建筑大學畢業(yè)設計

1、本科畢業(yè)論文題 目：分體式傳感器實驗臺設計院 （部）：信息與電氣工程學院專 業(yè)：電氣工程及其自動化班 級：電本 064姓 名：*學 號：2006081#指導教師：羅#完成日期：201#年 6 月 15 日摘 要 .IIIFISSION TYPE SENSOR LABORATORY BENCH DESIGN.IVABSTRACT.IV 前 言1.1 分體式傳感器的特點及研究意義.11.2 國際傳感器的研究現(xiàn)狀.11.3 國內(nèi)傳感器的研究現(xiàn)狀.21.4 本文的主要研究內(nèi)容.3 各個傳感器的工作原理及選擇2.1 霍爾式傳感器的工作原理及選擇.42.1.1 工作原理.42.1.2 霍爾傳感器的檢測方法

2、.42.1.3 霍爾傳感器測量電路.52.2 光電式.92.2.1 光電傳感器原理.92.2.2 光電傳感器的分類.92.2.3 光電式傳感器轉(zhuǎn)換電路.102.3 電阻式傳感器的工作原理及選擇.112.3.1 電阻式傳感器工作原理.112.2.3 電阻式傳感器測量電路.122.4 電容式傳感器的工作原理及選擇.162.4.1 電容式傳感器的優(yōu)點.162.4.2 電容式傳感器的原理及應用.172.4.3 電容式傳感器的測量電路.222.5 電容式傳感器的工作原理及選擇.252.5.1 電容式傳感器的工作原理.252.5.2 電感式傳感器的特點及分類.252.5.3 電容式傳感器的測量電路.292

3、.6 溫度式傳感器的工作原理及選擇.302.6.1 溫度傳感器原理及應用.302.6.2 溫度傳感器測量電路.322.7 渦流式傳感器的工作原理及選擇.332.7.1 電渦流傳感器的基本原理.332.7.2 渦流式傳感器的特點.332.7.3 渦流式傳感器的測量電路.343 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源3.1 直流穩(wěn)壓電源的工作原理.353.2 本文所選的電源.363.2.1 電路工作原理.363.1.2 電源的電路圖.374 顯示部分4.1 LCD 顯示電路設計.384.1.1 顯示模塊.384.1.2 T6963C 控制器介紹.394.2 LCD 顯示電路方式比較.414.3 液晶顯示子程序.424.

4、4 液晶顯示方式.434.5 LCD 顯示框圖設計.446 結論 .46謝 辭 .47參考文獻 .48摘 要隨著我國工業(yè)生產(chǎn)自動化領域的擴大，自動檢測技術快速發(fā)展，各工科院校自動化類專業(yè)大都開設了自動檢測、傳感器技術類型的課程。由于缺乏良好的實驗設施，其教學質(zhì)量受到影響。為了加強實踐環(huán)節(jié)、培養(yǎng)學生的工程意識,設計適合工科大學實驗教學的傳感器實驗臺有重要意義。本文主要研究了分體傳感器實驗臺的設計。本課題是在以往有關傳感器方面研究課題的基礎上研究傳感器在工科大學（特別是建筑類專業(yè)）檢測實驗室中的應用。首先,本文提出了分體式傳感器實驗臺的概念,并對分體式傳感器實驗臺的特點，關鍵技術，發(fā)展歷史，研究方

5、向和應用前景做了介紹， 同時也對當前市面上傳感器實驗臺的情況做了分析，提出制作針對工科大學實驗的實驗臺的必要性。其次,對分體式傳感器實驗臺做了深入的剖析,主要從以下兩個方面進行研究一是分體式傳感器實驗臺中的傳感器原理,二是分布體傳感器實驗臺的主要部件的選擇。該傳感器實驗臺可廣泛應用于工科大學實驗教學中，具有廣泛的應用背景和市場發(fā)展空間。關鍵詞：傳感器；轉(zhuǎn)換電路；穩(wěn)壓電源；顯示系統(tǒng) Fission type sensor laboratory bench design ABSTRACTAlong with the expansion of the field of industrial auto

6、mation, automatic detection of the rapid development of technology, the majority of engineering colleges to open a specialty automation automatic detection, sensor technology, types of courses. Lack of good experimental facilities, the quality of teaching affected. In order to strengthen the practic

7、e, awareness of engineering students to design experiments for the teaching of engineering university of significance Sensor Experiment.This article has mainly studied the fission sensor laboratory bench design. This topic was studied the sensor in formerly in the related sensor aspect research subj

8、ect foundation (specially was building class specialty) examines in the laboratory in the College of engineering the application. First, this article proposed the fission type sensor laboratory benchs concept, and halves the writing style sensor laboratory bench the characteristic, the key technolog

9、ies, the historical development, the research direction and the application prospect did said that simultaneously the sensor laboratory benchs situation has also made the analysis to the current market condition, proposed that manufacture laboratory bench necessity which tested in view of the Colleg

10、e of engineering. Next, the half writing style sensor laboratory bench has made the thorough analysis, mainly carries on from the following two aspects studies one is in the fission type sensor laboratory bench sensor principle; second, distributed body sensor laboratory bench major components choic

