現(xiàn)代測(cè)控電子技術(shù)第六章課件

第六章

測(cè)控電子技術(shù)綜合應(yīng)用6.1.1光電傳感器應(yīng)用電路1.分光光度計(jì)測(cè)量電路分光光度計(jì)的理論基礎(chǔ)是郎伯-比爾定律，也稱為光的吸收定律。當(dāng)一束平行單色光照射到均勻的非散射的溶液上時(shí)，光的一部分被吸收，一部分透過溶液，還有一部分被反射。6.1傳感器應(yīng)用電路

定義透過光的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度之比為透光度TIt為透過樣品的光強(qiáng)，I0為透過空白參考溶液的光強(qiáng)。T越大，說明溶液的透光程度越大。由于透光度T與溶液的濃度C之間沒有線性關(guān)系，定義吸光度A為透光度T的負(fù)對(duì)數(shù)。

分光光度計(jì)的組成框圖如圖6.1.1所示。光源燈發(fā)出的光經(jīng)單色器色散后，變?yōu)閱紊狻４藛紊馔高^比色皿內(nèi)的待比色溶液，照射到光電管上。光電管將這一隨溶液濃度不同而變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并顯示。圖6.1.1分光光度計(jì)的組成框圖測(cè)量放大電路如圖6.1.2所示。圖中A1構(gòu)成微電流放大器，輸入是光電管經(jīng)透射光照射后產(chǎn)生的光電流，光電流經(jīng)電阻R1轉(zhuǎn)換成電壓。該電壓經(jīng)同相放大后輸出VOT，VOT是與透光度成正比的電壓，其值為式中Io是光電管產(chǎn)生的光電流，微電流放大器的增益變化范圍為3～10，用以調(diào)節(jié)透光度的滿度值100%T。當(dāng)光電管受白光照射時(shí)，調(diào)節(jié)電位器RP2，使VOT=1000mV，即代表此時(shí)透光度為滿度值100%T。穩(wěn)壓管D1、D2，電阻R2、R12、R13及電位器RP1組成調(diào)零電路，用以補(bǔ)償光電管的暗電流，在無光照射光電管時(shí)調(diào)節(jié)RP1，使VOT=0，即0%T。由于吸光度與透光度成負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系，因此將VOT進(jìn)行對(duì)數(shù)放大后即可得到與吸光度成比例的電壓VOA，其值為由于對(duì)數(shù)放大器LOG101的電流輸入范圍是100pA～3.5mA，因此對(duì)應(yīng)的吸光度測(cè)量也有相應(yīng)的范圍。本電路吸光度的測(cè)量范圍是0～1.999(A)，對(duì)應(yīng)的透光度是100%～1%(T)。當(dāng)透光度是100%時(shí)，調(diào)節(jié)電位器RP3，使VOA=0V；當(dāng)透光度是1%時(shí)，VOT=10mV，此時(shí)LOG101輸出為－3V，調(diào)節(jié)電位器RP4，使VOA=1.999V。至此，實(shí)現(xiàn)了吸光度的測(cè)量。圖6.1.3分光光度計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路根據(jù)ICL7106的轉(zhuǎn)換關(guān)系有：測(cè)量透光度時(shí)Vin=0～1000mV，讀數(shù)N為0～1000，將小數(shù)點(diǎn)設(shè)置在十位即可實(shí)現(xiàn)透光度的直讀。測(cè)量吸光度時(shí)Vin=0～1.999V，讀數(shù)N為0～1999，將小數(shù)點(diǎn)設(shè)置在千位即可實(shí)現(xiàn)吸光度的直讀。測(cè)量濃度時(shí)Vin=0～1.999V，讀數(shù)N為0～1999，將小數(shù)點(diǎn)設(shè)置在個(gè)位即可實(shí)現(xiàn)濃度的直讀。2.光電心率檢測(cè)器測(cè)量電路光電心率檢測(cè)器由光電脈搏傳感器、測(cè)量放大電路及頻率測(cè)量電路構(gòu)成。光電脈搏傳感器見圖6.1.4。使用時(shí)拇指完全蓋住透光窗口，光源XD的光經(jīng)血液反射，由光敏電阻RG接收，被轉(zhuǎn)換成電脈沖，心臟每搏動(dòng)一次傳感器發(fā)出一個(gè)脈沖。圖6.1.5光電心率檢測(cè)器測(cè)量電路圖6.1.5是測(cè)量電路，上半部分電路將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，下半部分是計(jì)數(shù)電路，把脈沖信號(hào)變換成心率。當(dāng)脈搏波到來時(shí)，拇指充血，由此產(chǎn)生的反射光照射到光敏電阻RG上時(shí)，其電阻變小，使T2的基極電位上升，射極輸出高電位。在脈搏波的間歇，無反射光照射到光敏電阻RG上，其電阻變大，使T2的基極電位下降，射極輸出低電位。T2的射極輸出端獲得的是與脈搏波相應(yīng)的正向脈動(dòng)信號(hào)輸出。該信號(hào)經(jīng)隔直電容C1隔離直流后由運(yùn)算放大器A1和電壓比較器A2整形成與脈搏波同頻率的方波信號(hào)。由于心率是每分鐘心臟搏動(dòng)的次數(shù)，為了提高測(cè)量速度縮短測(cè)量時(shí)間，將脈搏脈沖倍頻60倍，然后在1秒鐘內(nèi)對(duì)脈搏脈沖計(jì)數(shù)，所計(jì)脈搏數(shù)即為要求測(cè)量的心率。圖6.1.6甲烷氣體CH4濃度檢測(cè)電路

