1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化电涡流位移传感器信号调理与位移显示电路的设计一、选题的背景与意义在基础学科研究和现代工业生产中，传感器具有不可或缺的作用。传感器是将被测量通常为非电量转换成电信号的信号转换元件，然而由于传感器的电气特性，其所产生的电信号必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地采集。电涡流位移传感器是一种据电涡流效应制成的常用物理传感器，其输出振荡电压随被测体（必须是金属导体）与探头之间的距离变化而变化，因此能测量被测体发生的静态和动态的相对位移变化。目前国内研制的多数电涡流位移传感器测量物体位移变化时输出都是电压信号的绝对值，由于被测体位移相对变化很小，而传感器输出的
2、电压信号初始值太大，以致变化量很小，所以不能很好地反映被测体位移的变化。本课题即是对电涡流位移传感器进行信号调理，通过减法放大电路使传感器输出电压减去初始值后再进行放大，从而保证被放大的电压只对应位移变化部分，且从零点开始。然后基于单片机设计传感器的工作电源和输出位移的显示电路，使输入输出信号都能清楚、直观地显示。这些新的设计将推动现有电涡流传感器测量技术的发展。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容设计并调试高精度运算放大器OP07、AT89S52单片机的工作电源电路，再基于高精度运算放大器OP07，设计并调试电涡流位移传感器的信号调理电路，最后基于AT89S52单片机，编程设计
3、并调试电涡流位移传感器的工作电源电压与输出位移的显示电路。拟解决的主要问题1、设计并调试高精度运算放大器OP07、AT89S52单片机的工作电源电路，包括变压、整流、滤波、稳压电路；2、基于高精度运算放大器OP07设计并调试电涡流位移传感器的信号调理电路，包括减法放大、滤波电路；23、基于AT89S52单片机设计位移显示电路，将传感器检测到的被测体位移变化最终以数字形式直观地显示在七段LED显示器上。三、研究的方法与技术路线四、研究的总体安排与进度第14周查阅文献，完成外文翻译、文献综述和开题报告；第56周掌握变压、整流、滤波、稳压电路的原理，以及运算放大器与单片机的工作原理，采用PROTEL
4、完成电涡流位移传感器的信号调理电路、工作电源电压与输出位移显示电路的原理图设计；第712周完成电涡流位移传感器的信号调理电路、工作电源电压与输出位移显示电路的实际设计与调试；第13周撰写毕业论文。参考文献1秦曾煌电工学上/下册M北京高等教育出版社,20042张友德,赵志英,涂时亮单片微型机原理、应用与实验（第五版）M上海复旦大学书版社,20063黎琼,陈文庆,温泉彻通用数据采集系统的信号调理J湛江师范学院学报,2004,2564乔巍,杜爱玲,陈春,叶生高速数据采集系统信号调理电路的设计J电子技术,2003,411155许德章电涡流传感器信号调理电路的设计J自动化仪表,1998,196传感器工作
5、电源显示器信号调理电路被测体电涡流位移传感器位移显示电路显示器36董维杰,高颖,崔玉国,朴柱宏压电执行器迟滞特性的自动采集及分析J计算机应用,2002,97丁俊军基本放大电路的最佳设计和集成运算放大器线性应用的补充J沈阳航空工业学院学报,2000,1738傅华明有源滤波电路设计总结J电子技术。9史水娥,杨豪强,吴雪冰单片机系统中LED显示驱动电路的研究J河南科技学院学报,2005,331949610赵严七段LED点阵LCD可兼容显示系统设计与改造J激光与红外,2003,33111蔡延财,刘勇,陈永冰,王璐基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计J现代电子技术,2007,6636912邵伯进,苗增
6、秀利用有源滤波电路消除干扰J机床电器,2001,213秦玲,刘敬波一种用于D/A转换电路的带隙基准电压源的设计J电子设计应用,2006,514王东兴,江连会一种精密稳压的150V直流电源电路J压电与声光,2004,26515陈京培,徐永梅基于AT89S52单片机的液晶显示控制电路设计J电路设计16JAVIERGAGO,JOSEPBALCELLS,DAVIDGONZALEZ,MANUELLAMICH,JUANMON,ALFONSOSANTOLARIAEMISUSCEPTIBILITYMODELOFSIGNALCONDITIONINGCIRCUITSBASEDONOPERATIONALAMPLIF