11、e. This sensor laboratory bench may widely apply in the College of engineering tests in the teaching, has the widespread application background and market development space.Key Words: Sensor；Switching circuit；Voltage-stabilized source；Display system；experimental research Key Words: sensor; switching

12、 circuit; voltage-stabilized source; display system前前 言言1.1 分體式傳感器的特點及研究意義 在基礎學科研究中，傳感器具有突出的地位。現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，進入了許多新領域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到nm 的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到s 的瞬間反應。此外，還出現(xiàn)了對深化物質(zhì)認識、開拓 新能源 、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的1。作為現(xiàn)代工科大學實驗教

13、學的重要組成部分，傳感器實驗具有重要地位。本次畢業(yè)設計針對大學教學實驗要求，以更好的幫助學生理解傳感器原理，掌握其使用方法為目的設計實驗臺。該設計中大部分是工業(yè)結構，便于學生加強對書本知識的理解，并在實驗過程中，通過信號的拾取，轉(zhuǎn)換，分析，培養(yǎng)學生作為一個科技工作者具有的基本操作技能與動手能力。由于電路板采用模塊結構，可以靈活組合，以便于各學校根據(jù)基本原理配置開出極多的實驗，因此我的設計方案采用分體式實驗臺。1.2 國際傳感器的研究現(xiàn)狀傳感器是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，是現(xiàn)代科技的開路先鋒，美國早在 80 年代就聲稱世界已進入傳感器時代，日本則把傳感器技術列為十大技術之創(chuàng)立。日本工商

14、界人士聲稱“支配了傳感器技術就能夠支配新時代”。世界技術發(fā)達國家對開發(fā)傳感器技術部十分重視。美、日、英、法、德和俄羅斯等國都把傳感器技術列為國家重點開發(fā)關鍵技術之一。美國國家長期安全和經(jīng)濟繁榮至關重要的 22 項技術的關鍵技術，其中項為無源傳感器。美國空軍 2000 年舉出 15 項有助于提高 21 世紀空軍能力關鍵技術，傳感器技術名列第二。日本對開發(fā)和利用傳感器技術相當重視并列為國家重點發(fā)展大核心技術之一。日本科學技術廳制定的上世紀 90 年代重點科研項目中有 70個重點課題，其中有 18 項是與傳感器技術密切相關。美國早在上世紀 80 年代初就成立1 何希才，薛永毅：傳感器及其應用實例,機

15、械工業(yè)出版社,第8頁。了國家技術小組（BTG），幫助政府組織和領導各大公司與國家企事業(yè)部門的傳感器技術開發(fā)工作。 傳感器技術是一項當今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高新技術之一，也是當代科學技術發(fā)展的一個重要標志，它與通信技術、計算機技術構成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱之一。如果說計算機是人類大腦的擴展，那么傳感器就是人類五官的延伸，當集成電路、計算機技術飛速發(fā)展時，人們才逐步認識信息攝取裝置傳感器沒有跟上信息技術的發(fā)展而驚呼“大腦發(fā)達、五官不靈”。傳感器開始受到普遍重視，從八十年代起，逐步在世界范圍內(nèi)掀起了一股“傳感器熱”。美國國防部將傳感器技術視為今年 20 項關鍵技術之一，日本把傳感器技術與計算機、

16、通信、激光半導體、超導并列為大核心枝術，德國視軍用傳感器為優(yōu)先發(fā)展技術，英、法等國對傳感器的開發(fā)投資逐年升級，原蘇聯(lián)軍事航天計劃中的第五條列有傳感器技術。正是由于世界各國普遍重視和投入開發(fā)，傳感器發(fā)展十分迅速， 1.3 國內(nèi)傳感器的研究現(xiàn)狀 在我國近 20 年來，傳感器雖然有了較快的發(fā)展，有不少傳感器走上市場，但大多數(shù)只能用于測量常用的參數(shù)、常用的量程、中等的精度，遠遠滿足不了我國四個現(xiàn)代化建設的要求。而與國際水平相比，我國的傳感器不論在品種、數(shù)量、質(zhì)量等方面，都有較大的差距。為此，努力開發(fā)各種新型傳感器，以滿足我國四化建設的需要，是擺在我國科技工作者面前的緊迫任務。 通過攻關，在技術上有所創(chuàng)

17、新，取得一批具有自主知識產(chǎn)權的科技成果，主要是： (1)復旦大學發(fā)明的掩膜-無掩膜腐蝕工藝為國際首創(chuàng)。不僅在實驗上取得凸角處出現(xiàn)311面的基本規(guī)律，理論上也推導出新的底面條件和新生底面深度和位置的公式，開創(chuàng)了用腐蝕技術制造微結構的新工藝。利用 KOH 腐蝕液對于不同晶面腐蝕速率的差異，在理論和工藝上解決了采用一次掩膜技術形成三維多層微機械結構的工藝，多層結構層差控制精度在 4m 以內(nèi)，轉(zhuǎn)移平面的平整度優(yōu)于 1tm，受理一項發(fā)明專利。(2)清華大學研制成功一種基于石英諧振器應變敏感效應的數(shù)字式力與稱重傳感器。研究了敏感元件的力敏特性、諧振器的能陷效應與諧振頻率、諧波次數(shù)和結構的關系，保證了良好的