圖中7805用于給傳感器加熱，當(dāng)溫度穩(wěn)定后開始工作，基準(zhǔn)電壓模塊為REF-03，其在電位器Rp1的兩端產(chǎn)生2.5V的基準(zhǔn)電壓，從而產(chǎn)生傳感器的恒定供電電流I，I約為0.5mA，電流的大小可通過調(diào)節(jié)Rp1的大小調(diào)節(jié)。

運(yùn)放A2用于隔離傳感器與后續(xù)線性化電路，其輸出為IRs，表示CH4的濃度，與濃度的變化趨勢(shì)相反。

為了使電路的輸出與濃度成正比，采用AD538線性化，根據(jù)圖的接法及AD538的運(yùn)算關(guān)系有電路的輸出為6.1.3熱敏電阻應(yīng)用電路熱敏電阻是溫度測(cè)量的常用傳感器，以NTC型MF58-104-3990熱敏電阻作為溫度測(cè)量的傳感元件，其溫度測(cè)量范圍為-55℃～+200℃，測(cè)量精度±1％，并具有耐高溫焊接,穩(wěn)定性好，漂移小,體積小，便于貼片安裝等特點(diǎn)。該熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系為：式中R0是熱力學(xué)溫度為T0時(shí)的阻值，T0為基準(zhǔn)溫度，通常以298.15°K（25℃）為基準(zhǔn)溫度；β為熱敏電阻常數(shù)。R0=100kΩ，β=3990。熱敏電阻的溫度與電阻的關(guān)系是非線性的，作為溫度測(cè)量元件其輸出信號(hào)必須進(jìn)行線性化處理。電路見圖6.1.7所示。圖6.1.7基于熱敏電阻的溫度測(cè)量信號(hào)電路再對(duì)Vo1作倒數(shù)運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)溫度與電壓的線性關(guān)系。令Vo=kT，即這樣，Vo與被測(cè)溫度成線性關(guān)系，根據(jù)AD534的運(yùn)算關(guān)系，由圖中連線可得分別調(diào)節(jié)電位器Rp1與Rp2使VX1=-5.82V，VZ1=173.47mV，故有電路的實(shí)際測(cè)試結(jié)果見下表。被測(cè)溫度(℃)絕對(duì)溫度(°K)輸出電壓Vo(mV)-10263.15263.200273.15273.1810283.15327.9620293.15293.0630303.15303.0440313.15313.0250323.15322.99

結(jié)果顯示，電路的非線性誤差小于0.5%，較好地消除了熱敏電阻測(cè)溫時(shí)的非線性。6.1.4力敏傳感器應(yīng)用電路1.壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用電路

壓阻傳感器是利用晶體的壓阻效應(yīng)制成的傳感器，其構(gòu)造是在硅彈性膜片上，用集成電路的擴(kuò)散技術(shù)在一定晶向上制作四個(gè)壓力敏感電阻，將它們連接成惠斯登電橋的形式,就構(gòu)成了基本的壓阻全橋傳感器。壓阻式壓力傳感器受溫度的影響表現(xiàn)在零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移兩個(gè)方面。在具體的應(yīng)用電路當(dāng)中，必須采取措施進(jìn)行溫度補(bǔ)償。圖6.1.8是壓阻式壓力傳感器的典型應(yīng)用電路，圖中FPM-05PG為壓阻式壓力傳感器，電路輸出以大氣壓為基準(zhǔn)，輸出電壓在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)為0mV，1mmHg時(shí)輸出10mV。圖6.1.8壓阻式壓力傳感器的典型應(yīng)用電路A1、D1、T1和R2構(gòu)成恒流源電路對(duì)電路供電。D1的輸出電壓VD1加在R1上，恒流源電流I由VD1/R2決定，其值為I=1.5mA。傳感器的溫度特性包括由于溫度變化使零位輸出移動(dòng)的零位溫度特性，以及壓力靈敏度隨溫度變化的靈敏度溫度特性。FPM-05PG的靈敏度隨溫度變化非常小，故測(cè)量電路中僅設(shè)置了由D3和A2構(gòu)成的零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電路，其原理是利用硅二極管的負(fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償傳感器的正溫度系數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，傳感器FPM-05PG的零位溫度特性為0.25mV/℃，故選用溫度特性為-2.0～-2.5mV/℃的二極管作為溫度補(bǔ)償元件。A2輸出經(jīng)過調(diào)節(jié)RP1可獲得具有正溫度系數(shù)的電壓，該電壓加至輸出運(yùn)算放大器A4的同相輸入端，傳感器FPM-05PG的輸出經(jīng)AD620差動(dòng)放大10倍后得到具有正溫度系數(shù)的電壓，該電壓加至輸出運(yùn)算放大器A4的反相輸入端，兩個(gè)具有正溫度系數(shù)的電壓經(jīng)輸出級(jí)相減后輸出。只要調(diào)節(jié)RP1即可使傳感器FPM-05PG的零位溫度特性被補(bǔ)償。當(dāng)傳感器加上1.5mA恒定電流時(shí)，其輸出約為0.17mV/1mmHg，為了使電路的輸出電壓與壓力的關(guān)系為10mV/1mmHg，后續(xù)放大電路的增益應(yīng)為60。該增益由運(yùn)放A3和A4構(gòu)成的兩級(jí)差動(dòng)放大電路實(shí)現(xiàn)。電路中RP2用于傳感器在零壓力時(shí)測(cè)量電路的輸出調(diào)零，RP3用于調(diào)節(jié)電路的滿度輸出。2）4～20mA壓力變送器

將壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出是工業(yè)領(lǐng)域中遠(yuǎn)距離測(cè)量壓力的常用方法，將壓力傳感器與4～20mA轉(zhuǎn)換電路集即構(gòu)成4～20mA壓力變送器。圖6.1.9即是4～20mA壓力變送器的典型電路。圖6.1.94～20mA壓力變送器電路

電路中壓力傳感器是MPX2100，4～20mA轉(zhuǎn)換電路采用集成芯片XTR101實(shí)現(xiàn)。電路中，4mA電流對(duì)應(yīng)于零壓力，20mA電流對(duì)應(yīng)于滿量程壓力。XTR101的引腳10和11是兩個(gè)1mA的參考恒流源輸出，兩個(gè)電流并行流入帶溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓管LM129和壓力傳感器中，LM129的穩(wěn)定電壓是6.9V，該電壓即作為壓力傳感器的供電電源。根據(jù)傳感器的特性，在該電壓下傳感器的滿量程輸出電壓為傳感器的輸出電壓直接加至XTR101的輸入端（引腳3和4），引腳5和6之間的電阻R1和電位器RP1用于確定并調(diào)節(jié)輸出電流的滿度值，輸出電流Io由引腳7輸出，其值為式中Vin為芯片的輸入電壓，也即傳感器的輸出電壓。當(dāng)傳感器輸出為零時(shí)，電路的輸出電流為4mA，若有誤差可調(diào)節(jié)電位器RP2消除。當(dāng)傳感器滿量程輸出時(shí)，Vin=27.6mV，調(diào)節(jié)電位器RP1使輸出電流為20mA。

XTR101要求兩個(gè)1mA的參考恒流源的電流應(yīng)流入引腳7，引腳3和引腳4的電位應(yīng)大于引腳7的電位4V～6V，也即芯片的共模輸入電壓為4V～6V，由于傳感器的共模電壓為電源電壓的一半即3.45V，為此串入一電阻R2，提高芯片的共模輸入電壓，使之滿足要求。

為降低芯片的功耗，在芯片的外部需要并聯(lián)一晶體管T1，T1與芯片內(nèi)部的晶體管并聯(lián)，分流內(nèi)部晶體管的電流，保證了芯片內(nèi)部的熱穩(wěn)定性。二極管D1用于在引腳7和8之間的出現(xiàn)反極性電壓時(shí)保護(hù)芯片不受損壞。在壓力的測(cè)量端，接入負(fù)載電阻RL，電阻的數(shù)值可根據(jù)采樣A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求確定，如要求輸入的滿量程電壓為5V，則應(yīng)取RL=250Ω，此時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍是1V～5V。6.1.4濕度傳感器應(yīng)用電路1.土壤濕度測(cè)量

土壤濕度測(cè)量電路見圖6.1.10，傳感器RH是硅濕敏電阻，它在25℃時(shí)響應(yīng)時(shí)間小于5秒，檢測(cè)土壤含水量范圍為0～100%。圖6.1.10土壤濕度測(cè)量電路

濕敏電阻具有負(fù)濕度系數(shù)，濕度下降，其電阻加大，濕度上升，其電阻減小。電路中濕敏電阻接在晶體管T1的集電極與基極之間，其電阻值的變化將改變基極電流，從而改變發(fā)射極的電流，進(jìn)而改變電阻R2上的壓降，也即改變了后續(xù)同相放大電路的輸入電壓，電路的輸出電壓也因此改變。因此，電路的輸出與濕度成比例關(guān)系。

當(dāng)濕度下降時(shí)，RH升高，T1的基極電流減小，射極電流減小，R2上的壓降下降，經(jīng)R5和R7分壓后，放大器的同相輸入電壓下降，Vo下降。當(dāng)濕度上升時(shí)，RH減小，T1的基極電流加大，射極電流加大，R2上的壓降上升，經(jīng)R5和R7分壓后，放大器的同相輸入電壓上升，Vo上升。只要電路參數(shù)設(shè)置合理，輸出電壓即可表示濕度。

電路中電位器RP1的作用是調(diào)零，當(dāng)濕度為零時(shí)，調(diào)節(jié)RP1使輸出Vo=0；RP2的作用是調(diào)節(jié)滿度，當(dāng)濕度為100%時(shí)，調(diào)節(jié)RP2使輸出電壓Vo=10V，即完成了電路的調(diào)節(jié)。

