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产 生

13、交变的磁场。 当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与 此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作 用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗）， 这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率 以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且 性能是线性和各项同性， 则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导 率、磁导率 、尺寸因子 、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度 8 I 和频率 参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(, , , D, I, ) 函数 来表示。通常我们能做

14、到控制 , , , I, 这几个参数在一定范围内不变， 则线圈的特征阻抗Z 就成为距离 D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的， 其函数特征为“ S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置 器电子线路的处理，将线圈阻抗Z 的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D 的变化转化成电压或电流的变化。 输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间 距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数 的测量。 过程： 当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化， Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、 滤波、线性补偿、放

15、大归一处理转化成电压 （电流）变化，最终完成机械位移 (间 隙)转换成电压 （电流） 。由上所述， 电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感 器系统的一半， 即一个 电涡流位移传感器 的性能与被测体有关。 电涡流传感器工 作原理如图所示 按照电涡流在导体内的贯穿情况， 此传感器可分为高频反射式和低频透射式 两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对 位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另 外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。 应用： 9 电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单 位。对汽轮机

16、、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型 旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动 力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。 三、电感式微位移传感器系统设计（自感式） 3.1 原理： 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变 化的传感 器， 又称电感式位移传感器。 这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的， 其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把 线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流 输出。 电感式传感器的基本原理： 根据磁路的基本知识，线圈的自感可按下式计

17、算 L=N2/Rm 其中卜线圈的匝数， Rm一磁路总磁阻数，在气隙厚度较小的情况下，可以 认为磁场是均匀的，其中L 为线圈自感， N为各段导磁体的磁导率线圈的电感跟 气隙厚度、气隙的面积、导磁体的长度等有关。根据改变空气隙的厚度、空气隙 的面积、磁体的长度来实现电感的变化，从而实现测量的作原理， 自感式电感传 感器可分为气隙型、截面型、螺管型。 气隙型传感器灵敏度高， 对后续测量电路的放大倍数要求低，它的缺点是非 线性严重， 为了限制非线性， 示值范围只能较小， 山于衔铁在运动方向上受铁心 的限制，故自由行程小截面型具有较好的线性，自由行程较大， 制造装配比较方 便，但灵敏度较低。螺管型则结构

18、简单，制造装配容易: 由于空气隙大，磁路的 磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大; 此外，螺管型还具有自由行程可任意安 排、制造方便等优点， 在批量生产中的互换性较好， 这给测量仪器的装配、 调试、 使用带来很大的方便， 尤其在使用多个测微仪组合测量形状的时候。因为螺管型 的这些优点， 所以我们采用螺管型差动式电感测头。图为螺管型电感式传感器的 结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动， 线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。 线圈电感量 的大小与衔铁插入线圈的深度有关。 设线圈长度为了、线圈的平均半径为r, 线圈的匝数为从衔铁进入线圈的长 度 la, 衔铁的半径为二、铁心

19、的有效磁导率为Nm, 则线圈的电感量 Z 与衔铁进入 线圈的长度 la 的关系可表示为 10 特点： 电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高； 灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）； 无输入时有零位输出电压， 引起测量误差； 对激励电源的频率和幅值稳定性 要求较高；不适用于高频动态测量。 电感式传感器主要用于位移测量和可以转 换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、 厚度、液位、比重、转矩等）的测量。 3.2 测量系统： 电感式位移传感器元件由静止的螺管线圈和可在线圈上移动的衔铁测头组 成, 它依据电磁感应原理工

20、作. 当线圈由高频电源驱动时, 其两路引出端将输出两 个感应电势 , 这些信号经信号检出电路综合后, 形成在幅值及相位上随测头位置 而变的电压信号 , 代表了位移量的大小和方向. 此信号再经放大、滤波及整形等初 步调理后，由 A/D 转换器转换为对应的数字量送入微控制器。微控制器对它进行 信号处理、 存储以及显示， 获得较高精度的测量结果， 然后按系统组成态设定的 输出方式，以要求的信号形式将测量结果输出。系统的整体方框图如图1 所示。 11 电感测头结构 电感测头是系统的信号起端，图四是轴向式电感测头的结构图。测头10 用 螺钉拧在测杆 8 上， 测杆 8 可在钢球导轨 7 上作轴向移动测杆

