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电气工程及其自动化毕业论文
电气工程及其自动化毕业论文

题 目：非接触式电位器的研究
专 业 ：电气工程及其自动化

摘 要
电位器是一种阻值可以根据用户需要进行调整的可变电阻器，是应用广泛的通用机电元件。传统的电位器大多为接触式的，这样的电位器存在许多缺点。为克服存在的缺陷，非接触式电位器应运而生。本次设计从现代传感器技术入手，通过深入了解现代传感器技术，从中选取合适的传感器作为实现“非接触式”的手段。在理论分析的基础上，并考虑到实际制作环境的限制，从而选取了差动式电感传感器作为电位器的调节端，并且改进了传感器电路，提高了其调节的稳定性和灵敏度。在该电位器的输出端，接上了一运算放大器，使其输出范围大大增加。通过对作品参数的测试，证明了其符合设计要求，实现了电位器的“非接触式”调节。

关键词：电位器；非接触式电位器；传感器技术；差动式电感传感器；运算放大器

Abstract
Potentiomete is a resistor that can be adjusted according to the user who needs a variable resistance,it’s a widely used and general-purpose electromechanical components.Most of the traditional potentiometes are contact-type component,there are many defects with them.In order to overcome these defects,the non-contact potentiometers are invented.This design is on the base of modern sensor technology.By a Profound understanding of the modern sensor technology,I use a suited sensor to achieveing the “non-contact”.Not only I analyse the theory,but also I think over the practical setting,I choose the differential-inductive sensors as the modulatory terminal,and mend the sensor circuit,so the stability and susceptiveness have improved. In the output of the potentiometer,I use a operational amplifier to increase the output range.Through the test of this work,I prove it meet the design requirements: achieveing the “non-contact” of the potentiometer.

keywords：potentiometer，non-contact potentiometers，sensor technology，
differential-inductive sensors，operational amplifier

目 录

摘 要 ……………………………………………………………1
ABSTRACT ……………………………………………………… 2
引 言 …………………………………………………………… 4
第一章 设计任务………………………………………………… 5
1.1 设计题目………………………………………………… 5
1.2 设计背景………………………………………………… 5
1.3 设计任务………………………………………………… 5
第二章 电位器的认识…………………………………………… 6
2.1 传统电位器……………………………………………… 6
2.2 非接触式电位器………………………………………… 7
第三章 传感器的电子学基础…………………………………… 8
3.1 电桥……………………………………………………… 8
3.2 电桥的电源……………………………………………… 10
3.3 传感器信号的放大……………………………………… 11
第四章 作品设计………………………………………………… 12
结 语 …………………………………………………………… 19
参考文献 ………………………………………………………… 21
后 记 …………………………………………………………… 22
致 谢 …………………………………………………………… 22

引 言

电位器是一种可调的电子元件。传统的电位器是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。由于电阻体和滑动系统之间存在摩擦，且改变电参数必然需要一定的力矩，这些对于高速运动和灵敏的仪器是极为有害的。电刷的长期摩擦会使接触电阻发生变化，噪声变大，可靠性变差，寿命变短，而非接触式电位器则可以克服这些缺点。由于非接触式电位器和传统电位器相比具有不可比拟的优越性，因此在许多对电位器要求高的场合，非接触式电位器得到广泛的应用。
本设计由传感器技术出发，较为详细地介绍了相关的传感器技术，叙述了设计的过程及相关数值计算。从设计材料的经济合理、易于制作的要求出发，确定了所需原件及设计方法。

第一章 设计任务

1.1 设计题目
非接触式电位器的研究
1.2 设计背景
在现代社会中，科技迅速发展、各种技术日新月异，为我们的工作、生活提供了极大的便利。在调节和控制的领域当中，电位器有着非常重要地位。传统的电位器由于电刷的长期摩擦会使接触电阻发生变化，噪声变大、可靠性变差，使寿命变短，对于一些调节频繁、要求调节精度高的场合，这样的电位器在就难以应付了。为了改善其性能，提高其适用性，非接触电位器应运而生。
非接触式电位器克服了传统电位器的许多缺点，是调节性能大大提高，不管是在频繁的调节场合或者是要求精确调节，非接触式电位器都能很好的升任。可以说，非接触式电位器的出现，使各种工业控制和生活、生产方面的控制调节得到了很大的改善，提高了生产和生活的水平。
1.3 设计任务
设计一电位器，要求实现“非接触式”调节。电位器在制作时应考虑实际操作环境，要便于购买材料和易于制作。

