检测与控制期末作业.docx

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检测与控制期末作业

《自动检测与过程控制》期末作业

姓名王恒

班级信息082

学号200811513343

日期2011/6/2

一、题目

设计一个电感式接近开关的电路，当开关探头接近金属至一定距离时，开关可使一外部的直流负载通电工作，并在内部点亮一指示灯，探头离开一定距离后开关断开，且开、关的动作可靠，不能有抖动。

（注：

开关最大工作电压36V，最大工作电流30mA）

二、题目分析及设计思路介绍

电感式接近开关，由题目的意思可知在电路的设计中一定会用到电感元件。

这和我之前看过同学做的金属探测器要求差不多，所以也就有了一些简单的设计思路：

要利用电流流过电感产生的磁场来做文章，磁场会对一整块的金属产生影响，使其内部出现涡流，根据能量守恒原则，此时会消耗一部分电能产生的“磁场能”，这样的话，当剩下的“磁场能”再转化成“电能”的时候会出现衰减，就可以根据这个变化来检测金属，换句话来说，把这个“变化”通过其余电路的处理变成一个电信号，这个过程就是检测（可以理解成从外部提取信号，通过对信号进行处理之后，使其控制之后的电路）。

得到的信号就可以对电路的次要部分进行控制，也就是题目中要求的开关电路部分。

以上是对题目的整体分析和设想。

接下来就是对电路进行进一步的完善，对电路的具体要求做出“响应”。

“当开关探头接近金属至一定距离时，开关可使一外部的直流负载通电工作，并在内部点亮一指示灯，探头离开一定距离后开关断开，且开、关的动作可靠，不能有抖动”，根据这个部分的要求，开关的动作要可靠，不能有抖动出现，就是说金属接近检测装置的距离要比金属离开检测装置的距离要端短，这样就可以把开关的抖动消除，对这个技术的要求可以用现成的元件来做。

综上所述，可知电路的核心部分是检测金属的部分（感应部分），再者是把“变化”变换成电信号的部分，之后是放大及开关输出部分。

要注意的是开关的可靠性及开关不能有抖动。

检测金属的部分：

有电感三点式，电容三点式和变压器式，经过老师的知道和我的想法，我还是决定用电感三点式来做检测部分。

电感三点式的作用是产生高频磁场。

把“变化”转换成电信号：

通过两个耦合的电感来实现，L1产生的磁场被金属消耗一部分之后，对L2线圈产生的感应电势会比原先的小，这样，磁场的变化被转换成了电势的变化，表现在电路中的作用就是电流的大小发生对了变化。

放大及开关电路：

由我们最熟悉的三极管来做，通过三极管的接法可以达到电路对开关可靠性和消抖动的要求。

三、方案设计说明

1、检测部分选用“电感三点式”：

装换部分选用两个耦合电感（实际上在电感三点式中已经包含了这个部分）；放大部分：

晶体三极管（9014）；开关部分：

晶体三极管（9014）。

采用电感三点式的原因：

在画图的时候好看，表达的会准确一点，看上去容易研究，图纸也不复杂。

常用材料的衰减系数：

材料

衰减系数

钢

1

不锈钢

0.85

黄铜

0.3

铜

0.4

2、原理框图

3、原理框图各部分的原理介绍：

电感式接近开关由三大部分组成：

振荡器、放大输出电路、开关电路。

振荡器产生一个交变磁场。

当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。

振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的

四、单元电路设计说明

1、振荡器：

电感三点式

该单元电路中各个元件的参数设置及选取方法：

振荡管为晶体三极管，Rb1、Rb2（在实际的电路中会被电位器Rt替换）是他的偏置电阻，Re是他的负反馈电阻，Ce为他的交流旁路电容，C1为隔直耦合电容，L1、L2、C组成选频回路。