21、上端固定着衔铁3。 线圈 4 放在圆筒形磁心 2 中， 两线圈差动使用， 当衔铁过零点上移时， 上线圈电感量增加， 下线圈电感量 减少， 两线圈输出由引线1 接至测量电路口测量时，测头10 与被测物体接触，当 被测物体有微小位移时， 测头通过测杆 8 带动衔铁 3 在电感线圈 4 中移动，使线 圈电感值变化， 通过引线接入测量电路。 弹簧 5 产生的力， 保证测头与被测物体 有效地接触。防转销6 限制测杆转动密封套9 防止灰尘进入传感器内部 变压器电桥 交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转 换成电桥电路的电压或电流输出。差动式结构可以提高灵敏度，改善线性， 所以

22、12 交流电桥也多采用双臂工作形式。 把被测量的变化转换为线圈互感量的变化，且二次线圈又接成差动形式， 这 种根据变压器的基本原理做成的传感器称为差动变压器。差动变压器压力传感器 的结构有型结构、螺管型结构。基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈 框架等。传感器的灵敏度随电源电压和变压器的增大而提高，随初始间隙增大而 降低。型结构的差动变压器衔铁为平板形，灵敏度较高，但测量范围小，一般 用于测量几微米至几百微米的机械位移，螺管型结构的差动变压器， 测量范围达 1mm 至上百毫米。 通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻， 也可以 是变压器的二次侧绕组或紧祸合电感线圈。图二

23、是交流电桥的几种常用形式 电阻平衡臂电桥如图二a 所示。 Z1, Z2 为传感器阻抗。高 ;Ll=L2=L;则有 Z1=Z2=Z=R +jwL, 另有 R1=R2=R 由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时， Z1=Z+ LZ和 Z2=Z-4Z,当 ZL-。时，电桥的输出电压为 当时，上式可近似为 由上式可以看出 : 交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是 成正比的。 变压器式电桥如图 -6 所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组， 当负 载阻抗无穷大时输出电压为: 13 由于是双臂工作形式当衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+ Z，则有： 同理，当衔铁上移时，则有： 可见，输出电压

24、反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，还要经过 适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。 3.2.1 正弦波发生电路 正弦波发生器为系统提供稳定的正弦信号，在电感式位移传感测量电 路中，我们需要一个频率和幅值都稳定的电路，否则会造成测量不稳定及很大的 误差。正弦波作为变压器电桥的桥源，其精度对电桥的输出信号影响极大，对于 其幅值和频率的稳定性都有很高的要求. 系统电路中使用石英晶体振荡电路来产 生稳定的激励信号， 其频率稳定度可高达10 -9 。由于传感器的工作环境通常比较 恶劣，窜入电源的随机干扰不可避免，因此在电路设计中Vv 该具有自动补偿环 节。 常用的几种正弦波振荡电路 对于一

25、个带限网络， 若在其通频带内有增益大于OdB的频率点，那么将 这个带限网络的输出、 输入端通过一个全通网络相连， 通过全通网络的相位调整， 使得对于该带限网络来说增益大于OdB的频率点信号是同相相接， 那么这个网络 就会发生自激振荡。也 就是说，在网络的输入口不施加输入信号，其输出端就会有幅度、 频率都稳 定的交变信输出。图4.3 为正弦波振荡电路的原理框图。 Z ZU U 2 . 0 . Z ZU U 2 . 0 . 14 正弦波振荡电路要产生持续振荡，需要满足以下两个条件: 为了使振荡器输出单一频率的正弦信号，上述两个振荡条件只允许在某一个 频率点上成立，这就要求在振荡器正反馈环路中必须包

26、含一个具有选频特性的选 频网络。另外，选频网络还可以滤除器件因进入非线性区而产生的谐波，提高输 出信号质量。 常用的选频网络组态有RC选频网络和 LC选频网络，相应的，正弦振荡电路 主要有 RC型和 LC型两大类。其中， LC振荡电路容易达到较高的Q值，但对于 低频振荡器来说， LC 器件的体积受限，不易做小，因此一般用于设计高频振荡 器，而 RC振荡器适用于低频场合 ( 其频率范围约在几百kHz以内) RC正弦波振荡电路 常用的 RC正弦波振荡电路有桥式振荡电路、双T 网络式和移相式振荡电路 等类型 41 。图 4.4 是 RC桥式振荡电路的原理电路，其中，R1R2C1C2构成正反馈 带通网

27、 络，其增益与信号频率有关;RF1，RF2构成负反馈全通网络，增益为常数。由 于正反馈 15 网络具有带通特性， 通过选择合适的参数使正反馈网络在幅频峰值点的幅度 大于负反馈 网络，那么电路就会产生振荡。为了计算方便，通常取R1=R2=R ，C1=C2=C 此时电路 振荡频率为, 即 LC 正弦波振荡电路 LC振荡电路主要用来产生高频正弦信号(通常在 1 MHz以上)，常用的 LC振 荡电路有变压器反馈式振荡电路和三点式振荡电路。图4. 5 是最常用的三点式 LC振荡电路。 3.2.2 相敏检波电路 在精密测量中， 进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往 有各 种噪声。而传感器的输出