為了提高檢測(cè)靈敏度，T1管應(yīng)選擇高β管。

2.濕度控制儀

圖6.1.11是濕度控制儀電路，非門G1、G2，電阻R1電容C1構(gòu)成阻容RC多諧振蕩器，其振蕩頻率為圖6.1.11濕度控制儀電路

振蕩器輸出的4V電壓經(jīng)RP1、RH分壓，D1整流，再經(jīng)R2、RP2分壓后連接至T3的基極。RH為具有負(fù)濕度系數(shù)的濕敏電阻，當(dāng)濕度下降時(shí)，RH阻值增大，其分壓也增大,T3的基極電位升高，T3導(dǎo)通，集電極電位下降，T4截止，繼電器J2釋放，LED2熄滅，J2控制的抽濕設(shè)備斷電，停止工作。此時(shí)T1、T2導(dǎo)通，LED1點(diǎn)亮，繼電器J1吸合,使加濕設(shè)備通電工作，開始加濕。隨著加濕的進(jìn)行，濕度逐漸增大，RH阻值下降，其分壓也下降,T3的基極電位下降，T3過渡至截止,集電極電位上升，T4導(dǎo)通，繼電器J2吸合，LED2點(diǎn)亮，J2控制的抽濕設(shè)備通電，開始抽濕。此時(shí)T1、T2截止，LED1熄滅，繼電器J1釋放，使加濕設(shè)備斷電，停止工作。上述過程自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行，使?jié)穸瓤刂圃谝蟮姆秶鷥?nèi)。電路中設(shè)置兩級(jí)電位器(RP1、RP2)分壓的目的是：操作人員可以根據(jù)要求的被控制濕度的濕度值，調(diào)節(jié)分壓系數(shù)，改變T3的基極電位，使儀器根據(jù)設(shè)定的濕度值啟停加濕或除濕設(shè)備，確保濕度控制在要求的數(shù)值范圍內(nèi)。6.1.5PSD距離測(cè)量應(yīng)用電路1.PSD的工作原理以一維PSD說明其工作原理，圖6.1.12是一維PSD結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)入射光點(diǎn)照射到PSD光敏面上某一點(diǎn)時(shí)，將產(chǎn)生一總的光生電流I0。由于入射光點(diǎn)到信號(hào)電極間存在橫向電勢(shì)，光電流將分別流向兩個(gè)信號(hào)電極，從而從信號(hào)電極上分別得到光電流I1和I2。

圖6.1.12一維PSD結(jié)構(gòu)圖

顯然，I0=I1+I2，而I1、I2的大小取決于入射光點(diǎn)的位置到兩個(gè)信號(hào)電極間的等效電阻與電極負(fù)載電阻RL之和，當(dāng)RL遠(yuǎn)小于等效電阻時(shí)，I1、I2與等效電阻成反比,因此也與入射光點(diǎn)到兩個(gè)信號(hào)電極的距離成反比，則有由于I0=I1+I2聯(lián)立，可得由上兩式可知，只要檢測(cè)出兩個(gè)信號(hào)電極的電流，即可確定入射光點(diǎn)的位置。2.一維PSD在檢測(cè)距離中的應(yīng)用用一維PSD檢測(cè)距離時(shí)可利用三角測(cè)距的原理，如圖6.1.13所示，設(shè)測(cè)距范圍為L(zhǎng)1(mm)到L2(mm)，投光透鏡與聚光透鏡的光軸間距離為B(mm)，聚光透鏡與PSD受光面間距離為f(mm)，則有圖6.1.13一維PSD測(cè)距原理圖結(jié)合I2的表達(dá)式可得因此，只要測(cè)量出I0與I2的比值即可測(cè)得距離Lx，據(jù)此可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的測(cè)量電路，實(shí)際電路見圖6.1.14所示。PSD的反向偏置電壓由兩個(gè)2k的電阻組成的1/2分壓器組成，反向偏置電壓為2.5V。圖6.1.14一維PSD測(cè)距實(shí)際電路電極電流I1、I2分別經(jīng)2MΩ的反饋回路電阻轉(zhuǎn)換成電壓V1和V2，V1直接接至差分放大器的同相輸入端，V2經(jīng)反相后接至差分放大器的反相輸入端，差分放大器實(shí)現(xiàn)了兩路信號(hào)的相加由電流I2轉(zhuǎn)換而得的電壓V2經(jīng)兩次反相后得到Vo1，其值為式中K是由A5構(gòu)成的反相放大器的閉環(huán)增益。兩路信號(hào)經(jīng)采樣/保持器采樣后接至除法器，除法器由集成乘法器AD534構(gòu)成，輸出電壓為將Lx的表達(dá)式代入得式中B、L、f為已知量，分別是B=50mm，L=2mm，f=12mm。故只要使K=33.33即可實(shí)現(xiàn)距離的直讀，調(diào)節(jié)圖中的電位器RP1和RP2即可實(shí)現(xiàn)K=33.33，RP1用于調(diào)節(jié)測(cè)量距離的下限，RP2用于調(diào)節(jié)測(cè)量距離的上限，這樣圖示電路便實(shí)現(xiàn)了距離的測(cè)量。

紅外LED發(fā)光控制電路的工作原理是：經(jīng)電極電流轉(zhuǎn)換得到的Vo2加至電壓比較器A6的同相比較端，比較器的反相端接一比較電平，電平值應(yīng)保證V–<V+使A6輸出高電平，其值與–I0×2MΩ有關(guān)，應(yīng)根據(jù)PSD的指標(biāo)及I/V電路參數(shù)確定。定時(shí)脈沖控制T3和T4的通斷，當(dāng)脈沖為低電平時(shí)T3截止，A6輸出的高電平先使T2導(dǎo)通,進(jìn)而使T1導(dǎo)通，紅外LED獲得電流發(fā)光，PSD即產(chǎn)生電極電流。與此同時(shí)，T4也截止，LF398的采樣/保持控制端為高電平，S/H處于采樣狀態(tài)，采樣與電極電流成比例的電壓信號(hào)，并輸出至后續(xù)除法電路輸出距離信號(hào)。當(dāng)脈沖為高電平時(shí)T3導(dǎo)通，短路了A6輸出的高電平，使T2截止，進(jìn)而使T1截止，紅外LED無法獲得電流而發(fā)光，PSD不產(chǎn)生電極電流。與此同時(shí)，T4也導(dǎo)通，LF398的采樣/保持控制端為低電平，S/H處于保持狀態(tài)，后續(xù)除法電路輸出原先的距離信號(hào)，以保持輸出的連續(xù)性。6.1.6超聲傳感器測(cè)距應(yīng)用電路