7、IERSIEEETRANSACTIONSONELECTROMAGNETICCOMPATIBILITY,2007,49417HAMEDAHADPOUR,EBRAHIMABIRIANIMPROVEDSWITCHEDCAPACITORSIGNALCONDITIONINGCIRCUITFORDIFFERENTIALCAPACITIVESENSORS2009SECONDINTERNATIONALCONFERENCEONCOMPUTERANDELECTRICALENGINEERING18ALFREDOARNAUD,MARCELOBARU,GONZALOPICUN,FERNANDOSILVEIRADESIG
8、NOFAMICROPOWERSIGNALCONDITIONINGCIRCUITFORAPIEZORESISTIVEACCELERATIONSENSOR45毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化电涡流位移传感器信号调理与位移显示电路的设计在基础学科研究和现代工业生产中，传感器具有不可或缺的作用。电涡流位移传感器是一种据电涡流效应制成的常用物理传感器，其输出振荡电压随被测体（必须是金属导体）与探头之间的距离变化而变化，因此能测量被测体发生的静态和动态的相对位移变化,从而被广泛地应用于数据采集系统中。目前国内研制的多数电涡流位移传感器测量物体位移变化时输出都是电压信号的绝对值，由于被测体位移相对变化
9、很小，而传感器输出的电压信号初始值太大，以致变化量很小，从而不能很好地反映被测体位移的变化。本课题即是对电涡流位移传感器进行信号调理设计，通过减法放大电路使传感器输出电压减去初始值后再进行放大，从而保证被放大的电压只对应位移变化部分，且从零点开始。然后基于单片机设计传感器的工作电源和输出位移的显示电路，使输入输出信号都能清楚、直观地显示。下图1是通用数据采集系统的组成和信号传输流程。可见，信号调理电路是数据采集系统的重要组成部分。信号处理电路，就是把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。传感器测量的很多物理量，如位移、温度、压力、光强等，输出后都是相当小的
10、电压、电流或电阻变化，必须对其进行调理，即利用内部的电路如滤波器、转换器、放大器等将信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号，以便用于系统的数据处理。图1黎琼，陈文庆，温泉彻3介绍了通用数据采集系统的组成及信号调理的重要性，然后以热电偶温度传感器及热电偶温度变送器为例，说明了传感器调理一般6应包含补偿、线性化和激励三部分内容，且介绍了变送器与传感器的主要区别。最后在给出典型信号调理电路的基础上，说明了通用数据调理功能（放大、隔离、滤波和数字信号调理）及电路实现，对基于PC机和ADC卡的通用数据采集系统的信号调理具有借鉴作用。乔巍，杜爱玲，陈春，叶生4针对基于微控制器和PC的高速
11、数据采集系统,分析了信号调理电路功能及必要性,并在此基础上给出了包括信号放大、衰减、隔离和滤波的设计方案,并对滤波电路的拓扑设计进行了研究。此外,针对广泛存在的电力信号采集与分析,以电能质量为分析、研究对象,给出了基于SALLEN2KEY和状态变量拓扑的滤波方案，对高速数据采集系统精度的提高和采集设备的保护具有实际意义。许德章5设计了一种用在保温管自动纠偏系统上远距离测量钢管中心位置变化的电涡流传感器的信号调理电路。只有测出钢管中心在相互垂直的两个方向上位置变化，才能得知钢管中心在任意方向上的位置变化，因此采用4只传感器对称布置，如图2所示。其中，传感器和作为一组测量钢管中心在水平方向上的位置
12、变化，和作另一组测量钢管中心在竖直方向上的位置变化。图2电涡流传感器测量钢管中心位置变化的信号调理电路工作原理如图3所示。振荡源产生的高频信号经过一级放大后有一定驱动能力，将其加到4只传感器发射线圈上，4只传感器的接收线圈将会有信号输出。输出信号的变化反映了钢管中心在相应方向上的位置变化，所以4只传感器输出信号分别检波后，将传感器I和的输出信号送人差动放大电路，和送入另一差动放大电路，得到传感7器对I与和与的输出信号变化量，再把它们分别经过V/F转化成一组方波频率信号，其脉宽变化反映了钢管中心在相应方向上的位置有变化。8098单片机HSI口很方便地测试出方波信号脉宽，以实现解A/D转换。而完整