18、頻率穩(wěn)定性。研制了專用膠粘劑，解決了影響傳感器蠕變和滯后性能的關鍵工藝，提高了傳感器性能指標及合格率。在國內(nèi)外首創(chuàng)開發(fā)了系列化的下游應用產(chǎn)品各類石英電子衡器。取得 6 項實用新型專利、一項發(fā)明專利，受理 4 項發(fā)明專利。(3)哈爾濱理工大學研制成功了新型本征半導電高分子壓力溫度雙參數(shù)傳感器，首次合成聚省醌自由基高聚物，這是一種壓敏系數(shù)和溫度系數(shù)極高的高分子材料，過材料表面處理等技術制成傳感器，解決了油井高溫潛油泵的溫度和壓力測量的難題。經(jīng)過檢索表明，新型本征高分子壓力溫度雙參數(shù)傳感器為國際首創(chuàng)，已經(jīng)受理一項發(fā)明專利。 (4)沈陽儀器儀表工藝研究所在國內(nèi)首次解決了擴散硅力敏芯片溫度靈敏度自補償工

19、藝。通過調(diào)整平面工藝的摻雜工藝參數(shù)，實現(xiàn)了在-30-80C 的全溫區(qū)內(nèi)，力敏芯片的靈敏度溫度漂移控制在 5o 之內(nèi)，實現(xiàn)了擴散硅力敏芯片的靈敏度溫度自補償。 (5) 九純健科技在國內(nèi)首次通過離心表面涂膜及特殊老化工藝，采用多片濕敏元件組合方式，以及溫度自動補償方式，成功解決了濕度測量領域的高溫濕度無法測量，全量程敏感元件不線性，溫度對濕度測量精度的影響等問題。實現(xiàn)了 120以內(nèi)環(huán)境濕度的直接測量，200-600 度環(huán)境濕度的間接測量。由于采用了溫度自動補償工藝，在測量環(huán)境溫度發(fā)生大的變化時，對濕度傳感器的測量精度不會造成影響。可在 120 度以內(nèi)保證濕度測量 2%RH 精度。同時采用濕敏元件多

20、片組合線化方案。成功解決了單片濕敏元件測量濕度時低濕和高濕部分的不線性問題。 1.4 本文的主要研究內(nèi)容1) 篩選各種實驗室用傳感器，用作本試驗臺傳感器的原始傳感器。2) 根據(jù)所選原始傳感器,計算和設計本試驗臺用傳感器的各參量。適當畫出各傳感器的機械結構圖等。3) 設計傳感器轉(zhuǎn)換電路,根據(jù)各傳感器的要求,設計及計算相應的轉(zhuǎn)換電路畫出工作原理圖。要求各印刷電路版尺寸和形狀一致，以便于實驗者使用和實驗室管理。4) 根據(jù)所選傳感器的電源需要，計算和設計試驗臺內(nèi)置直流電源，輸入為 AC 220V，輸出為 DC5V，15V，用 Protel99 等軟件畫出工作原理圖。5) 設計并畫出通用傳感器支架圖。6

21、) 列出電子及電氣元器件采購來源及價格表 Part List。 各個傳感器的工作原理及選擇各個傳感器的工作原理及選擇2.1 霍爾式傳感器的工作原理及選擇2.1.1 工作原理當導電體流過電流，若電流垂直于磁場，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)電壓現(xiàn)象稱為霍爾效應。利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾元件，它由霍爾片、四根引線和殼體組成，是一種基于霍爾效應的磁傳感器，得到廣泛的應用,可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用2?；魻柤呻娐肪哂畜w積小、靈敏度高、輸出幅度大、溫漂小、對電源穩(wěn)定性要求低等優(yōu)點，廣泛應用于復印機電機轉(zhuǎn)速檢測、智能電動車測速和錄放像機磁帶控制、數(shù)控車床及電子開關等

22、電路中。利用集成電路工藝將霍爾元件與測量電路集成在一起制成的器件，稱為集成霍爾傳感器。集成霍爾傳感器可分為線性型和開關型兩大類。開關型霍爾傳感器將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC 門等電路做在同一個芯片上，如圖1所示。當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新回到高阻態(tài)，輸出高電平。這類器件中較典型的有KMI15-1、UGN3020等，廣泛應用于數(shù)控車床及電子開關等電路中。 線性型霍爾傳感器將霍爾元件和恒流源、線性放大器等做在一個芯上。其輸出特性是線性變化的。由于其輸出電壓較高、使用非常方便，因而得到廣泛的

23、應用。較典型的線性霍爾器件如UGN3501等。2.1.22.1.2霍爾傳感器的檢測方法霍爾傳感器的檢測方法1) 開關型霍爾傳感器的檢測開關型霍爾傳感器的測試方法如下：首先，找一只2k歐姆的電阻RL接于 、 腳之間，并將12V直流電源的正極接于開關型霍爾傳感器的 腳、負極接于開關型霍爾傳2 郭愛芳 :傳感器原理及應用, 西安電子科技大學出版社,第 126 頁。 感器的腳(如圖1.1所示)。將萬用表置于直流50V擋，紅表筆接 腳、黑表筆接 腳， 觀察萬用表的指針變化 。當用磁鐵N極接近傳感器的測試點時， 萬用表的指針由高電平端向低電平端偏轉(zhuǎn)； 當磁鐵N極遠離傳感器的測試點時，萬用表指針由低電平端向