超聲波測(cè)距的原理是檢測(cè)超聲波發(fā)送時(shí)刻與接收時(shí)刻之間的時(shí)間差，再依據(jù)超聲波的傳播速度得到距離。圖6.1.15是超聲波測(cè)距電路的例子。檢測(cè)電路由超聲發(fā)射電路和超聲接收電路兩部分組成。電路的上半部分為超聲發(fā)射電路，下半部分為超聲接收電路。圖6.1.15超聲波測(cè)距應(yīng)用電路振蕩器由555電路組成，輸出受引腳4電平控制，為高時(shí)振蕩器振蕩，為低時(shí)停振，其輸出頻率為調(diào)整RP1可使振蕩頻率為40kHz。該振蕩信號(hào)經(jīng)功率晶體管T1驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器T放大后驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射器發(fā)出超聲波。調(diào)整RP1可使振蕩頻率為40kHz。振蕩器的復(fù)位信號(hào)由雙穩(wěn)電路控制，雙穩(wěn)電路的R、S端分別受六分頻器的輸出及低頻脈沖發(fā)生器的輸出控制。低頻脈沖發(fā)生器是在典型的阻容式振蕩電路的基礎(chǔ)上加了一個(gè)電阻R4和二極管D1構(gòu)成,它們使電路處于高電平的時(shí)間縮短，因此其輸出是一系列短促的窄正脈沖，其振蕩頻率是

六分頻器由CD4017構(gòu)成，其時(shí)鐘輸入端接555電路的輸出，即時(shí)鐘頻率為40kHz，復(fù)位端R與Q5輸出端短路,并作為分頻器的輸出及雙穩(wěn)電路的R輸入。在R=“0”時(shí)，CD4017在時(shí)鐘脈沖的作用下Q0～Q9依次輸出高電平，當(dāng)R=“1”時(shí)全部輸出清零。這里當(dāng)Q5=“1”時(shí)R=“1”，下一個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)輸出又從Q0開始依次輸出“1”，因此每輸入6個(gè)時(shí)鐘脈沖，Q5端輸出一個(gè)高電平，實(shí)現(xiàn)了6分頻。這樣雙穩(wěn)電路的R輸入脈沖頻率6.67kHz的脈沖波，S輸入是9Hz的窄脈沖波，S脈沖使雙穩(wěn)電路置位輸出“1”,R脈沖使雙穩(wěn)電路復(fù)位輸出“0”。當(dāng)雙穩(wěn)電路置位后，555輸出的第6個(gè)脈沖復(fù)位雙穩(wěn)電路，使555振蕩，直到下一個(gè)置位脈沖到來后再輸出5個(gè)脈沖。由于置位脈沖頻率遠(yuǎn)低于復(fù)位脈沖頻率，因此555振蕩器間歇性地輸出40kHz的脈沖波，每組5個(gè)脈沖，脈沖經(jīng)脈沖變壓器放大提升功率后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器工作。超聲接收電路由交流放大器，比較器、6分頻電路,以及時(shí)間間隔與脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路組成。交流放大器為兩極反相交流放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成總增益為80dB，將微弱的接收信號(hào)放大10000倍輸出給電壓比較器進(jìn)行脈沖整形，將脈沖波整形成CMOS電平的40kHz的超聲波接收脈沖，該脈沖波輸入給6分頻器分頻，作為時(shí)間間隔與脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路RS雙穩(wěn)電路的復(fù)位信號(hào)。RS雙穩(wěn)電路的置位信號(hào)來自發(fā)射電路的6分頻器輸出，發(fā)射電路每發(fā)出5個(gè)脈沖串的最后一個(gè)脈沖后將其置位。接收電路每接收5個(gè)脈沖串的最后一個(gè)脈沖后將其復(fù)位，由此Vo是脈沖波，其高電平寬度等于發(fā)射波與接收波傳輸?shù)臅r(shí)間間隔。因此本電路實(shí)現(xiàn)了超聲波傳輸時(shí)間至脈沖寬度的轉(zhuǎn)換，只要測(cè)量電路的輸出脈沖寬度就測(cè)量得到了超聲波從發(fā)射到接收的傳輸時(shí)間。

脈沖寬度的測(cè)量采用在脈沖高電平的時(shí)間內(nèi)用已知頻率的時(shí)鐘計(jì)數(shù)的方式即可實(shí)現(xiàn)，其原理框圖見圖6.1.16所示。圖6.1.16脈沖寬度測(cè)量原理框圖設(shè)時(shí)鐘頻率為fck，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為Nx，則所測(cè)量的時(shí)間間隔為若超聲波的傳輸介質(zhì)是空氣，溫度為常溫，則所測(cè)量的距離為6.1.7轉(zhuǎn)速、流量測(cè)量電路1.轉(zhuǎn)速的測(cè)量