13、的测量电路电路包括振荡源、增益可调放大电路、绝对值检波电路、线性度校正与差分放大电路、电平调整电路、V/F转换电路和V/F转换与单片机接口七个部分。图3上述学者介绍的信号调理电路实现的最主要功能是滤波和放大，但是若能对传感器输出电压减去初始值之后再进行放大，从而保证被放大的电压只对应位移变化部分，且从零点开始，则会使传感器检测到的物体位移变化的分辨力更清楚和直观。董维杰，高颖，崔玉国，朴柱宏6研究了压电叠堆迟滞特性曲线的微机自动采集系统。系统基本部分是微机和通用数据采集板PCI一818I，高压运放输出作为高压驱动电源。电涡流位移传感器和后续减法放大电路承担测微位移任务，一定程度上可替代昂贵的精
14、密电容位移传感器，测得了不同驱动电压范围的执行器迟滞特性曲线。高驱动电压的产生如图4。由12位DA转换产生010V模拟信号，运放OP07和若干电阻组成1倍减法电路，将单极性电压变成双极性。高压运算放大器3583电源电压范围较宽，可达50150V，输出电流可达75MA。3583连接为反相放大状态，设计放大倍数固定为一24。当DA输出为010V时，高电压范围为一120120V；8图4微位移测量电路如图5。电路选用高精度、低失调电压的运算放大器OP07。所有电阻选用01精密绕线电阻，电路有电磁屏蔽保护。采样之前，调整电涡流位移计的初始位置，用万用表测得输出初始电压约为一9V，再调整可调正电源，使OP
15、07的输出为零，保证被放大的电压只对应位移变化部分，且从零点开始。这部分电路提高了电涡流位移计的分辨力，放大倍数为535。另外，软件编程设置采样前采集板再将输入信号放大8倍，对电涡流计变化信号总计放大426倍。从而代替了高分辨力但却昂贵的精密电容位移传感器，使一般价位的电涡流位移传感器做精密位移监控成为了可能。图5在放大和滤波电路方面，丁俊军7介绍了基本放大电路的最佳设计和集成运算放大器线性应用的补充，重点介绍了放大电路动态范围及静态工作点的确定方法和集成运算放大器加减法运算电路的设计方法。傅华明8介绍了由集成运算放大器、电阻和电容设计有源滤波器，着重说明了低通、高通、带通滤波电路的特性与设计
16、。本课题设计的电涡流位移传感器信号调理电路和位移显示电路最终会通过AT89S52单片机编程设计传感器的工作电源和输出位移的显示电路，使输入输出信号都能清楚、直观地显示。9在现代仪器仪表中，采用单片机开发的系统中常用的显示器件有发光二极管LED显示器，液晶LCD显示器，CRT显示器，电致发光EL显示器等。其中最为常用的是LED七段显示器与LCD显示器。LED七段显示器虽然显示内容以数字为主，比较单一，但其价格低廉，接口电路简单，适合作为本课题设计的显示电路的显示器。史水娥,杨豪强,吴雪冰9对比了单片机系统中LED显示驱动电路的几种实现方案,着重介绍了LED显示驱动芯片MAX7219的工作原理和使
17、用方法,最后给出了一个用MAX7219驱动8位LED显示系统的应用实例。赵严10介绍了激光治疗仪控制系统中显示系统由LED七段显示升级为LCD点阵显示的思路方法，提出了一种简便实用的升级改造方案，并且在一种激光治疗仪的升级中获得成功的应用，并且根据实例提出了设计LED七段显示与LCD点阵显示兼容的控制电路的原则。在基础学科研究和现代工业生产中，传感器作为数据采集系统中的一部分，具有不可或缺的重要作用。了解电涡流位移传感器的工作原理，对电涡流位移传感器的信号调理与位移显示电路进行设计与调试，将有助于我们了解传感器的信号调理过程和LED显示器的数字显示设计，进而掌握常用电路的设计方法与调试过程。参
18、考文献1秦曾煌电工学上/下册M北京高等教育出版社,20042张友德,赵志英,涂时亮单片微型机原理、应用与实验（第五版）M上海复旦大学书版社,20063黎琼,陈文庆,温泉彻通用数据采集系统的信号调理J湛江师范学院学报,2004,2564乔巍,杜爱玲,陈春,叶生高速数据采集系统信号调理电路的设计J电子技术,2003,411155许德章电涡流传感器信号调理电路的设计J自动化仪表,1998,1966董维杰,高颖,崔玉国,朴柱宏压电执行器迟滞特性的自动采集及分析J计算机应用,2002,97丁俊军基本放大电路的最佳设计和集成运算放大器线性应用的补充J沈阳航空工10业学院学报,2000,1738傅华明有源滤
19、波电路设计总结J电子技术9史水娥,杨豪强,吴雪冰单片机系统中LED显示驱动电路的研究J河南科技学院学报,2005,331949610赵严七段LED点阵LCD可兼容显示系统设计与改造J激光与红外,2003,33111蔡延财,刘勇,陈永冰,王璐基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计J现代电子技术,2007,6636912邵伯进,苗增秀利用有源滤波电路消除干扰J机床电器,2001,213秦玲,刘敬波一种用于D/A转换电路的带隙基准电压源的设计J电子设计应用,2006,514王东兴,江连会一种精密稳压的150V直流电源电路J压电与声光,2004,26515陈京培,徐永梅基于AT89S52单片机的液晶显