第二章 电位器的认识

2.1 传统电位器
电位器是一种可调的电子元件。大多数传统的电位器是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。它大多是用作分压器，这是电位器是一个四端元件。电位器基本上就是滑动变阻器，有几种样式，一般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节 电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。

传统的电位器在调节电位的时候，是通过触点在电阻体上的滑动实现的。这样的调节方式虽然简单，但是存在许多缺点。首先，触点的滑动会与电阻体（图中R）产生摩擦，如此长期下去，电位器的调节精确度必然会下降，从而影响了机器的正常运行。另一方面，由于触点和电阻体摩擦的缘故，会使电位器的寿命大大减小，影响了机器的使用周期。特别是在调节场合频繁的时候，剧烈的摩擦会严重降低调节的可靠性。由此可见，传统的电位器虽然可以实现电位的调节，但是本身存在的不足限制其使用的范围。为了克服传统电位器的种种缺点，非接触式电位器变应运而生了。

2.2 非接触式电位器
上一节简单介绍了传统电位器的结构，以及传统电位器的不足。为了克服传统电位器在调节过程中的摩擦所带来的不良后果，科学家们通过反复研究和实验，制作出了非接触式电位器。这种电位器和传统电位器最大的不同点在于，其调节端是“非接触”的，调节电位的时候，不会产生像传统电位器那样的摩擦，从而大大提高了电位器的调节精确度和使用寿命。
常见的非接触式电位器的调节端大部分是使用现代传感器，例如霍尔传感器、电涡流传感器、电感传感器等。这些传感器在调节时，通常是将一些非电量，如位移、倾角、压力等的变化转换为一定的信号，并通过这些信号的变化，控制输出端的信号输出。传感器的相关知识将在下章介绍。

第三章 传感器的电子学基础

根据传感器输入信号的不同，检测系统分为直流检测系统和交流检测系统两大类，如下图所示。

3.1 电桥
电桥主要用于把被测的非电量（或电量）转换成电阻、电感、电容的变化，再变成电流或电压的变化。电桥在测量系统中的使用十分广泛。根据供电电源的不同，电桥分为直流电桥和交流电桥。直流电桥主要用于应变式传感器，就聊电桥主要用来测电感和电容的变化，例如，用于电感式传感器和电容式传感器。
3.1.1 直流电桥
直流电桥原理电路如图3-1：

电桥输出电压为：

电桥平衡条件是=0，即
3.1.2 交流电桥
如图3-2，交流电桥的激励源为交流电源，四个桥臂上接的是阻抗元件。

用复阻抗Z代替电阻R，且输入电压和输出电压均用复数表示，即分别为和，则交流电桥的输出电压表达式与直流电桥相同，即

把各复阻抗用指数形式表示，即用表示，则交流电桥平衡课写成

根据复数相等条件，交流电桥平衡必须满足下面条件
①
②
由以上两式可知，交流电桥平衡有两个条件：相对两臂阻抗模乘积相等；两相对桥臂复阻抗角之和相等。两个平衡条件缺一不可，否则交流电桥永远不平衡。

3.2 电桥的电源
直流电桥使用的是直流电源，交流电桥使用的是交流电源。

3.2.1 直流电桥的电源
为了获得稳定的电桥驱动电源，减小电源变化对电桥工作的影响，一般采用恒压源或恒流源做直流电桥的电源。
1. 直流电桥的恒压电源
在直流电桥中，为了获得稳定的电桥驱动电压，常常采用单独的恒压源供电。常用的有以下几种：
（1） 集成电路稳压电源
（2） 可编程稳压电源
（3） 专用传感器电源模块2B35K
（4） 其他低成本电桥电源
2. 直流电桥的恒流源电源
在应变式、压阻式传感器测量电路中，为了减小环境温度和流过电桥臂上电阻电流变化产生的影响，要求流过的电流要稳定，以减小因电流变化产生的热量变化导致电阻值发生变化，给测量带来额外的误差。因此，要求电桥在恒流电源下工作。