機(jī)械轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的設(shè)計(jì)、安全提供了重要數(shù)據(jù)，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、離心壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，都需要進(jìn)行精確測(cè)量。測(cè)量轉(zhuǎn)速行之有效的方法是用測(cè)試轉(zhuǎn)盤法或光電轉(zhuǎn)換法。測(cè)試轉(zhuǎn)盤法是將有60個(gè)齒的鐵磁圓盤固定在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，磁電式傳感器（或渦流傳感器、霍爾傳感器等）固定在測(cè)盤的外緣，當(dāng)鐵磁圓盤跟隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰波，通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率就可以測(cè)量轉(zhuǎn)速。光電轉(zhuǎn)換法是在轉(zhuǎn)軸上面畫60個(gè)白條或在轉(zhuǎn)軸的測(cè)盤上由圓心畫出60條白色的半徑，將光源發(fā)出的光照射到條紋上，用光敏元件接收由條紋反射的反射光并轉(zhuǎn)換電脈沖，通過測(cè)量電脈沖的頻率就可以測(cè)量轉(zhuǎn)速。圖6.1.17磁電式轉(zhuǎn)速傳感器示意圖

測(cè)量系統(tǒng)由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、前置放大整形電路、頻率測(cè)量電路組成。傳感器是由安裝在機(jī)軸上的60個(gè)齒的齒輪和安放在齒緣的鐵心線圈組成，鐵心由永磁材料制成。鐵心線圈的永久磁體應(yīng)盡量與齒輪靠近。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)靠近永久磁體的齒被磁化，使固定的線圈相對(duì)切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與永久磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度，線圈的匝數(shù)，永久磁體靠近齒的距離和轉(zhuǎn)速有關(guān)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大整形后成為同頻率的方波脈沖，由頻率計(jì)測(cè)量其頻率。設(shè)齒數(shù)為z，被測(cè)量轉(zhuǎn)速為n（周/分），則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率為由于z=60，故被測(cè)轉(zhuǎn)速為因此只要測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率f，就可以測(cè)量得到轉(zhuǎn)速。圖6.1.18基于ICM7216B芯片的轉(zhuǎn)速測(cè)量電路

圖中A1構(gòu)成隔直放大電路，A2為比較器用于將放大后的脈動(dòng)波形整形成標(biāo)準(zhǔn)電平的方波。ICM7216B構(gòu)成頻率測(cè)量電路。自轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈動(dòng)信號(hào)，由電容C1隔離掉脈動(dòng)信號(hào)中的直流分量，并輸至運(yùn)算放大器的同相輸入端，放大1+R2/R1倍后輸至過零比較器A2的同相輸入端，比較器的輸出即為TTL電平或5VCMOS電平的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，其頻率與轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖的頻率相同。

2）渦輪式流量傳感器測(cè)量電路渦輪式流量傳感器是利用放在流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行流量測(cè)量的一種傳感器。當(dāng)葉輪置于流體中時(shí)，由于漿葉的迎流面和背流面流速不同，因此在流向方向形成壓差，所產(chǎn)生的推力使旋漿轉(zhuǎn)動(dòng)。如果選擇摩擦力小的軸承來支撐葉輪，且葉輪采用輕型材料制作，那么可使流速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系接近線性，只要測(cè)得葉輪的轉(zhuǎn)速，便可測(cè)量流體的流速，從而測(cè)量流量。葉輪的葉片可以用導(dǎo)磁材料制作，然后由永久磁鐵、鐵芯及線圈與葉片形成磁路。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁阻將發(fā)生周期性的變化，從而使線圈感應(yīng)出脈沖電壓，此脈沖電壓的頻率f即與葉片轉(zhuǎn)速或流過管道的瞬時(shí)流量Q成正比，瞬時(shí)流量Q的單位是升/秒（L/s），于是有關(guān)系式f=KQ，即式中，K是渦輪式流量傳感器的流量系數(shù)，其單位是脈沖數(shù)/升。K值一般為小數(shù)點(diǎn)后帶兩位小數(shù)的4位數(shù)，在一定的流量范圍、黏度、溫度和壓力下，每個(gè)傳感器的K值為一常數(shù)，由廠家標(biāo)定后向用戶提供。單位時(shí)間內(nèi)傳感器輸出的電脈沖數(shù)中含有的K值數(shù)，就是所測(cè)量的流量。由于K為具有小數(shù)位的實(shí)數(shù)，如果直接采用分頻器實(shí)現(xiàn)除K運(yùn)算，只能先對(duì)K取整（小數(shù)點(diǎn)以下四舍五入），然后再進(jìn)行除法，這樣將會(huì)引起較大測(cè)量誤差，且分辨力僅為1L/s。為了實(shí)現(xiàn)小數(shù)除法，可以將計(jì)數(shù)的電脈沖值輸出給微處理器，由微處理器進(jìn)行軟件除法，從而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。此法可以在一定程度上提高測(cè)量測(cè)量精度，但是，由于計(jì)數(shù)器無法實(shí)現(xiàn)小數(shù)計(jì)數(shù)，因此計(jì)數(shù)過程舍去的小數(shù)脈沖，并不能由微處理器補(bǔ)償，所以測(cè)量精度不能從本質(zhì)上得到提高；另一方面，測(cè)量分辨力也無法提高。解決上述問題的方法是，先根據(jù)流量系數(shù)K小數(shù)點(diǎn)以下的數(shù)據(jù)位數(shù)n，對(duì)傳感器輸出的電脈沖進(jìn)行10n倍頻，然后再由計(jì)數(shù)器對(duì)倍頻后的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其結(jié)果等效為實(shí)現(xiàn)了小數(shù)計(jì)數(shù)。綜上所述，基于渦輪式流量傳感器精確測(cè)量流量的方法是，首先將傳感器輸出的電脈沖倍頻10n倍（n是流量系數(shù)K小數(shù)點(diǎn)以下的數(shù)據(jù)位數(shù)，一般取n=2），然后由計(jì)數(shù)器在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)倍頻后的電脈沖，得到原脈沖頻率100倍的頻率值，將該值除以100K即可得到所測(cè)流量。圖6.1.19基于渦輪式流量傳感器的流量測(cè)量原理框圖