反馈信息从电感L2两端取出送入三极管的输入端，该振荡器又叫电感反馈式振荡器、。

取Rb1=4.7K，Rb2=0~10K电位器，Re的取值很难通过理论计算出来（但是他的阻抗和电感L2产生的感应电势要有一个对应的关系，也就是说该电阻的阻值要通过实验来定），Ce=C1=222µF，C=3~25pF可变电容，根据电路的起振条件FA≥1得到电感L1、L2的砸数比（A为放大倍数，F为反馈系数，反馈系数的改变可通过改变线圈抽头位置实现）晶体管9014。

振荡器的工作原理：

（由于我不太懂具体的细节，所以去网上查了很多资料，以下是我整理的，比较完整也比较容易懂，而且我添加了传感器的结构示意图）

传感器结构示意图

图1是电感三点式振荡电路,又称哈特莱振荡电路。

图中L1、L2、C组成谐振回路,L2兼作反馈网络,通过耦合电容C1将L2上反馈电压送到三极管的基极。

 由图2交流通路看出,谐振回路有三个端点与三极管的三个电极相连,而且与发射极相接的是L1、L2,与基极相接的是L2、C即满足"射同基反"的原则。

因此电路必然满足相位平衡条件。

    当回路的Q值较高时,该电路的振荡频率基本上等于LC路的谐振频率,即

式中L=L1＋L2＋2M为回路总电感。

    该电路的特点与变压器反馈式振荡电路极为相似。

须指出：

它的输出波形较差,这是由于反馈电压取自电感的两端,而电感对高次谐波的阻抗较大,不能将它短路,从而使Uf中含有较多的谐波分量,因此,输出波形中也就含有较多的高次谐波。

2、放大输出电路：

采用晶体三极管

该单元电路中各个元件的参数设置及选取方法：

R1=4.7K，R2=33K，C2=222µF，晶体管9014。

R2的作用是使三极管的基极处在零电位，而不是悬空，这样有利于提高电路的稳定性，所以可以取适当大一点。

C2是一个耦合电容，也可以适当的取大一点，有利于低频交流电通过。

晶体三极管9014

3开关电路：

采用晶体三极管电路

该单元电路中各个元件的参数设置及选取方法：

C4=104pF（滤波的作用，滤去高频干扰，适当取小），R4=1K（反馈电阻），R5=1K（限流电阻，同时因为有发光二极管与之串联，发光二极管工作的管压降是2V左右，所以取R5=1K左右就可以了），晶体三极管9014

五、完整电路原理分析

1、完整的电路原理图

2、分析阐述电路的工作原理

振荡器的工作原理在前面已经说过了。

信号（交流）从三极管Q1的集电极引出通过耦合电容C2与三极管Q2的基极相连，这样就实现了交流信号的放大（三极管的放大作用用数学式表达为βib=ic）。

三极管Q2导通时，三极管Q3不导通，Q3不导通时Q4导通，Q4导通时发光二极管点亮。

电路图中稳压二极管的稳压值是5.2v，以及和电容C3的作用都是保护左边电路，提高到电路的稳定性。

3、介绍电路中主要元器件的作用

这里主要讲一下振荡器部分的元件作用：

两个直接耦合的电感，L1作为产生振荡的电感（和电容C）而L2的作用是把变化的反馈通过耦合电感C1与Q1的基极连接起来。

电感所在的支路可以和地之间构成一个完整的回路，在回路中有电容（由于电感中电流一直变化使得电感产生的感应电动势也一直是变化的，所以会形成交流电，由于在回路中要阻碍直流而使交流通过，所以要加入电容），三极管的作用是使电路中的振动一直循环。

在理想状况下，一个充满电的电容和一个电感就可以构成一个循环的振荡，但是由于损耗的因素，使得理想状况不存在，所以加入一个三极管，从这个角度来说，三极管的作用是补充损耗掉的那部分能量，以达到循环振荡的目的。

六、使用说明

1、电路的主要性能和指标

电路的主要性能是检测金属物体（在可检测的有效范围内）

性能指标主要指的是有效范围有多大（比如说距离远一些仍然可以工作，说明这个电路的性能越好）

2、调试及使用方法（重点介绍传感器的标定方法）

调节电位器Rt可以改变金属接近的距离；调节可变电容器C可以改变电路的灵敏度