20、示控制电路设计J电路设计16JAVIERGAGO,JOSEPBALCELLS,DAVIDGONZALEZ,MANUELLAMICH,JUANMON,ALFONSOSANTOLARIAEMISUSCEPTIBILITYMODELOFSIGNALCONDITIONINGCIRCUITSBASEDONOPERATIONALAMPLIFIERSIEEETRANSACTIONSONELECTROMAGNETICCOMPATIBILITY,2007,49417HAMEDAHADPOUR,EBRAHIMABIRIANIMPROVEDSWITCHEDCAPACITORSIGNALCONDITIONINGCIR
21、CUITFORDIFFERENTIALCAPACITIVESENSORS2009SECONDINTERNATIONALCONFERENCEONCOMPUTERANDELECTRICALENGINEERING18ALFREDOARNAUD,MARCELOBARU,GONZALOPICUN,FERNANDOSILVEIRADESIGNOFAMICROPOWERSIGNALCONDITIONINGCIRCUITFORAPIEZORESISTIVEACCELERATIONSENSOR11本科毕业论文（20届）电涡流位移传感器信号调理与位移显示电路的设计12摘要摘要在基础学科研究和现代工业生产中，传感器
22、具有不可或缺的作用。电涡流传感器由于具有对介质不敏感、非接触的特点，因而广泛应用于对金属的位移检测中。目前国内研制的多数电涡流位移传感器测量物体位移变化时输出都是电压信号的绝对值，由于被测体位移相对变化很小，而传感器输出的电压信号初始值太大，以致变化量很小，所以不能很好地反映被测体位移的变化。本文即是对电涡流位移传感器进行信号调理。首先基于高精度运算放大器OP07设计信号调理电路，使传感器输出电压减去初始值后再进行放大，从而保证被放大的电压只对应位移变化部分，且从零点开始。然后基于三位半A/D转换电路ICL7107设计传感器的工作电源显示电路和输出位移显示电路，使输入输出信号都能清楚、直观地显
23、示。除了这些，本文还设计了传感器的24V工作电源，OP07的15V工作电源和ICL7107的5V工作电源并最终将所有电路制作出实物。实物制作完成后对其调试，然后进行实际测试。测试结果表明，所有电路理论设计可行且电压源输出稳定，显示电路能正确显示。关键词电涡流位移传感器；信号调理电路；显示电路；减法放大电路；工作电源电路13ABSTRACTRESEARCHINBASICSCIENCEANDMODERNINDUSTRIALPRODUCTION,THESENSORPLAYSANINDISPENSABLEROLEBECAUSEEDDYCURRENTDISPLACEMENTSENSORISNOTSENS
24、ITIVETOTHEMEDIA,ITISWIDELYUSEDINTHEDISPLACEMENTOFMETALDETECTIONATPRESENT,MOSTDEVELOPEDEDDYCURRENTDISPLACEMENTSENSORSMEASURETHEDISPLACEMENTOFTHEOBJECTAREOUTOFTHEABSOLUTEVALUEOFVOLTAGEASMEASUREDRELATIVECHANGEOFDISPLACEMENTISVERYSMALL,BUTTHESENSORSINITIALVALUEOFOUTPUTVOLTAGEISTOOLARGE,ITLEADSTOASMALLCH
25、ANGEINOUTPUTVOLTAGEANDITCANNOTREFLECTCHANGESINTHEMEASUREDDISPLACEMENTTHETHEMEOFTHISPAPERISTODESIGNSIGNALCONDITIONINGCIRCUITFOREDDYCURRENTDISPLACEMENTSENSORFIRST,DESIGNINGSIGNALCONDITIONINGCIRCUITBASEDONPRECISIONOPERATIONALAMPLIFIEROP07,ITAMPLIFIEDTHEVOLTAGEAFTERTHESENSORSOUTPUTVOLTAGESUBTRACTTHEINIT