24、高電平端偏轉(zhuǎn)。如果磁鐵N 極接近或遠離傳感器的測試點時萬用表的指針均不偏轉(zhuǎn)，則說明該開關型霍爾傳感器已損壞，應及時更換。2) 線性型霍爾傳感器的檢測線性型霍爾傳感器測試方法如下：首先，將圖1a中電阻RL換接于 、 腳之間，并將12V直流電源的正極接于線性型霍爾傳感器的腳、負極接于線性型霍爾傳感器的腳。將萬用表置于直流50V擋，萬用表的紅表捧接腳、黑表棒接腳。觀察萬用表的指針變化，當用磁鐵N 極逐漸接近傳感器的測試點時，萬用表所測電壓應成線性變化，否則，說明該線性型霍爾傳感器已損壞，應及時更換。 圖 1.1 開關型霍爾傳感器原理圖 圖 1.2 開關型霍爾傳感器輸出特性圖2.1.3 霍爾傳感器測量

25、電路電路圖如圖 1.3 所示圖 1.3 霍爾傳感器測量電路電路所選元件簡介1）KMI15圖 1.4 KMI15-1 芯片外觀 a)KMI15-1 型傳感器的性能特點3 KMI15-1 芯片內(nèi)含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和 IC。它利用 IC 來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比，電流信號的變化幅度為7mA14mA。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉(zhuǎn)速。KMI15-1 器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉(zhuǎn)動頻率范圍是 025mHz，而且即使在轉(zhuǎn)動頻率接近于零時，它也能夠進行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應距離為2.9（典型值） ，由于與齒輪相距較遠，因此使用比

26、較安全。此外該傳感器抗干擾能力強，同時具有方向性，它對軸向振動不敏感。另外，芯片內(nèi)部還有電磁干擾（EM1）濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。KMI15-1 的體積較小，能可靠固定在齒輪附近。KMI15-1 采用12電源供電（典型值） ，最高不超過 16V，工作溫度范圍寬達4085。b) 工作原理KMI15-1 型集成轉(zhuǎn)速傳感器的外形如圖 1.4 所示，它的兩個引腳分別為 UCC（接12V 電源端）和 U（方波電流信號輸出端） 。為使 IC 處于較低的環(huán)境溫度中，設計時專門將 IC 與傳感元件分開，以改善傳感器的高溫工作性能。2） LM393圖 1.5 LM3

27、93 外觀LM393 是雙電壓比較器集成電路。該電路的特點如下：工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：236V，雙電源:118V；消耗電流小，3 王力:中國電子器件手冊,成都科技大學出版社 2004 年版，第 147 頁。+-12348765+VCC-VCCIcc=0.8mA；lm393 是什么輸入失調(diào)電壓小，VIO=2mV；ab126 計算公式大全共模輸入電壓范圍寬，Vic=0Vcc-1.5V；輸出與 TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或”門；采用雙列直插 8 引腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列 8 腳塑料封裝（SOP8） 圖. LM393

28、內(nèi)部結構圖表 2.1 主要參數(shù)表參數(shù)名稱符號數(shù)值單位電源電壓VCC 18 或 36 V 差模輸入電壓VID 36 V 共模輸入電壓VI -0.3VCC V 功耗Pd 570 mW 工作環(huán)境溫度Topr 0 to +70 貯存溫度Tstg -65 to 150 表 2.2 電特性參數(shù)名稱符號測試條件最小典型最大單位輸入失調(diào)電壓VIO VCM=0 to VCC-1.5 -1.0 5.0 mV VO(P)=1.4V, Rs=0 輸入失調(diào)電流IIO -5 50 nA 輸入偏置電流Ib-65 250 nA 共模輸入電壓VIC -0 -VCC-1.5 V RL=-0.6 1.0 mA 靜態(tài)電流ICCQ R

29、L=,Vcc=30V-0.8 2.5 mA 電壓增益AV VCC=15V, RL15k-200 -V/mV 灌電流lsink Vi(-)1V, Vi(+)=0V, Vo(p)1.5V 6 16 -mA 輸出漏電流IOLE Vi(-)=0V, Vi(+)=1V, VO=5V-0.1 -nA 應用說明: LM393 是高增益,寬頻帶器件,象大多數(shù)比較器一樣,如果輸出端到輸入端有寄生電容而產(chǎn)生耦合,則很容易產(chǎn)生振蕩。這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在當比較器改變狀態(tài)時,輸出電壓過渡的間隙。電源加旁路濾波并不能解決這個問題,標準 PC 板的設計對減小輸入輸出寄生電容耦合是有助的。減小輸入電阻至小于 10K 將減小反饋

