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传感器课程设计论文
第1章绪论
1.1传感器的定义
能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
1.2温度传感器的组成
通常,温度传感器由敏感元件和转换元件组成。
但是由于温度传感器输出信号一般都很微弱,需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。
因此,信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。
常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等,它
1.3传感器的分类
可以用不同的观点对传感器进行分类:
它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应);它们的用途;它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器二大类:
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
有些传感器既不能划分到物理类,也不能划分为化学类。
大多数传感器是以物理原理为基础运作的。
化学传感器技术问题较多,例如可靠性问题,规模生产的可能性,价格问题等,解决了这类难题,化学传感器的应用将会有巨大增长。
1.3.1传感器按照其用途分类
压力敏和力敏传感器位置传感器
液面传感器能耗传感器
速度传感器加速度传感器
射线辐射传感器热敏传感器
24GHz雷达传感器
1.3.2传感器按照其原理分类
振动传感器湿敏传感器
磁敏传感器气敏传感器
真空度传感器生物传感器等。
1.3.3传感器按照其输出信号为标准分类
模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。
膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。
开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
1.3.4传感器按照其材料为标准分类
在外界因素的作用下,所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。
它们中的那些对外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用来制作传感器的敏感元件。
从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类:
(1)按照其所用材料的类别分:
金属聚合物陶瓷混合物
(2)按材料的物理性质分:
导体绝缘体半导体磁性材料
(3)按材料的晶体结构分:
单晶多晶非晶材料
与采用新材料紧密相关的传感器开发工作,可以归纳为下述三个方向:
(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应,然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。
(2)探索新的材料,应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。
(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应,并在传感器技术中加以具体实施。
现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。
传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。
表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。
1.3.5传感器按照其制造工艺分类
集成传感器薄膜传感器厚膜传感器陶瓷传感器
集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。
通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。
薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的,相应敏感材料的薄膜形成的。
使用混合工艺时,同样可将部分电路制造在此基板上。
厚膜传感器是利用相应材料的浆料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是Al2O3制成的,然后进行热处理,使厚膜成形。
陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。
完成适当的预备性操作之后,已成形的元件在高温中进行烧结。
厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性,在某些方面,可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。
每种工艺技术都有自己的优点和不足。
由于研究、开发和生产所需的资本投入较低,以及传感器参数的高稳定性等原因,采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。
1.4传感器的特性
传感器的特兴奋伪静态特性与动态特性。
1.4.1传感器静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关,所以它们之间的关系,即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入量作横坐标,把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有:
线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
(1)线性度:
指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。
定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。
(2)灵敏度:
灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。
其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。