26、IALVALUE,TOENSURETHATTHEAMPLIFIEDVOLTAGEISONLYTHEPARTCORRESPONDINGTOTHEDISPLACEMENT,ANDSTARTFROMZEROTHEN,DESIGNINGTHEVOLTAGEDISPLAYCIRCUITFORSENSORSPOWERSUPPLYANDTHEDISPLACEMENTDISPLAYCIRCUITBASEDONTHETHREESEMIA/DCONVERTERCIRCUITICL7107,THATMAKETHEINPUTANDOUTPUTSIGNALSHAVEACLEARANDINTUITIVEDISPLAYIN
27、ADDITIONTOTHESE,THISPAPERHASDESIGNEDTHESENSORS24VPOWERSUPPLY,OP07S15VPOWERSUPPLY,ICL7107S5VPOWERSUPPLYANDEVENTUALLYALLTHECIRCUITHASBEENMADEINKINDTHENTESTINGALLTHECIRCUITBOARDTHERESULTSSHOWEDTHATALLOFTHECIRCUITSTHEORYISFEASIBLEANDOUTPUTVOLTAGEISSTABLE,THEDISPLAYCIRCUITTODISPLAYCORRECTLYKEYWORDSEDDYCU
28、RRENTDISPLACEMENTSENSORSIGNALCONDITIONINGCIRCUITDISPLAYCIRCUITSUBTRACTIONAMPLIFICATIONCIRCUITPOWERSUPPLYCIRCUIT14目录摘要12目录141绪论1511前言1512国内外应用现状1513设计内容152信号调理与显示电路的设计1721工作电源的设计17211OP07工作电源17212ICL7107工作电源18213传感器工作电源1822信号调理电路的设计1923显示电路的设计20231ICL7107简介20232位移显示电路21233传感器电源电压显示电路233电路制作与实验调试2431电
29、路的制作2432工作电源的测试2633显示电路的测试27331位移显示电路的测试27332传感器电源显示电路的测试304结论与展望32参考文献33致谢错误未定义书签。1519绪论20前言电涡流位移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，是一种非接触的线性化计量工具。电涡流位移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，因此电涡流位移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、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
30、、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。21国内外应用现状电涡流式位移传感器结构简单，其最大的特点是既可以实现非接触测量，又具有灵敏度高、抗干扰能力强、频率响应宽、体积小等优点，因此在工业测量中得到了越来越广泛的应用。目前国际上知名的精密电涡流位移传感器制造商有德国米依公司，美国的MEAS传感器公司、PCB公司等，而我国国内的北京昆仑海岸传感技术中心，其生产的电涡流位移传感器产品在电信、电力、石化、冶金、机械等领域也拥有广泛的应用前景。纵观国外生产的电涡流位移传感器产品，其测量系统相对完善。大部分国外的电涡流位移传感器系统自带输出位移显示器，且显示器上显示的是测量位移时位移的相
31、对变化量，清楚而直观。而国内的大多电涡流位移传感器的输出位移显示器输出的一般为位移量的绝对值，由于位移有一定的初始值，而位移的变化量相对来说很小，所以这种显示方式很不直观，不能很好的反映被测物体的位移变化情况。22设计内容本文进行的是对电涡流位移传感器的信号调理和位移显示电路的设计。传感器由于自身的电气特性，其所产生的电信号必须进行调理才能被数据采集设备精16确、可靠地采集。下图1为在线性范围内，电涡流位移传感器输出电压与被测体（必须是金属导体）和探头之间距离的关系。X轴为被测体和探头之间的距离，即传感器的量程，Y轴为传感器输出的振荡电压，随被测体与探头之间的距离变化而变化，且二者呈现高度的线