30、信號,而且增加甚至很小的正反饋量(滯回 1.010mV)能導致快速轉(zhuǎn)換,使得不可能產(chǎn)生由于寄生電容引起的振蕩。除非利用滯后,否則直接插入 IC 并在引腳上加上電阻將引起輸入輸出在很短的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)振蕩,如果輸入信號是脈沖波形,并且上升和下降時間相當快,則滯回將不需要。比較器的所有沒有用的引腳必須接地。 LM393 偏置網(wǎng)絡確立了其靜態(tài)電流與電源電壓范圍 2.030V 無關。通常電源不需要加旁路電容。差分輸入電壓可以大于 Vcc 并不損壞器件。保護部分必須能阻止輸入電壓向負端超過-0.3V。表 2.2 LM393 引腳功能排列表 LM393 的輸出部分是集電極開路,發(fā)射極接地的 NPN 輸出晶體管

31、,可以用多集電極輸出提供或 OR ing 功能。輸出負載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上,不受 Vcc 端電壓值的限制。此輸出能作為一個簡單的對地 SPS 開路(當不用負載電阻沒被運用),輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動和器件的 值所限制。當達到極限電流(16mA)時,輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升。輸出飽和電壓被輸出晶體管大約 60ohm 的 SAT 限制。當負載電流很小時,輸出晶體管的低失調(diào)電壓(約1.0mV)允許輸出箝位在零電平。2.2 光電式2.2.1 光電傳感器原理 光電傳感器通常是指能將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光學量的變化，再通過光電元件把光學量的變化轉(zhuǎn)換成電信號

32、的裝置。光電式傳感器的工作原理如圖 1.7 所示： 輻射源光學通路光學器件輸出被測量被測量圖 1.7 光電式傳感器的工作原理示意圖引出端序號功能符號引出端序號功能符號1 輸出端 1 OUT1 5 正向輸入端 2 1N+(2) 2 反向輸入端 1 1N-(1) 6 反向輸入 21N-(2) 3 正向輸入端 1 1N+(1) 7 輸出端 2 OUT2 4 地GND 8 電源VCC 2.2.2 光電傳感器的分類按光電元件輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關系4。模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)

33、方法可分為透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻檔)三大類。（1）透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上，因此又稱之為吸收式。（2） 漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上。（3）遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮擋其中一部分，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關。2.2.3 光電式傳感器轉(zhuǎn)換電路光電式傳感器轉(zhuǎn)換電路示意圖如圖.所示：圖.光電式傳感器轉(zhuǎn)換電路圖示意圖電路所選元件簡介：4 徐科軍：傳感器與檢測技術，電子工業(yè)出版社，第 143 頁。LM324 系列

34、運算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪?，電壓范圍是 3.0V-32V 或+16V。 LM324 的特點：1.短跑保護輸出 2.真差動輸入級 3.可單電源工作：3V-32V4.低偏置電流：最大 100nA（LM324A）5.每封裝含四個運算放大器。6.具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋?.共模范圍擴展到負電源 8.行業(yè)標準的引腳排列 9.輸入端具有靜電保護功能圖.LM324 引腳圖2.3電阻式傳感器的工作原理及選擇2.3.1 電阻式傳感器工作原理圖.電阻式傳感器工作原理示意圖 電阻式傳感器是把位移、力、壓力、加速度、扭矩等非電物理量轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。它主要包括電阻應變式傳

35、感器、電位器式傳感器和錳銅壓阻傳感器等。電阻式傳感器與相應的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、加速度、扭矩等測量儀表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學和國防等部門進行自動稱重、過程檢測和實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化不可缺少的工具之一5。以典型的固態(tài)壓阻式壓力傳感器為例，硅單晶材料在受到外力作用產(chǎn)生極微小應變時，其內(nèi)部原子結構的電子能級狀態(tài)會發(fā)生變化，從而導致其電阻率劇烈變化。用此材料制成的電阻也就出現(xiàn)極大變化，這種物理效應稱為壓阻效應。利用壓阻效應原理，采用集成工藝技術經(jīng)過摻雜、擴散制成應變電阻，構成惠斯登電橋(Wheatstone bridge)，利用硅材料的彈性力學特性，在同一片硅材料上

36、進行各向異性微加工，就制成了一個集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體的擴散硅傳感器。 2.2.3 電阻式傳感器測量電路一般地，被測量是非常微弱的，必須用專門的電路來測量這種微弱的變化，最常用的電路就是各種電橋電路，主要有直流和交流電橋電路。一、直流測量電橋分析 如圖 1.11 所示為最常用的電阻電橋，有四個電阻組成橋臂，一個對角接電源，另一個作為輸出。 1、橋路形式 如圖所示，電橋各臂的電阻分別為 R1、R2、R3、R4，U 為電橋的直流電源電壓。當四臂電阻 R1=R2=R3=R4=R 時，稱為等臂電橋；當 R1=R2=R,R3=R4=RR 時，稱為輸出對稱電橋；當 R1=R4=R，R2= R3=RR

37、時，稱為電源對稱電橋。5 楊幫文：最新傳感器實用手冊，人民郵電出版社 第 98 頁。 圖 1. 電橋電路 圖 1. 電流輸出型 2、工作方式 單臂工作：電橋中只有一個臂接入被測量，其它三個臂采用固定電阻；雙臂工作：如果電橋兩個臂接入被測量，另兩個為固定電阻就稱為雙臂工作電橋，又稱為半橋形式；全橋方式：如果四個橋臂都接入被測量則稱為全橋形式。 3、輸出方式電橋的輸出方式有電流型和電壓型兩種，主要根據(jù)負載情況而定。 1）電流輸出型 當電橋的輸出信號較大，輸出端又接入電阻值較小的負載如檢流計或光線示波器進行測量時，電橋?qū)⒁噪娏餍问捷敵?，如圖 1.11 所示，負載電阻為 Rg 由圖中可以得 212CA

