哈工大測試大作業(yè)——傳感器綜合運(yùn)用——題目四

1、傳感器綜合運(yùn)用1、 設(shè)計題目如圖所示工件，在生產(chǎn)線的30°滑道上自上而下滑落，要求在滑動過程中檢測工件厚度，并且計數(shù)。圖中4mm尺寸公差帶為10。圖1.測量工件2、 厚度檢測傳感器的選擇電容傳感器是把被測的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器（見圖）。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為A/，式中為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積,為兩電極之間的距離。、A、 三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介

2、質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測定。與電阻式或電感式傳感器相比，電容傳感器具有四大優(yōu)點(diǎn):(l)分辨力高，常用于精密測量;(2)動態(tài)響應(yīng)速度快，可以直接用于某些生產(chǎn)線上的動態(tài)測量;(3)從信號源取得的能量少，有利于發(fā)揮其測量精度;(4)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。因此電容傳感器在精密測量中占有重要的地位。此外，電容器傳感器還具有結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)特性好和對高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)

3、性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，在本題中選擇電容傳感器作為厚度檢測傳感器。3、 電容傳感器的檢測原理電容式傳感器可分為面積變化型、極距變化型、介質(zhì)變化型三類，下面將分述其檢測原理。1、面積變化型電容傳感器這一類傳感器輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。測量裝置如圖2所示。圖2.變面積式電容傳感器其電容量計算公式為：式中 L外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度 外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓柱外半徑靈敏度2、極距變化型電容傳感器極距變化型電容傳感器一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化。測量裝置如圖3所示。圖3.變極距式電容傳感器示意圖及其特性曲線 其電容量計

4、算公式為：式中 S極板相對覆蓋面積； d 極板間的距離；0真空介電常數(shù)，0 =8.85×10-12F.m-1r 極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；介電常數(shù)， = 0 r 。靈敏度非線性誤差：3、介質(zhì)變化型電容傳感器這種傳感器由一對互相平行的金屬極板A、B組成，其相對面積為S，極板間隙為，兩極板間放置有厚度的金屬待測工件。測量裝置如圖4所示。圖4.變介電常數(shù)式電容傳感器其電容量計算公式為：式中 總的輸出電容量(F)； 以待測工件為介質(zhì)的電容量(F)； 以空氣為介質(zhì)的電容量(F);又，所以得到，式中:S極板相對面積;空氣介質(zhì)常數(shù)，;待測工件介質(zhì)介電常數(shù);兩極板間距；非金屬薄膜介質(zhì)的厚度。靈敏度，

5、可以看出dx/(a-dx)越大， er越小， 靈敏度越大，非線性越小。當(dāng)待測工件進(jìn)入電容兩極板后，改變了范圍內(nèi)的介電常數(shù)，從而改變了電容量。這樣電容量C與待測工件厚度形成了確定的關(guān)系，這就是變介電常數(shù)式電容傳感器測厚的基本原理。4、 電容傳感器的設(shè)計電容傳感器為兩圓柱形測量頭，以其兩個端面分別作為電容的一極，兩者之間形成電容C。若把它看作平行板電容器，則電容器兩極板之間的電力線明顯地要產(chǎn)生邊緣效應(yīng)。要使C 與間距之間的關(guān)系按無窮大平行板電容器來處理，傳感器結(jié)構(gòu)上需采取較為特殊的設(shè)計。即在測量頭外面加一測頭保護(hù)層，保護(hù)屏蔽層與測量頭之間電絕緣。傳感器采用4Cr13 制作，因4Cr13 的線膨脹系