流量傳感器輸出的電脈沖信號(hào)首先需要進(jìn)行放大整形，變換成標(biāo)準(zhǔn)電平的方波信號(hào)，該信號(hào)的頻率與流量傳感器的輸出電脈沖的頻率相等。整形后的信號(hào)由后續(xù)的100倍頻電路倍頻100倍（這里假設(shè)傳感器的流量系數(shù)具有兩位小數(shù)），并輸出至控制與門。時(shí)基電路為由晶體振蕩器構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器，其輸出占空比50%的方波，周期為2s，高低電平的寬度均為1s，該信號(hào)一方面經(jīng)由R1、C1和與門構(gòu)成的移相電路移相后作為控制與門的門控信號(hào)；另一方面經(jīng)由R2、C2和與門組成的上升沿提取電路提取出上升沿，利用該上升沿作為輸出鎖存器的選通信號(hào)，同時(shí)該信號(hào)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，通知計(jì)算機(jī)本次測(cè)量完成可以取走測(cè)量結(jié)果。計(jì)算機(jī)接收到中斷請(qǐng)求信號(hào)后，通過接口電路獲取測(cè)量計(jì)數(shù)值，將計(jì)數(shù)值除以100K便得到所測(cè)量的流量值，單位取決于流量系數(shù)K的單位，如果流量系數(shù)的單位是脈沖數(shù)/L，則測(cè)得的流量單位是L/s。而如果流量系數(shù)的單位是脈沖數(shù)/mL，則測(cè)得的流量單位是mL/s。

6.1.8編碼器及其應(yīng)用

轉(zhuǎn)角通常采用轉(zhuǎn)角編碼器進(jìn)行測(cè)量，其基本原理是將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成光脈沖或電脈沖，通過對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角測(cè)量。轉(zhuǎn)角編碼器又稱碼盤，是一種分辨力與精度都較高的測(cè)角傳感器。轉(zhuǎn)角編碼器有兩種類型：一是絕對(duì)式編碼器，另一種為增量式編碼器。

增量式編碼器則是一種轉(zhuǎn)角/脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出的脈沖可由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并可根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向輸出方向信息，因此它可以在測(cè)量轉(zhuǎn)角的同時(shí)，確定轉(zhuǎn)向，據(jù)此可以測(cè)量相對(duì)角度。

增量式轉(zhuǎn)角編碼器包括：一個(gè)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的光脈沖調(diào)制盤，光脈沖讀出裝置（光電轉(zhuǎn)換裝置）以及一組邏輯與計(jì)數(shù)電路，測(cè)量原理框圖如圖6.1.20。圖6.1.20增量式轉(zhuǎn)角編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)角原理框圖光脈沖調(diào)制盤的原理圖如圖6.1.21所示。它由三個(gè)圓環(huán)組成。兩個(gè)外圓環(huán)上均勻分布著相同數(shù)量的透光與不透光的柵格，并在空間上錯(cuò)開半格。其中一個(gè)圓環(huán)用來產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，另一個(gè)圓環(huán)產(chǎn)生辯向脈沖。因?yàn)橄到y(tǒng)的最小計(jì)數(shù)單位是一個(gè)脈沖，所以柵格的總數(shù)決定轉(zhuǎn)角測(cè)量的分辨力。第三個(gè)圓環(huán)上只有一條透光的狹縫，由它產(chǎn)生調(diào)制盤的參考點(diǎn)位置（轉(zhuǎn)角的測(cè)量零點(diǎn)）。圖6.1.21光脈沖調(diào)制盤的原理圖如果將調(diào)制盤作正向或反向旋轉(zhuǎn)，光脈沖讀出裝置（光電轉(zhuǎn)換裝置）可產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖輸出。正轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖波形滯后90°于辯向脈沖波形；反轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖波形超前90°于辯向脈沖波形。調(diào)制盤轉(zhuǎn)過的角度大小與計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)向的辨別則要靠相位上超前還是滯后的區(qū)別。辨向邏輯與計(jì)數(shù)電路如圖6.1.22所示。圖6.1.22辨向邏輯與計(jì)數(shù)電路光敏元件輸出的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)和辯向脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形后變成了方波脈沖Pl和P2，兩者相位上的關(guān)系與轉(zhuǎn)向有關(guān)，如圖6.1.23(a)、(b)所示。(a)(b)圖6.1.23計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)和辯向脈沖信號(hào)(a)正轉(zhuǎn)時(shí)；(b)反轉(zhuǎn)時(shí)6.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6.2.1基于嵌入式PC的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1.結(jié)構(gòu)形式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)采用分時(shí)多通道數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)，輸入為16通道，計(jì)算機(jī)總線為PC104總線，控制方式采用程序控制I/O查詢方式。2.輸入通道及A/D轉(zhuǎn)換接口電路見圖6.2.1。輸入16個(gè)通道，采用2片CD4051并聯(lián)構(gòu)成，通道選通和芯片選通由74LS173鎖存的控制碼控制，控制碼為0000B～0111B時(shí)，U1被選通，從而選通CH0～CH7，控制碼為1000B～1111B時(shí)，U2被選通，從而選通CH8～CH15，控制碼由輸出指令向0340H口寫入。圖6.2.1數(shù)據(jù)采集輸入通道及ADC接口