28、信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号 中分 离出来是测量电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声， 往往给测量 信号 赋以一定特征， 这就是调制的主要功用。 在将测量信号调制， 并将它和噪声 分离， 再经放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信 16 号，这 一过程称为解调。 通过调制，对测量信号赋以一定的特征， 使已调信号的频带在以载波 信号 频率为中心的很窄的范围内， 而噪声含有各种频率， 即近乎于白噪声。 这时 可以 利用选频放大器、 滤波器等，只让以载波频率为中心的一个很窄的频带内的 信号 通过，就可以有效地抑制噪声。 采用载波频率作为参考信号进行比较，也

29、可 抑制 远离参考频率的各种噪声。 图 n 是一个采用了带相敏电流的交流电桥。差动电感式传感器的两个线 圈作 为交流电桥相邻的两个工作臂， 指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数 字电 压表。 设差动传感器的线圈阻抗分别为Z1、Z2，当衔铁处于中间位置，Z1=Z2=Z, 电桥处于平衡状态， C点电位等于 D点地位，电表指示为0。当衔铁上移，上部 线圈阻抗增大， Z1=Z+QZ ，则下部线圈阻抗减少， Z2=Z-4Za如果输入交流电压为 正半周，则 A点电位为正， B点电位为负，二极管V1, V4 导通，V2, V3 截止。 在 A-E-C一支路中，C点电位由于 Z1增大而比平衡时的 C点电位降

30、低 ; 而在 A-F-D 一支中中， D点电位由于 Z2 的降低而比平衡时D 点的电位增高，所以D点电位 高于 C点电位，直流电压表正向偏转。如果输入交流电压为负半周，A点电位为 负，B点电位为正，二极管V2, V3导通， V1, V4截止，则在 A-F-C-B 支中中， C 点电位由于 Z2 减少而比平衡时降低。平衡时，输入电压若为负半周，即B点电 位为正， A点电位为负， C点相对于 B点为负电位， Z2 减少时， C点电位更负 ): 而在 A-E-D-B 支路中， D点电位由于 Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍 然是 D点电位高于 C点电位，电压表正向偏转。 同样可以得出结果 :

31、当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。 可见采用带相敏整流的交流电桥， 输出信号既能反映位移大小又能反映位 移的 17 方向。 。 3.2.3 差动放大电路 在许多需要 A/D 转换和数字采集的单片机系统中，很多情况下， 传感器 输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大， 才能满足 A/D 转换器对输入信号电平的要求， 这种情况下， 就必须选择一种符合 要求的放大器仪表器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大 器，其 实就是典型的差动放大器。它只需三个廉价的普通运算放大器和几只电阻 器，即 可构成性能优越的仪表用放大器。 从电路结构上说，差动放大电

32、路由两个完全对称的单管放大电路组成。 由于电路具有许多突出优点，因而成为集成运算放大器的基本组成单元。 1.6.1 、典型差动放大电路的工作原理 典型差动放大电路如图7-5 所示，与最简单的差动放大电路相比， 该电路增 加了调零电位器 Rp、发射极公共电阻RE和负电源 EE。 图典型差动放大电路 下面分析电路抑制零点漂移的原理、发射极公共电阻RE( 可以认为调零电位 器 Rp是 RE的一部分 ) 和负电源 EE的作用。 由于电路的对称性，无论是温度的变化还是电源电压的波动，都会引 起两个三极管集电极电流和电压的相同变化，即= ，或U01= U02， 因此，其中相同的变化量互相抵消，使输出电压不

33、变，从而抑制了零点漂移。当 然，实际情况是：为了克服电路不完全对称引起的零点漂移及减小每个三极管集 电极对地的漂移电压， 电路中增加了发射极公共电阻RE， 它具有电流负反馈作用， 18 可以稳定静态工作点。 例如温度升高时， T1和 T2的集电极电流和都要增大， 它们的发射极电流和会增大，流过发射极公共电阻的电流IE= + 也会 增大， RE上的电压增大， T1和 T2的发射极电位升高，使和减小，则和 减小，从而抑制了和的增加。这样，由于温度变化引起的每个管子的漂 移，通过 RE的作用得到了一定程度的抑制。抑制零点漂移的过程，如图7-6 所 示。由温度变化造成每个三极管输出电压的漂移都得到一定