38、RUURR334CBRUURR 所以電橋輸出端的開路電壓 UAB 為 (1-4-1)13241234()()ABCBCAR RR RUUURRRR 應用有源端口網(wǎng)絡定理，電流輸出電橋可以簡化成圖 1.12 所示的電路。圖中 E相當于電橋輸出端開路電壓，R為網(wǎng)絡的入端電阻ABU (1-4-2)34121234R RR RRRRRR 由圖 1.12 可以知道，流過負載 Rg 的電流為 (1-4-3)1324123412343412()()()()ABgggR RR RUIURRRRRRRR R RRR R RR 當 Ig =0 時，電橋平衡，故電橋平衡條件為。1324R RR R 當電橋負載電阻

39、Rg 等于電橋輸出電阻時，即阻抗匹配時，有 34121234gR RR RRRRRRR 這時電橋輸出功率最大，電橋輸出電流為： (1-4-4)1324123434122()()gR RR RUIR R RRR R RR 輸出電壓為： (1-4-5)132434122 ()()gggR RR RUUI RRRRR 當橋臂 R1 為與被測量有關的可變電阻，且有電阻增量 R 時，略去分母中的R 項則對于輸出對稱電橋, 1234RRRRR 1()4gURIRRR 對于電源對稱電橋， 14RRR23RRRR 1()4gURIRRR 對于等臂電橋，1234RRRRR ()8gURIR 由以上結果可以看出，

40、三種形式的電橋，當 RR 時，其輸出電流都與應變片的電阻變化率即應變成正比，它們之間呈線性關系。）電壓輸出型當電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認為電橋的負載電阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達式為 (1-4-6)132403412()()R RR RUURRRR 設電橋為單臂工作狀態(tài)，即為應變片，其余橋臂均為固定電阻。當感受被測1R1R量產(chǎn)生電阻增量 時，由初始平衡條件=得，代入式（1-4-6） ，1R1R3R2R4R1423RRRR則電橋由于 產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為1R (1-4-7) 對于輸出對稱電橋，此時當臂的電阻

41、產(chǎn)生變化 =R，1234RRRRR1R1R根據(jù)（1-4-7）可得到輸出電壓為 (1-4-8) 對于電源對稱電橋，當臂產(chǎn)生電阻增量 =R14RRR23RRRR1R1R時，由式（1-4-7）得 (1-4-9) 對于等臂電橋當 R1 的電阻增量 =R 時，由式（1-4-7）1234RRRRR1R可得輸出電壓為 (1-4-10) 由上面三種結果可以看出，當橋臂應變片的電阻發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓也隨著變化。當 RR 時，電橋的輸出電壓與應變成線性關系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對稱電橋的輸出電壓要比電源對稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電

42、橋或輸出對稱電橋在實際使用中為了進一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個被測信號接成兩個差動對稱的全橋工作形式，如圖 1.13 所示。由圖 1.14 可見=R+R, =R-R, =R+R, =R-R ，將上述條件代入式1R2R3R4R(1-4-6)得 (1-4-11)由式(1-4-11)看出，由于充分利用了雙差動作用，它的輸出電壓為單臂工作時的4 倍，所以大大提高了測量的靈敏度。 圖 1.等臂電橋全橋工作方式 圖 1.4 交流電橋圖.惠斯登電橋 2.4 電容式傳感器的工作原理及選擇2.4.1 電容式傳感器的優(yōu)點 從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進

43、行放大和處理。力學量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的相互關系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學量變化相當緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現(xiàn)高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達到 15 m 數(shù)量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為 0.01 m，比前者提高了兩個數(shù)量級，最大量程為 1005 m，因此它在精密小位移測量中受到青睞。 對于上述這些力學量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采

44、用電容式傳感器進行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點：(1)測量范圍大其相對變化率可超過 100%；(2)靈敏度高如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達 10-7數(shù)量級；(3)動態(tài)響應快因其可動質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態(tài)測量，也可靜態(tài)測量；(4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強磁場、強幅射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。2.4.2 電容式傳感器的原理及應用 電容傳感器的工作原理是利用力學量變化使電容器中其中的一個參數(shù)發(fā)生變化的方法來實現(xiàn)信號變換的。根據(jù)改變電容器的參數(shù)不同，電容

45、傳感器可有 3 類：）改變極板遮蓋面積的電容傳感器圖 1.16是 3 種這類傳感器的原理圖，(a)中是利用角位移來改變電容器極板遮蓋面積。假定當 2 塊極板完全遮蓋時的面積為 S0，兩極板間的距離為 d，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為 。當忽略邊緣效應時，該電容器的電容量為：ooSCd 如果其中一塊板極相對另一極板轉(zhuǎn)過 角，則極板間的相互遮蓋面積為：1000 (1)SSSS因而電容量也就變化了，其值為：000(1)SSCCCdd這樣電容器的電容變化量為： （1）00CCCC 可見，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來測量角位移。 (b)中是利用線位移來改變電容器極板的遮蓋面積的。如果初始狀態(tài)極板全