6、數(shù)較低。絕緣層是聚四氟乙烯材料，它的絕緣強(qiáng)度非常高。保護(hù)層接電源地。接地后此保護(hù)層有利于克服測量頭與周圍導(dǎo)體的寄生電容的影響，防止外來信號的干擾。與傳感器連接的電纜線采用低噪聲的同軸屏蔽電纜。由于連接測量頭的電纜、屏蔽層與測量頭之間形成的電容很大，將把待測電容全部淹沒，無法將有用信號拾取出來，而電容傳感器的電容很小，又是高阻抗元件，所以測量頭屏蔽和傳輸電纜電容的影響問題是電容傳感器的技術(shù)關(guān)鍵，因此對傳感器需采取屏蔽、在測量線路的前置級需采取驅(qū)動電纜技術(shù)。5、 測量電路電容式傳感器的常用測量電路有變壓器電橋電路，差動脈沖調(diào)制電路，雙T橋電路，運(yùn)算放大器是電路，此外電容式傳感器的測量電路還有普通交

7、流電橋電路和緊耦合電感臂電橋電路等。由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)K非常大, 而且輸入阻抗Zi很高。運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以使其作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。此處選用該種測量電路。測量電路圖如圖5所示。圖5.電容式傳感器測量電路由運(yùn)算放大器工作原理可得式中： Cx為電容式傳感器是輸出信號電壓 C0為固定電容是交流電源電壓 如果傳感器是一只平板電容,則Cx=S/d , 代入上式, 有。此式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d呈線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，但要求Zi及K足夠大。為保證儀器精度, 還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。6、 測量方案簡

8、圖采取以上措施以后，再經(jīng)過傳感器線性校正以后，其測量誤差可以達(dá)到0.001，即測量4mm的工件最大測量誤差在45左右，滿足測量要求。測量方案簡圖如下：圖6.測量方案簡圖七、計數(shù)器的設(shè)計1、設(shè)計方案光電計數(shù)器采用光電傳感器構(gòu)成的光電門實(shí)現(xiàn)對通過光電門的物體進(jìn)行計數(shù)，是一種非接觸式計數(shù)，在部分場合有著其無比的優(yōu)越性，從而使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、實(shí)時監(jiān)測、自動化控制等領(lǐng)域。本設(shè)計為實(shí)現(xiàn)光電計數(shù)器的功能，采用模數(shù)結(jié)合的電路，以紅外對射光電傳感器為傳感器件。電路主要分為信號采集電路、兩位十進(jìn)制計數(shù)電路、 數(shù)碼顯示電路，分別實(shí)現(xiàn)對通過光電門的物體感應(yīng)、計數(shù)、顯示。為實(shí)現(xiàn)以上要求，本設(shè)計方案采用紅外發(fā)射管采

9、用直流供電，接收對管判斷是否有物體通過光電門，并且當(dāng)物體通過光電門時輸出一個高電平，觸發(fā)后面的加法計數(shù)器，使其加一，為簡單起見，計數(shù)器為一組BCD碼輸出，輸出由BCD-七段數(shù)碼管譯碼器譯碼，輸入至數(shù)碼管顯示。另此設(shè)計還有脈沖電路為紅外發(fā)光二極管供電，使其發(fā)射紅外脈沖，從而可以提高瞬時功率而使平均功率滿足正常工作要求，從而可以加大光電門的寬度，以通過較大的物體。脈沖發(fā)射電路中采用的振蕩器采用 555 構(gòu)成的多諧蕩器，其結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)試。2、 系統(tǒng)框圖 本設(shè)計采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖7.系統(tǒng)框圖由圖可見，系統(tǒng)可分為信號采集、計數(shù)、顯示功能塊。 3、單元電路設(shè)計 （1）信號采集電路設(shè)計 該電路主要

10、由脈沖（方波）發(fā)生電路，光電轉(zhuǎn)換電路，信號濾波比較電路組成。 脈沖發(fā)生電路為555構(gòu)成的多諧振蕩器，振蕩頻率大約為30KHz，555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個RS觸發(fā)器，一個放電管T及功率輸出級，它提供兩個基準(zhǔn)電壓，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號超過時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低時，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關(guān)管截止。RD是復(fù)位端，當(dāng)其為 0時，555輸出低電平。平時該端開路