32、性度。所谓传感器的信号调理电路即为差动输入的减法放大电路。假设当被测体和探头之间距离为06MM时，传感器输出电压初始值为7V，当被测体位移发生变化时，传感器输出相应变化，但位移的变化量相对被测体和探头之间的初始距离来说很小，因而传感器的输出电压相应变化也较小。本电路即使传感器测量物体位移变化时输出的电压信号减去电压初始值后再进行放大，然后被数据采集设备采集，从而保证被放大的电压只对应位移变化部分，且从零点开始。位移显示电路是基于三位半A/D转换器ICL7107设计一个实时电压显示电路，由于电涡流位移传感器输出电压与被测体和探头之间的距离呈现高线性度，所以通过数据转换和调试可以很容易的在显示器上
33、显示被测物体位移的变化量。图1传感器输出电压与被测物体距离的关系本文设计的信号调理电路是基于高精度运算放大器OP07，包括减法放大、滤波电路，而运算放大器OP07自身需要一个15V的工作电源，因此需设计并制作高精度运算放大器OP07的工作电源电路，包括变压、整流、滤波、稳压电路。位移显示电路是基于三位半A/D转换器ICL7107，将传感器输出的电压信号以数字形式直观地显示在8段LED数码管上。ICL7107的工作电源为5V，需设计并制作三位半A/D转换器ICL7107的工作电源电路。为了使整个电涡流位移传感测量系统更完整，还需设计传感器的工作电源，和工作电源电压显示电路。1723信号调理与显示
34、电路的设计24工作电源的设计工作电源即直流稳压电源，由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分构成。电源变压器是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。整流电路是利用单向导电元件，把50HZ的正弦交流电变换成脉动的直流电。滤波电路可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。下图2为直流电源的原理框图。图2直流电源原理框图本文共需设计三个直流稳压电源，分别是高精度运算放大器OP07的15V工作电源，ICL7107的
35、5V工作电源和电涡流传感器的24V工作电源。25OP07工作电源高精度运算放大器OP07的工作电源为15V，电源电路设计如下图3。图图315V工作电源原理图18为减少直流稳压电路所需外接元件，使其使用更简单，本电源设计为集成稳压电源，其主要使用器件为三端集成稳压器W7815（输出固定的15V）和W7915输出固定的15V。CI用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡，CI取033F。CO是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大波动，CO取1F。C为滤波电容，取1000F。所选电源变压器为双24V/10W，整流桥型号为2W08。26ICL7107工作电源ICL7107的工作电源为
36、15V，直流稳压电源设计如下图4。图45V工作电源原理图ICL7107工作电源与高精度运算放大器OP07工作电源原理一样，亦采用集成稳压电源设计。不同的是本电路的三端集成稳压器为W7805和W7905，分别输出固定的5V电压和5V电压。CI用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡，CI取033F。CO是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大波动，CO取1F。C为滤波电容，取1000F。所选电源变压器为双12V/10W，整流桥型号为2W08。27传感器工作电源传感器电路对供电电压精度要求高，温度稳定性要好，因此也采用三端集成稳压器作为稳压元件。电涡流位移传感器的工作电源为24V，
37、稳压器选择W7924，输出固定的24V。电源电路设计如下图5，整流滤波元件的选择与OP07工作电源及ICL7107工作电源的一样，CI为033F，CO为1F。C为1000F。所选电源变压器为27V/10W，整流桥型号为2W08。19图524V工作电源原理图28信号调理电路的设计传感器由于自身的电气特性，其所产生的电信号必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地采集。本文设计的基于高精度运算放大器OP07的信号调理电路为差动输入，使传感器测量物体位移变化时输出的电压信号减去电压初始值后再进行放大，然后被数据采集设备采集，从而保证被放大的电压只对应位移变化部分，且从零点开始，这样使数据的表达更为直