34、程度的抑制，且RE 的阻值越大，抑制零漂的作用就会越强。 图抑制零点漂移的过程 由于差模信号使两个三极管的集电极电流一增一减，只要电路的对称性足够 好，其变化量的大小相等，流过RE的电流就等于静态值不变，因此RE对差模信 号的放大基本上不产生影响。 既然 RE不影响差模信号的放大，为了使RE抑制零漂的作用显著一些， 其阻值可以取得大一些。但是，在UCC一定的情况下，过大的RE会使管压降 UCE 变小，静态工作点下移，集电极电流减小，电压放大倍数下降。为此，接入负电 源 EE来补偿 RE上的静态压降 ( 一般使 EE = )，从而保证两个三极管合适的静态 工作点。 在输入信号电压为零时，因电路不

35、会完全对称，会使输出电压不等于 零。这时可调节电位器Rp使输出电压为零，所以Rp称为调零电位器。但因Rp会 使电压放大倍数降低，所以其阻值不宜过大，一般为几十欧到几百欧。 由以上分析可知， 典型差动放大电路既可利用电路的对称性、采用双端 输出的方式抑制零点漂移；又可利用发射极公共电阻RE的作用抑制每个三极管 的零点漂移、 稳定静态工作点。 因此，这种典型差动放大电路即使是采用单端输 出，其零点漂移也能得到有效地抑制。所以这种电路得到了广泛的应用。 交流放大电路的误差主要由于集成运放的输入偏置电流、失调电流和失 调电 压以及温漂等参数不为零， 电阻器阻值随温度的变化， 外部电网电压、 温度 和负

36、 载电流的选择运放和电阻器， 合理地进行布线和安装元器件， 对运放仔细调 19 零等。 3.2.4 A/D转换及显示电路 在测量出信号送入单片机时需要通过模/ 数（A/D）转换器转换成适合于 计算机数字处理的二进制代码任务。A/D 转换器是数据采集系统的核心，它的性 能将很大程度上决定了数据采集系统的性能。A/D转换的常用方法有：计数式 A/D 转换、逐次逼近型A/D 转换、双积分式A/D 转换、并行 A/D 转换和串 / 并行 A/D 转换等。 A/D 转换器的主要技术指标有分辨率、量程、精度、转换时间。分辨率 它是表示转换器对微小输入量变化的敏感程度，通常用转换器输出数字量的位数 来表示，

37、目前常用芯片有8 位、10 位、12 位、14 位等。转换时间是指从发出启 动转换命令到转换结束获得整个数字信号为止所需的时间间隔。在这些转换方 式，计数器 A/D 转换线路比较简单，但转换速率比较慢，所以现在很少应用。双 积分式 A/D 转换精度高，多用于数据采集系统及精度比较高的场合。并行A/D 转换和串 / 并行 A/D 转换速度快。逐次逼近型A/D 转换具有较高的转换速度，较 好的转换精度，是目前应用最多的一种A/D 转换。我们常用的集成A/D 芯片有 ADC0809 ，它具有 8 路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行A/D 转换 ADC0809 外部引脚示于图 12，其引脚功能

38、为 IN7-IN0: 8 路模拟量输入端，在多路开关控制下，任一时刻只能有一 路模拟量实现 A/D 转换。 A, B, C:多路开关地址选择输入端，当取值000-111 时与 A/D 转换对 应的通道为 INO IN7, ALE:地址锁存输入线，该信号的上升沿可将地址选择信号A, B, C 锁入地 20 址寄存器。 START: 启动转换输入线， 其上升沿用以清除A/D内部寄存器，其下降沿 用以 启动内部控制逻辑，开始A/D 转换工作 EOC: 转换完毕输出线，其上出现高电平时表示A/D 转换结束 2128(D7D0)为 8 位数据输出端，可直接接入微型机的数据总路线口 OE:允许输出控制端，

39、高电平有效。低电平时，数据输出端为高阻态; 高电平时，将 A/D 转换后幕的 8 位数据送出。 CLOCK: 转换定时脉冲输入端。它的频率决定了A/D 转换器的转换速度。 使用频率小于等于640KHz ，对应转换速度大于等于100us Ref (+), ref(一)(VREE(十) 和 VREF(-): 是内部 D/A 转换器的参考电 压输入线。 Vcc为+5V, GND为地。 下图为人 DC0809 与单片机的接口电路ADC0809 与单片机的接口比较简 单，图 3. 3 为 ADC0809 与 8031 的典型接口电路。 图 13 中虚线为查询连接方式，当系统主频为6hIHz 时，ALE为