46、部遮蓋，則遮蓋面積 S0ab，當 2 塊極板相對位移 x 時，則極板的遮蓋面積變?yōu)?S1=b(a-x)。在介電常數(shù)和極板距離不變時，電容量分別為：0abCd00()b axxCCCda電容的變化量為： （2）00CCCC 可見，此電容量的變化值和線位移 x 成正比，用他來測量各類線位移。 (c)所示電容變換器是(b)所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電極的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸齒數(shù)為 n，尺寸如(b)所示不變，當運動齒相對于固定齒移動一個位移 x 時，則可得： （3）0 xCnCa 比較式（2）和式（3）可見，靈敏度提高了 n 倍。圖 1.16 改變極板遮蓋面積的電容傳感器示意圖b）改

47、變介質(zhì)介電常數(shù)的電容傳感器圖 1.17 是 2 種改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容式傳感器的原理圖。(a)常用來檢測液位的高度，(b)常用來檢測片狀材料的厚度和介電常數(shù)。圖 1.17 改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容傳感器示意圖 (a)中由圓筒 1 和圓柱 2 構成電容器兩極，假定部分浸入被測量液體中（液體應不能導電，若能導電，則電極需作絕緣處理） 。這樣，極板間的介質(zhì)由 2 部分組成：空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，由此而形成的電容式料位傳感器，由于液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化，從而導致電容器的電容 C 也發(fā)生變化。這種方法測量的精度很高，且不受周圍環(huán)境的影響?？傠娙?C 由液體介質(zhì)部分電容 C1和空氣介質(zhì)部分電容 C2兩部分組

48、成： 112ln/xCR r 222 ()ln/x hxCR r所以總電容量 C 為：1212112222 ()ln/ln/22 ()ln/ln/xx hxCCCR rR rhxR rR r 式中：h-電容器的總高度； x 電容器浸入液體中的深度； R 同心圓電極的外半徑； r 同心圓電極的內(nèi)半徑； 1 被測液體的介電常數(shù)； 2 空氣的介電常數(shù)。當容器的尺寸和被測介質(zhì)確定后，則 h，R，r，1和 2均為常數(shù)，令：， 102ln/haR r 12202 ()ln/xbR r 則有： （4）00Cab x這說明，電容量 C 的大小與電容器浸入液體的深度 x 成正比。 (b)是在一個固定電容器的極板

49、之間放入被測片狀材料，則他的電容量為： （5）312123SCddd式中：S 電容器的遮蓋面積； d1 被測物體上側至電極之間的距離； d2 被測物體的厚度； d3 被測物體下側至電極之間的距離； 1 被測物體上側至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)； 2 被測物體的介電常數(shù)； 3 被測物體下側至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)。由于 d1+d3=d-d2，且當 13時，式（5）還可寫為： （6）2212SCddd式中 d 兩極板之間的距離。顯然，在電容器極板的遮蓋面積 S，兩極板之間的距離 d，被測物體上下側至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù) 1 和 3 確定時，電容量的大小就和被測材料的厚度 d2 及介電常數(shù) 2 有關。

50、如被測材料介電常數(shù) 2 已知，就可以測量等厚教材料的厚度 d2；或者被測材料的厚度 d2 已知，就可測量其介電常數(shù) 2。這就是電容式測厚儀和電容式介電常數(shù)測量儀的工作原理。c)改變極板間距離的電容傳感器圖 1.18 是這類傳感器的原理圖，由 2 塊極板構成，其中極板 2 為固定極板，極板1 為與被測物體相連的活動極板，可上下移動。當極板間的遮蓋面積為 S，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為 ，初始極板間距為 d0 時，則初始電容 C0 為：00SCd圖 1.18 改變極板間距離的電容傳感器示意圖當活動極板 1 在被測物體的作用下向固定極板 2 位移 d 時，此時電容 C 為：000001(1)1SSCCd

51、dddddd電容的變化量為：0000100011(1)CCCCCddddCdd當電容器的活動極板 1 移動極小時，即 dd0 時，上式按泰勒級數(shù)展開為： 23000001()()ddddCCdddd電容器電容變化量與位移之間表現(xiàn)為非線性關系，只有當 1 時，d0dd可去除高次項得： （7）00dCCd這時電容器的變化量 C 才近似地和位移 d 成正比。其相對非線性誤差為： （8）20000000()100100dddddd顯然，這種單邊活動的電容傳感器隨著測量范圍的增大，相應的誤差也增大。在際應用中，為了提高這類傳感器靈敏度、提高測量范圍和減小非線性誤差，常做成差動式電容器及互感器電橋組合結構

52、，如圖 3(b)所示。兩邊是固定的電極板 1 和 2，中間由彈簧片支承的活動極板 3。2 個固定極板與互感器兩端及交流電源 U 相連接，活動極板連接端子和互感器中間抽頭端子為傳感器的輸出端，該輸出端電壓 U 隨著活動極板運動而變化。若活動極板的初始位置距 2 個固定極板的距離均為 d0，則固定極板 1 和活動極板 3 之間 ，固定 2 和活動極板 3 之間的初始電容相等，若令其為 C0。當活動極板 3 在被測物體作用下向固定極板 2 移動 d 時，則位于中間的活動極板到兩側的固定極板的距離分別為：10ddd 20ddd 當他們做成差動式電容器及互感器電橋組合結構時，其等效電容為：2312000