38、观。此信号调理电路即为减法放大电路，其关键元件为高精度运算放大器OP07。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07管脚图如下图6，1和8为偏置平衡调零端，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源。图6OP07引脚图基于高精度运算放大器OP07的信号调理电路设计如下图7。20图7信号
39、调理电路原理图UI1端输入的是电涡流位移传感器测量物体位移变化时输出的电压信号。UI2端输入基准电压，即传感器与被测体处于初始位置，被测体还未发生位移变化时传感器输出的电压值，此电压由实验室的HPV系列压电陶瓷驱动电源提供。UO为传感器信号经调理后输出的电压。此信号调理电路的放大倍数AUFUO/UI1UI2R4/R1。取R1R210K，R3R4150K，C1C201F，C3045F，因此得本信号调理电路的放大倍数AUF15。29显示电路的设计基于ICL7107设计的显示电路是本文的重要内容。位移显示电路用来显示传感器测得的被测物体的位移变化量，其值将显示在4个8段LED数码管上，清楚又直观地反
40、映了被测物体的位移变化情况，这也是本设计区别于国内其他传感器测量显示系统的主要特点。另外本文还需设计一个电涡流位移传感器工作电源的电压显示电路，以便观测传感器的工作电压是否稳定。30ICL7107简介ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换电路。它包含有七段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统，可以直接驱动LED数码管，且其价格低廉，电路结构简单，是一块应用非常广泛的集成电路。其引脚如下图8所示。21图8ICL7107引脚图芯片第一脚供电，正确电压是直流5V。第36脚是基准电压，正确数值是100MV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，一般在3V至5V之间。芯片第31引脚是信号
41、输入引脚，可以输入1999MV的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地。31位移显示电路基于ICL7107设计的位移显示电路如下图9。22图9位移显示电路原理图系统时钟由IC的38、39、40脚决定。内部振荡频率为48HZ，显示每秒刷新3次。振荡器频率FOSC48KHZ典型值，振荡周期TOSCRC/045，所以，38脚的C4取100PF，39脚的R5取100K。积分电路由IC的27、28脚决定。积分时钟频率FCLOCKFOSC/4，积分周期TINT10004/FOSC1
42、0004/48K833MS。满量程模拟输入电压VINFS200MV典型值，最佳积分电流IINT4UA，积分电压VINT2V，积分电阻RINTVINFS/IINT200MV/4A50K，积分电容CINTTINTIINT/VINT833MS4UA/20166F。所以，27脚C3取022F，28的R4取47K。C2用于防止系统噪音的影响以及过载输入时电路的恢复，29脚的C2取047F。参考电容范围01FCREF1F，C1为参考电容，取01F。31,30脚是信号的输入端，35,36脚用来调整基准电压，这两部分实际上构成了一个差分放大电路，可以通过调整基准电压来改变输出量。35脚的电阻R4是多圈可调精密
43、电阻，用于调整基准电压。R7，R8分压驱动个位数码管的小数点，19，20脚能点亮百位数码管的1。制作时，显示用的数码管为共阳型，2K可调电阻最好选用多圈可调精密电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其他器件选用正品即可。R1选用10M的金属膜电阻，R2选用47K的金属膜电阻，R3选用24K23的金属膜电阻，R4选用1K的多圈可调精密电阻，R5选用47K的金属膜电阻，R6选用100K的金属膜电阻，R7选用10K的金属膜电阻，R8选用1M的金属膜电阻。C1选用022F的CCB电容，C2选用047F的CCB电容，C3选用01F的陶瓷电容，C4选用100PF的CCB电容。32传感器电源电压显示电路电