40、 1HIHz， 则应将其 经过 2 分频后与 ADC0809 的 CLOCK 连接口 图13 AD00809与8051接口电路 21 ADC0809 的启动控制线 START 和 A/D转换结束状态线EOC 分别接 P3. OflP3. 1, 采用位控方式工作。当系统主频为Miz 时，ALE的频率为 1Mfiz ，则需经过二 分频变为 500KHz才能向 ADC0809 提供 CLOCK 信号。上电后单片机将ADC0809 采 集的电压经转换处理后送显示电路。如图14 所示。 3.2.5 单片机 8051单片机是目前在工业领域中应用最为广泛系列单片机，该系列单片机 特点是： （1） 一个 8

41、位的微处理器（ CPU ） 。 （2） 片内数据存储器 RAM （128B 256B ） ，用以存放可以读写的数据， 如运算的中间结果、 最终结果以及欲显示的数据等， SST89 系列单片机最多提供 1K 的 RAM 。 （3） 片内程序存储器 ROM EPROM（4KB 8KB ） ，用以存放程序、一些原始 数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM EPROM， 如 8031， 8032， 80C31 等。 （4） 四个 8 位并行 I O 接口 P0P3 ，每个口既可以用作输入，也可以用 作输出。 （5） 两个定时器计数器，每个定时器计数器都可以设置成计数方式， 用以对外部事件进行计数，

42、 也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的 结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的52 系列单片机都会提供3 个 16 位定时器 / 计数器。 （6） 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只5 个中断 源，例如 SST89E58RD 就有 9 个中断源。 22 （7） 一个全双工 UART （通用异步接收发送器）的串行I O 口，用于实现 单片机之间或单机与微机之间的串行通信。 （8） 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高 允许振荡频率为 12MHz 。SST89V58RD 最高允许振荡频率达40MHz ，因而大大的提 高了指令的执行速度。 单片

43、机各部分功能： 中央处理器 CPU 是单片微型计算机的指挥、执行中心，山它读人用户程序， 并逐条执行指令，它是由8 位算术 / 逻辑运算部件 (简称 ALu) , 定时/ 控制部 件， 若干寄存器人、B,B5w, SP以及 16 位程序计数器 (Pc) 和数据指针寄存器 (Dh1) 等主要部件组成。 算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。它具有对 8 位信 息进行 +、一、 x,/ 四则运算和逻辑与、或、异或、取反、清+0-等运算，并具有 判跳、转移、数据传送等功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。控 制器部件是由指令寄存器、 程序计数器 Pc,定时与控制电路等组成的口指令寄存 器中

44、存放指令代码。 枷执行指令时， 从程序存储器中取来经译码器译码后，根据 不同指令由定时与控制电路发出相应的控制信号，送到存储器、运算器或工/ 。 接口电路，完成指令功能。程序计数器Pc 程序计数器 P。用来存放下一条将要 执行的指令，共 16 位. 可对以 K字节的程序存储器直接寻址c 指令执行结束后， Pc计数器自动增加，指向下一条要执行的指令地址。 CPU 功能，总的来说是以不同的方式，执行各种指令。不同的指令其功 自略 异。有的指令涉及到枷各寄存器之问的关系; 有的指令涉及到单片机核心电 路内 部各功能部件的关系: 有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系. 事实 上，cRJ是通过复杂的

45、时序电路完成不同的指令功能。所谓CRJ的时序是指控制 器控照指今功能发出一系列在时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分逻辑 电路，完成某种操作。 四、电感式微位移传感器应用 本文选用 深圳信为科技专业研发的电感式位移传感器SDVG36-10B 行程限位 器作为实例介绍 概 述 SDVG36-10B 具有非接触、耐压、防油、防水防尘等特点，用于 检测液压阀的阀芯位置，从而确保注塑机、压铸机和锻压机等机械在安 全门未关好的情况泄压完全，避免工作人员操作不当或者制动设备出故 23 障的时候造成人身伤害和设备损坏。 24 应用实例：行程限位器 概述 行程限位器 是一种机械式行程限位器 , 具有体积小、结构紧凑、抗干扰、 限 位可调、通用性强、安 装和维护方便等特点。 适用范围 微特电子 DXZ型多功能 行程限位器 可广泛应用于建筑、 港口、矿山等行业的 起重、传输机械的空间三坐标的控制和限位。 结构 行程限位器 由变速齿轮 , 记忆突轮以及微动开关等几部分主成。 2工作原理 行程限位器 与被控制机构同步的位移信号经外接挂轮变速后与限位器的输 入轴联接，经减速器变速转换成输出轴的角位移信号而实现。