53、02()()dddCCCCddd雖然電容的變化量仍舊和位移 d 成非線性關系，但是消除了級數(shù)中的偶次項，使線性得到改善。當時（在微小量檢測中，如線膨脹測量等，一般都能滿足這01dd個條件） ，略去高次項，得： （9）002dCCd其相對非線性誤差： （10）302000000()100()100dddddd比較式（9）和式（7）可見，靈敏度提高了 1 倍。比較式（10）和式（8）可見，在時，非線性誤差將大大下降。01dd2.4.3 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路如圖所示：圖 1.19 電容傳感器測量電路示意圖信號發(fā)生器選用 74LS00，其功能簡紹如下：表 2.4 真值表 圖 1

54、.20 74LS00 引腳圖輸入輸出ABYLLHLHHHLHHHL表 2.5 絕對最大額定值 電源電壓7V輸入電壓7V自由空氣溫度范圍0 to +70儲存溫度范圍-65 to +150表 2.6 建議操作條件符號參數(shù)最小典型最大UNIT 單位VCC電源電壓4.7555.25VVIH輸入高電平電壓2-VVIL輸入低電平電壓-0.8VIOH高電平輸出電流-0.4mAIOL低電平輸出電流-8mATA工作溫度0-70表 2.7 直流電氣規(guī)格符號參數(shù)條件最小典型最大單位VI輸入鉗位電壓VCC = 最小, II = -18 mA-1.5VVOH輸出高電平電壓VCC=最小,IOH=最大,VIL=最大2.73

55、.4-VVCC=最小,IOL=最大,VIH=最小-0.350.5VOL輸出低電平電壓IOL = 4 mA, VCC = 最小-0.250.4VII輸入電流最大輸入電壓VCC = 最大, VI = 7V-0.1mAIIH輸入高電平電流VCC = 最大, VI = 2.7V-20AIIL低電平輸入電流VCC = 最大, VI = 0.4V-0.36mAIOS短路輸出電流VCC = 最大 (Note 3)-20-100mAICCH高電平輸出電源電流VCC = 最大-0.81.6mAICCL低電平輸出電源電流VCC = 最大-2.44.4mA表 2.8 交流電氣特性2.5 電容式傳感器的工作原理及選擇

56、2.5.1 電容式傳感器的工作原理電感式傳感器由鐵心和線圈構成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。 2.5.2 電感式傳感器的特點及分類電感式傳感器的特點是：無活動觸點、可靠度高、壽命長；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復性好；測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低） ；無輸入時CL = 15pFCL = 50pF符號參數(shù)最小最大最小最大UNIT 單位tPLH低到高電平輸出

57、傳遞延遲時間310415nstPHL傳遞延遲時間310415ns有零位輸出電壓，引起測量誤差；對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量的。因此根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類

58、，主要有螺線管式電感傳感器、差動螺線管式、差動變壓器式等，在工程實踐中應用十分廣泛。自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。一、原理分析 1、變間隙型電感傳感器 變間隙型電感傳感器的結構示意圖如圖 1.20 所示。 1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵 圖 1.20 變間隙型電感傳感器傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體的位將引起空氣隙的長度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導致了線圈電感量的變化。線圈的電感可用下式表示： (4-1-1)式中，N 為線圈匝數(shù)；Rm 為磁路總磁阻。 對于變間隙式電感傳感器，如果忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 (4-1-2)式中，l

59、1 為鐵心磁路長；l2 為銜鐵磁路長；A 為截面積； 1 為鐵心磁導率；2 為銜鐵磁導率；0 為空氣磁導率； 為空氣隙厚度。因此有： （4-1-3） 一般情況下，導磁體的磁阻與空氣隙磁阻相比是很小的，因此線圈的電感值可近似地表示為 （4-1-4） 由上式可以看出傳感器的靈敏度隨氣隙的增大而減小。為了發(fā)送非線性，氣隙的相對變化量要很小，但過小又將影響測量范圍，所以要兼顧考慮兩個方面。2、變面積型電感傳感器由變氣隙型電感傳感器可知，氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化面改變，從而導致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，其結構示意圖見圖 1.21。1-銜鐵

60、2-鐵芯 3-線圈 圖 1.21 變面積型電感傳感器 圖 1.22 電感傳感器特性曲線通過對式（4-1-4）的分析可知，線圈電感量 L 與氣隙厚度是非線性的，但與磁通截面積 A 卻是成正比，是一種線性關系。特性曲線參見圖 1.22。 3、螺管型電感式傳感器 圖 1.23 為螺管型電感式傳感器的結構圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關。 1-線圈 2-鐵芯 圖 1.23 螺管型電感式傳感器 設線圈長度為 l、線圈的平均半徑為 r、線圈的匝數(shù)為 N、銜鐵進入線圈的長度la、銜鐵的半徑為 ra、鐵心