11、或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時輸出2VCC作為比較器A1的參考電平，當(dāng)35腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01f的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。電路如下圖： 圖8.信號采集電路圖中增加了兩個導(dǎo)引二極管，使充放電的電流流過指定的電阻。（2）光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計光電轉(zhuǎn)換電路采用紅外發(fā)光二極管和光敏三極管作為光電轉(zhuǎn)換傳感器，采用典型電路，如下圖：圖9.光電轉(zhuǎn)換電路從 555 多諧振蕩器輸出的信號控制小功率三極管的導(dǎo)通與截止，

12、從而控制發(fā)光二極管發(fā)光與否。接收電路由光敏三極管上接電源并加一下拉電阻實(shí)現(xiàn)。發(fā)光二極管的正常工作壓降大約是1.2V，電流大約是20mA，從而可以估算出限流電阻大約是150，但是由于由脈沖信號控制，工作時間大約占20%，因此瞬時功率可以提高5倍，即限流電阻減小80%，大約是30。光敏三極管在無光照射下，電阻可達(dá)輸兆歐姆，有足夠的關(guān)照時，電阻降到幾千歐姆，因此其分壓電阻可以取幾十到幾百千歐，具體需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，這里采用了典型值33K。圖中節(jié)點(diǎn)3輸出含有直流分量的信號，其交流部分大致同步于前面脈沖輸出信號。（3）濾波電路設(shè)計光電轉(zhuǎn)換電路輸出信號在有、無物件遮擋住光線時，都輸出含有直流交流分量的信

13、號。因此通過濾波電路，可以將兩種信號轉(zhuǎn)換為不同電壓的直流信號，再通過一定閾值的比較器，可以將兩種信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路中的高低電平，從而控制后續(xù)電路。電路如下圖所示：圖10.濾波電路設(shè)計電路中，R5和C3構(gòu)成濾波電路，為了減小紋波，一般電阻、電容取得較大。但電容和電阻取得過大又會使的在兩種輸入信號切換時，電路反應(yīng)遲鈍，這里選用了一般值。比較電路采用LM258構(gòu)成，3腳輸入?yún)⒖茧妷?，即是閾值電壓?腳輸入待處理信號。閾值的選取需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，是電路能夠準(zhǔn)確的區(qū)分兩種不同的輸入信號電壓，因此采用一電位器從電源分壓獲得，其中電容C4為紋波濾除電容。 綜合上述三個單元電路，信號采集電路可以實(shí)現(xiàn)抗干擾，

14、防止背景光和瓶子抖動產(chǎn)生計數(shù)誤差， 電路情況為當(dāng)有物體通過時，遮擋住紅外光線，電路輸出高電平，平時輸出 低電平。（4）計數(shù)電路計數(shù)電路主要采用計數(shù)器統(tǒng)計信號采集電路輸出的脈沖個數(shù)，實(shí)現(xiàn)對物件計數(shù)的功能。為了使電路簡單化，在此選用74LS190為此電路的計數(shù)器。74LS190為可預(yù)置十進(jìn)制同步加減計數(shù)器，其預(yù)置是異步的，當(dāng)置入控制端 LD 為低電平時，不管時鐘端CP狀態(tài)如何，其計數(shù)是同步的，靠輸出端即預(yù)置成與數(shù)據(jù)輸入端相一致的狀態(tài)。CP同時加在四個觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)計數(shù)控制端CT為低電平時，在CP上升沿作用下同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當(dāng)計數(shù)方式控制U/D為低電平時進(jìn)行加計數(shù)；當(dāng)U/D為高電平時進(jìn)行減計數(shù)。只有在CP為高電平時CT和U/D才可以跳變。其有超前進(jìn)位功能，當(dāng)計數(shù)上溢或下溢時，進(jìn)位/借位輸出端CO/BO輸出一個寬度等于脈沖周期的高電平脈沖；行波時鐘輸出端RC輸出一個寬度等于CP低電平部分的低電