用S表示灵敏度。
(3)迟滞:
传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。
对于同一大小的输入信号,传感器的正反行程输出信号大小不相等,这个差值称为迟滞差值。
(4)重复性:
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。
(5)漂移:
传感器的漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为漂移。
产生漂移的原因有两个方面:
一是传感器自身结构参数;二是周围环境(如温度、湿度等)。
1.4.2传感器动态特性
所谓动态特性,是指传感器在输入变化时,它的输出的特性。
在实际工作中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得,并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
1.4.3传感器的线性度
通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中,为使仪表具有均匀刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如理论拟合、过零旋转拟合、端点拟合、端点平移拟合,以及最小二乘法拟合。
1.4.4传感器的灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度S是一个常数。
否则,它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如,某位移传感器,在位移变化1mm时,输出电压变化为200mV,则其灵敏度应表示为200mV/mm。
当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度,可得到较高的测量精度。
但灵敏度愈高,测量范围愈窄,稳定性也往往愈差。
1.4.5传感器的分辨率
分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说,如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
当输入变化值未超过某一数值时,传感器的输出不会发生变化,即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。
只有当输入量的变化超过分辨率时,其输出才会发生变化。
第2章二线制桥式测温电路概述
2.1Pt100概述
温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一,无论是在生产实验场所,还是在居住休闲场所,温度的采集或控制都十分频繁和重要,而且,网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。
由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系,所以温传感器就会相应产生。
Pt100是铂热电阻,它的阻值跟温度的变化成正比。
PT100的阻值与温度变化关系为:
当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
它的工业原理:
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
由于PT100热电阻的温度与阻值变化关系,人们便利用它的这一特性,发明并生产了PT100热电阻温度传感器。
它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。
温度的采集范围可以在-200℃~+200℃,湿度采集范围是0%~100%,精度可以达到0.2。
表1.Pt100阻值随温度变化分度表
温度
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
阻值
80.3
84.2
88.2
92.1
96.0
100
103.9
107.7
111.6
温度
40
50
60
70
80
90
100
110
120
阻值
115.5
119.4
123.2
127.0
130.9
134.7
138.5
142.2
146,0
温度
130
140
150
160
170
180
190
200
阻值
153.5
157.3
161.0
164.7
168.6
172.1
175.8
2.2LM234功能概述
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,lm324原理图如图1所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
每一组运算放大器可有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。
图1LM324外部引脚
2.2.1LM324应用举例
(1)反相交流放大器
此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等。
电路无需调试。
放大器采用单电源供电,由R1、R2组成1/2V+偏置,C1是消振电容。
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定:
Av=-Rf/Ri。
负号表示输出信号与输入信号相位相反。
按图中所给数值,Av=-10。
此电路输入电阻为Ri。
一般情况下先取Ri与信号源内阻相等,然后根据要求的放大倍数在选定Rf。
Co和Ci为耦合电容。
(2)同相交流放大器
同相交流放大器的特点是输入阻抗高。
其中的R1、R2组成1/2V+分压电路,通过R3对运放进行偏置。
电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定:
Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为R3。
R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。
(3)交流信号三分配放大器
此电路可将输入交流信号分成三路输出,三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。
而对信号源的影响极小。
因运放Ai输入电阻高,运放A1-A4均把输出端直接接到负输入端,信号输入至正输入端,相当于同相放大状态时Rf=0的情况,故各放大器电压放大倍数均为1,与分立元件组成的射极跟随器作用相同。