3.2.2 交流电桥的电源
交流电桥的电源要求为纯净的正弦信号。获得稳定的交流电桥驱动电源的方法有多种。对于音频电桥，一般采用RC振荡器。只有在工频下工作的高压交流电源，才直接使用电网电压。对于有严格要求的交流电桥，目前常采用石英体振荡器，通过频率综合器或可编程分析器得到所需要的频率。随着集成电路的发展，已经出现了专用正弦信号发生集成电路，为用户获得所需频率的信号源提供了极大方便。随着专用集成电路和单片机应用技术的发展，可编程控制的多功能数字式正弦波发生器也得到了广泛使用。
交流电桥的电源在使用时应注意一下条件：
1. 有效频率范围
2. 频率稳定度
3. 幅值稳定度
4. 电源输出电压和输出功率

3.3 传感器信号的放大
传感器信号放大的目的是为了将微弱的传感器输出信号，放大到足以进行各种转换处理或推动各种执行控制机制。由于被测对象不同，传感器输出信号大小和波形不相同，传感器所处外界环境条件、各种噪声对传感器的影响也不一样，因此选择放大电路的形式和性能指标也不同。在一些场合下要求放大电路的增益能自动控制，在另一些场合需要对传感器的非线性进行线性化处理；有时候为了减少系统间的相互干扰，需要实行电器隔离，采用隔离放大器等。随着集成技术的发展，目前已广泛采用集成运算放大器组成各种类型放大电路，或采用专用的集成放大器。

第四章 作品设计

要实现电位器调节的“非接触式”，其调节端（控制端）可采用部分传感器，例如霍尔传感器、电涡流传感器、电感式传感器等。考虑到制作条件及制作环境的限制，本次设计采用的是差动变压器式传感器。该传感器属于电感式传感器的一种，其特点是
（1） 结构简单，工作可靠，输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，对工作环境要求不高
（2） 分辨率高：长度能分辨，测力时衔铁重力为，电磁吸力为；能感受的角位移
（3） 重复性好、线性好，稳定性好。
传感器部分的设计框图如下：

一.设计任务的设定
由于设计没有具体要求，所以一下设计数据为本人自己确定。其中设计中涉及到的相关数据按设定的来计算。
二.作品设计
1.参数设定
本设计的非接触式电位器的调节端为一差动变压器式传感器，设计要求的设定如下：
（1） 最大输入位移为0.8mm
（2） 灵敏度不小于20mV/um
（3） 非线性误差不大于1%
（4） 零位误差不大于10mV
（5） 电源选取36V，400Hz
2.设计步骤
下图为设计的系统框图：