44、涡流位移传感器的工作电源电压显示也是基于ICL7107设计的实时电压显示电路，因此电路工作原理与元件选择和位移显示电路一样，其电路图如下图10所示。图10传感器电源电压显示电路原理图传感器工作电源电压显示电路与位移显示电路不同的是，前者是实时电压显示，传感器工作电源输出多少电压，LED数码管就会显示多少。其参考电压也可通过多圈可调精密电阻R4调整，以达到数码管显示与电源输入一致。电涡流位移传感器的工作电源为24V，数码管显示的应该是24。2433电路制作与实验调试34电路的制作各个电路焊接前，备齐所需元件，规划好元件在电路板上的位置，注意元件的总体布局，兼顾美观，接头、变阻器位置应便于操作。然
45、后在电路板上插好元件，开始焊接，逐步完成各个模块到整个电路的焊接及连线。焊接好后检查焊点，观察有无虚焊点，检测电路是否短路，对部分焊点进行修整。本文实际完成的各电路板有位移显示电路，传感器电源显示电路，24V工作电源，5V工作电源和信号调理电路（信号调理电路与OP07的15V工作电源焊接在一块电路板上），各实物照片见下图11图15所示。图11信号调理电路实物图25图12位移显示电路实物图图13传感器电源电压显示电路实物图26图145V工作电源实物图图1524V工作电源实物图35工作电源的测试2724V工作电源，5V工作电源和15V工作电源实物制作完成后，用万用表测量其电压输出是否正确。经测量，
46、24V工作电源的输出稳定在241V，5V工作电源的输出稳定在505V和495V，15V工作电源的输出稳定在1503V和1506V，这些输出电压均十分稳定，几乎没有变化，因此均可给相应的元件提供工作电压。36显示电路的测试37位移显示电路的测试位移显示电路板实物制作完成后需对其进行调试，用测试完成的5V直流稳压电源为ICL7107提供工作电压，用实验室的HPV系列压电陶瓷驱动电源替代传感器的电压输出，为显示电路提供电压输入。已知被测物体位移变化量与传感器输出电压呈线性关系，被测物体位移每改变50M，传感器输出改变1V，位移变化量Y与传感器输出电压变化量X的关系是Y50X。但在实际测试时，因为位移
47、显示电路的输入电压信号是传感器输出电压经过信号调理电路放大的，信号调理电路的放大倍数为15，所以位移显示电路显示的位移值Y与信号调理电路的输出电压UO的关系约为Y3UO。因此在测试时，理论上当压电陶瓷驱动电源输出0V，位移显示应为00，压电陶瓷驱动电源输出1V，位移显示为30。实际测试中，结果与预想一致，位移显示电路可行。调试图片见下图16和图17。28图16位移显示电路调试图1图17位移显示电路调试图2电路调试完成后进行传感器信号调理和位移显示的测试。用两台HPV系列29压电陶瓷驱动电源给信号调理电路提供差动输入，一台输出为UI1，替代传感器的电压输出，另一台输出为UI2，作为信号调理电路的
48、基准电压输入，信号调理电路的输出接到位移显示电路的输入。然后将基准电压UI2设定为7V，将传感器输出电压UI1从60V调节到80V，记录信号调理电路输出电压UO和位移显示电路显示的位移值Y。数据记录如下表1。表1位移显示电路数据记录UI1V6062646668707274767880UI2V7070707070707070707070UOV15012090603000306090120150位移值YM424372287192970091188283377422由上表看出，除了在UI1输出为6V和8V时，位移值Y与信号调理电路输出电压UO大致呈现Y3UO的关系，误差在0115之间。这是因为高精度
49、运算放大器OP07的工作电压是15V，它不可能输出绝对值比15V还大的电压，而当UI1输出为6V和8V时，信号调理电路的输出接近为15V，位移值达到量程，所以不准。从测试结果看来，位移显示电路虽不是很精确，但显示稳定可靠，因此设计成功。实际测试情况见下图18和图19。30图18位移显示电路电路测试图1图19位移显示电路电路测试图238传感器电源显示电路的测试传感器电源显示电路用来显示电涡流位移传感器的24V工作电源电压，测试时，用HPV系列压电陶瓷驱动电源为显示电路提供电压输入，当压电陶瓷驱动电源输出0V，电压显示应为00，压电陶瓷驱动电源输出24V，位移显示为24。实际测试中，结果与预想一致，电源电压显示电路设计成功。测试情况见下图20和图21。31图20传感器电源电压显示电路测试图1图21传感器电源电压显示电路测试图23239结论与展望本文进行的是对电涡流位移传感器的信号调理和位移显示电路的设计。传感器由于自身的电气特性，其所产生的电信号必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地采集。信号调理电路即使传感器测量物体位移变化时输出的电压信号减去电压初始值后再进行放大，然后被数据采集设备采集，从而保