R1、R2组成1/2V+偏置,静态时A1输出端电压为1/2V+,故运放A2-A4输出端亦为1/2V+,通过输入输出电容的隔直作用,取出交流信号,形成三路分配输出。
(4)测温电路
感温探头采用一只硅三极管3DG6,把它接成二极管形式。
硅晶体管发射结电压的温度系数约为-2.5mV/℃,即温度每上升1度,发射结电压变会下降2.5mV。
运放A1连接成同相直流放大形式,温度越高,晶体管BG1压降越小,运放A1同相输入端的电压就越低,输出端的电压也越低。
这是一个线性放大过程。
在A1输出端接上测量或处理电路,便可对温度进行指示或进行其它自动控制。
(5)比较器
当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB,既10万倍)。
此时运放便形成一个电压比较器,其输出如不是高电平(V+),就是低电平(V-或接地)。
当正输入端电压高于负输入端电压时,运放输出低电平。
使用两个运放组成一个电压上下限比较器,电阻R1、R1ˊ组成分压电路,为运放A1设定比较电平U1;电阻R2、R2ˊ组成分压电路,为运放A2设定比较电平U2。
输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间,当Ui>U1时,运放A1输出高电平;当Ui 运放A1、A2只要有一个输出高电平,晶体管BG1就会导通,发光二极管LED就会点亮。 若选择U1>U2,则当输入电压Ui越出[U2,U1]区间范围时,LED点亮,这便是一个电压双限指示器。 若选择U2>U1,则当输入电压在[U2,U1]区间范围时,LED点亮,这是一个“窗口”电压指示器。 此电路与各类传感器配合使用,稍加变通,便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。 (6)单稳态触发器 此电路可用在一些自动控制系统中。 电阻R1、R2组成分压电路,为运放A1负输入端提供偏置电压U1,作为比较电压基准。 静态时,电容C1充电完毕,运放A1正输入端电压U2等于电源电压V+,故A1输出高电平。 当输入电压Ui变为低电平时,二极管D1导通,电容C1通过D1迅速放电,使U2突然降至地电平,此时因为U1>U2,故运放A1输出低电平。 当输入电压变高时,二极管D1截止,电源电压R3给电容C1充电,当C1上充电电压大于U1时,既U2>U1,A1输出又变为高电平,从而结束了一次单稳触发。 显然,提高U1或增大R2、C1的数值,都会使单稳延时时间增长,反之则缩短。 如果将二极管D1去掉,则此电路具有加电延时功能。 刚加电时,U1>U2,运放A1输出低电平,随着电容C1不断充电,U2不断升高,当U2>U1时,A1输出才变为高电平。 第3章课程设计的分析 3.1部分结构与功能分析 3.1.1桥路分析 二线制桥式测温电路硬件原理图见附录Ⅰ所示,转换电路采用的是桥式测量的方法,其中R1、R2、VR2以及Pt100构成测量桥。 敏感元件Pt100与滑动变阻器VR2接在相邻桥臂上R1、R2为定值电阻,其大小为2K。 在室温下测得Pt100阻值约为104欧姆,根据电桥平衡条件: 所以,应先将滑动变阻器VR2阻值调为104欧姆,以保证电桥平横。 其中,在测量时VR2的阻值不再变动,而Pt100的阻值会随温度的变化而变化,故此电桥为单臂电桥。 TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。 他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从2.5V到36V范围内的任何值。 此电路中也应用到了TL431,它与滑动变阻器VR1配用实现对电桥的供电,此电路中供电电压设为4.096V,近似为4.1V。 3.1.2放大电路分析 通过电桥测得的电压变化量是极其微弱的,不方便对其进行测量,故本电路中用到了LM324的放大作用对所测得的电信号进行放大。 放大电路如图: 图2信号放大部分原理图 LM324内共包含4个运算放大器,本电路只用到其中的一个作为放大作用。 若设电桥电压的变化为Uc,设放大后电压为Ue,那么 故经运算放大器之后,桥路所测电压被放大了100倍,经由R7输出到测量端,在测量端的电压已足够大,满足可测量的要求,这样,从信号的检测,转换以及信号的放大、输出便完成了。 3.2调试过程分析 硬件电路焊接好经检查确认无误后,便可开始调试。 应先调节与Pt100接于相邻桥臂的电位器VR2,使其阻值与室温状态下Pt100的阻值相等,构建电桥的平衡。 电桥调节平衡后,接通5V直流电源。 调节电位器VR1,使加在电桥两端电压近似为2.2V,在测量端接上电压表测量输出地电压值。 将Pt100用手握紧观测输出地电压变化,并记录此时Pt100的阻值。 经过测量,数据如下: 表2测量数据 Pt100的阻值 104,3Ω 111,6Ω 测量端输出电压 0.501V 0.675V 经过测试可以得出结论,Pt100的阻值随温度的升高而增大,具有正的温度系数。 结论 为期十天的课程设计接近尾声了,在这忙碌的几天内,通过查阅资料,亲自动手,的的确确的让我们学到了不少关于各种传感器的知识,积累了不少的有关经验,与平时坐在课堂上一味的接受理性知识相比,这样的课程设计更能培养我们的动手能力以及对问题的排查能力,从动手中发现问题,在实际的解决问题,这样使得我们对所学到的知识印象更加深刻。 在学习的过程中,我也发现了自己对一些理论知识的匮乏,但也看到了自己的今后努力的方向,如今,人类的生活已经进入了信息时代,生活、工业以及各个领域都不得不涉及到信息的处理与检测,这边使对信息的迅速准确的采集变的格外重要。 因此,在大学期间选择的这门专业我觉得无比的荣幸,同时,我也应该在学习中鞭策自己,毫不懈怠,珍惜所拥有的这份机会,努力在这条道路上好好发展。 致谢 本次设计是在孟凡姿老师的精心指导下完成的,在此,作为一名学生,我要对各位老师的谆谆教诲致以最诚恳的谢意,感谢老师在百忙之中为我们做细心的指导,细心的帮助我们解决问题。 从做设计以来,我不仅在专业知识上有了很大进步,而且也开阔了我的视野,明白了更多的知识。 因此,请接收一个学生最真挚的谢意。 最后祝愿老师们工作顺利,身体健康! 祝愿同学们在新的学年取得新的好成绩,一切顺利! 参考文献 [1]陈杰等传感器与检测技术高等教育出版社2002 [2]康华光电子技术基础高等教育出版社2005 [3]胡寿松等自动控制原理科学出版社2004 [4]刘爱华传感器原理与应用技术中国邮电出版社2010 [5]陈圣林等图解传感器技术及其应用电路中国电力出版社2009
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