1)选定差动变压器电感元件的结构，其形式如图4-1。

图4-1
铁芯和衔铁的工作数学模型为

式中 ——初、次级线圈匝数
——电源电压
——气隙
——气隙变化
2)确定制作材料
①铁芯和衔铁
选定Π形铁芯，材料为硅钢片。其结构尺寸如下图。

考虑到电源频率ƒ=400Hz，以及Π铁芯规格，选取叠片的厚度h=0.2mm，共20片。
②线圈材料
根据窗口面积应容纳线圈的原则，应有下面的式子成立

——填充系数，与导线的直径和工艺有关，一般。
——允许窗口面积
所以，导线选取直径d=0.06的高强度漆包线。如下图。

直径为0.06mm的高强度漆包线
3)确定初始间隙
有制作条件可知，由于要求非线性不大于1%，可选取，又因为，所以。

4)确定励磁电流
由于制作的是差动变压器式传感器，所以需要计算励磁电流。一般的，取电流密度，则励磁电流 。
5)确定线圈匝数
由图4-1可知，输出电压为

初、次级线圈之间的互感分别为
，
其中，为上、下铁芯的次级线圈的互感磁链；为上、下铁芯中有电流产生的磁通的幅值。
由此可得

因为铁芯磁阻（气隙磁阻），所以可忽略，同时还忽略漏磁通，则差动变压器的等效电路图如下。

有磁路原理可知
，
且
，
将以上四个式子带入电压输出等式，得

去掉高阶的，则有

灵敏度为

所以

为了简化制作，去。由前面参数可知，
，则匝。

6)确定线圈铜电阻
由电阻定律，有

其中，为每砸线圈的平均长度；为钢的电阻率；为线圈匝数。
已知 ，
代入上式，得

7)求线圈电感

8)求励磁电压

可取。

9)测量电路设计
上述设计的电感变化元件是将位移量转换为次级线圈的差动电动势输出，即

由以上设定的参数及计算可知，励磁电压，匝，
,。代入上式，得

可见，输出电压已经足够，故无需作变换。若要使输出信号范围扩大，可在输出端接上一放大器，课选取AD620，接法如下：

其中103可调电阻最大值为，该电阻可用来调节放大器的放大倍数，提高了非接触式电位器的输出范围。另外，AD620需要+5V、-5V的直流电源供电。

10)扩展提高
上述传感器的励磁电源是交流电压，由幅值和相位决定其大小，而位移既有大小也有方向，这样就存在一个问题：怎样使一个次级绕组输出的电动势既能反映位移大小，又能反映位移方向，同时又能消除零位误差。要解决这个问题，可在电路中加入以下两种测量电路：一种是差动相敏检波电路；一种是差动整流电路。由于两种电路都较为复杂，在这里就不做详细介绍了，有兴趣的话可以查阅相关资料。

11)实际作品
上述作品为本人理论上设计的。因为漆包线太细以及身边没有绕线机，在加上固定铁芯和衔铁的距离存在相当大的难度，这些都是不能用手工完成。由于是制作环境的限制，故实际作品和理论设计上存在差异。以下为实际作品原理图及电路。

结构原理图

电路图
该调节端为一差动电感传感器，理论上两电感应该相等。但由于是手工绕制，必然会存在误差。为了输出的准确性，电桥的两个电阻为103可调电阻，用于调整电路参数（即调零）。
线圈是用直径为1mm的漆包线绕制，磁芯为“E”形磁芯。

结 语

本次毕业设计令我受益匪浅。
首先，在设计过程中，我把以前从课本学到的相关知识用到了设计上，做到了学以致用。在设计过程中，我通过将几门不同科目的知识有机地结合起来，运用到设计上，这是以前从来没有的。
其次，由于毕业设计需要做出实物，这就很好地训练了我的动手操作能力。在遇到问题的时候，我会积极地向老师和同学提问，以及从网上和书上查找资料，从而解决问题。
最后，通过这次设计，令我知道了从事电子设计行业所要具备的基本要求：那就是要有创新的思维和勇于克服困难的决心。

参考文献
[1] 单成祥，牛彦文，张春.传感器设计基础[M].北京：国防工业出版社，2007.
[2] 蒋敦斌，李文英.非电量测量与传感器应用[M].北京：国防工业出版社，2005.
[3] 毛兴武，潘文正，张明伟，周建军.新型电子元器件及其应用技术[M]. 临沂:中国电力出版社，2010.
[4] 孙传友，翁惠辉.现代检测技术及仪表[M].北京：高等教育出版社，2006.
[5] 林涛.模拟电子技术基础[M].重庆：重庆大学出版社，2003.

后 记
大四学年的毕业设计，对本课题的研究，是一项新的开始，因为在此前的课堂上是未曾接触的。这对我来说，做好毕业设计是个不小的挑战。自身也不敢懈怠。
从三月份毕业设计开始到现在，起初熟悉毕业设计课题、搜集相关资料，了解本课题相关的知识；中期的理论计算分析，作品设计；以及最后的完善修正，撰写论文。通过持续将近三个月的毕业设计，我深知研究的严谨性和逻辑性，需保持一丝不苟的态度，脚踏实地完成毕业设计的每个环节。这对自身在今后的工作岗位上做好本职工作将有很大的帮助。

致 谢

在毕业设计期间，我得到了黄老师的悉心指导，对毕业设计过程中存在的一些纰漏给予指正，再次表示衷心的感谢!此外，在进行毕业设计的过程中，也得到了同学的帮助，再次也表示衷心的感谢!

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