A/D轉(zhuǎn)換器選用MAX196，為雙極性12位并行轉(zhuǎn)換并行輸出，A/D轉(zhuǎn)換器由軟件向0344H接口寫入控制字啟動(dòng)。轉(zhuǎn)換狀態(tài)INT由0342H口輸入的D0位的高低電平判斷，為高時(shí)表示正在轉(zhuǎn)換，為低時(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)可以輸出。轉(zhuǎn)換結(jié)果，由輸入指令從0344H口讀取，由于是12位并行讀取，故需要在讀取的同時(shí)給PC104總線的線施加一低電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這里采用OC門加上拉電阻的方式實(shí)現(xiàn)，OC門的輸入為讀數(shù)負(fù)脈沖，經(jīng)OC門后產(chǎn)生負(fù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)線，實(shí)現(xiàn)12位轉(zhuǎn)換結(jié)果并行讀出。3.譯碼部分圖6.2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的譯碼電路譯碼器采用74LS154，因?yàn)閿?shù)據(jù)輸入為16位并行，因此外設(shè)口均為偶地址。為了確保計(jì)算機(jī)在進(jìn)行DMA操作時(shí)不影響本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的I/O操作，這里使AEN信號(hào)參與譯碼，且僅當(dāng)AEN=“0”時(shí)譯碼器工作，而當(dāng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行DMA操作時(shí)AEN=“1”，譯碼器不工作，以避免了I/O操作和DMA操作發(fā)生沖突。譯碼地址分配表譯碼地址分配對(duì)象Y0(0340H)通道選擇Y1(0342H)讀A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志Y2(0344H)寫A/D控制字及讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果Y3(0346H)未用Y4(0348H)未用Y5(034AH)未用Y6(034CH)未用Y7(034EH)未用4.調(diào)試軟件movdx,0340hmoval,xxh；XX為通道號(hào)outdx,al；選擇通道m(xù)ovdx,0344hmoval,48houtdx,al；寫入控制字啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

mov

dx,0342hstatus:inal,dxandal,01hjnzstatus；判INT的狀態(tài)movdx,0344hinax,dx；取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果6.2.2.基于通道表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與常規(guī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不同，基于通道表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣模式是可變的，各通道的采樣速率、增益可編程設(shè)定，原理結(jié)構(gòu)框圖見圖6.2.3。圖6.2.3通道表結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖

采集系統(tǒng)由輸入多路模擬開關(guān)、可編程增益放大器、通道表存儲(chǔ)器、地址計(jì)數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器、采樣定時(shí)器以及接口電路組成。計(jì)算機(jī)總線為ISA總線，控制方式采用中斷方式。本采集系統(tǒng)共32個(gè)通道，模擬開關(guān)采用兩片CD4067級(jí)聯(lián)構(gòu)成，控制信號(hào)除4路通道地址線外，另需利用禁止（Inhabit）信號(hào)進(jìn)行片選，因此模擬開關(guān)的控制信號(hào)有5個(gè)。

可編程增益放大器的增益共有1、2、4、8、16、32、64、128八擋，需要三個(gè)地址選擇信號(hào)經(jīng)3-8譯碼后選擇對(duì)應(yīng)的增益。由此可知，通道選擇及增益選擇的控制信號(hào)共需8個(gè)，正好構(gòu)成一個(gè)字節(jié)，這就是本采集系統(tǒng)的通道控制字節(jié)，通道控制字節(jié)就是通道表的存儲(chǔ)內(nèi)容。

D7D6D5D4D3D2D1D0InhabitA3A2A1A0A2A1A0通道表存儲(chǔ)器采用28C16E2PROM，地址計(jì)數(shù)器采用74LS161級(jí)聯(lián)構(gòu)成，由于28C16的存儲(chǔ)容量為2K，因此需要12Bits二進(jìn)制地址線，故需采用3片74LS161級(jí)聯(lián)成12Bits地址計(jì)數(shù)器，A/D轉(zhuǎn)換器為MAX196。電路的工作過程為：（1）根據(jù)數(shù)據(jù)采集的要求編制通道表。（2）向存儲(chǔ)器寫入通道表，過程為：①向0340H口寫入任意數(shù)清零地址計(jì)數(shù)器；②向0346H口寫入00H，使數(shù)據(jù)總線三態(tài)隔離器處于導(dǎo)通狀態(tài)；③依次向0344H口寫入通道表中的控制字節(jié)，寫入的數(shù)量與通道表的長(zhǎng)度相等。結(jié)束后即可開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。（3）向0346H口寫入01H，使數(shù)據(jù)總線三態(tài)隔離器處于隔離狀態(tài)，為采集作好準(zhǔn)備。（4）當(dāng)采樣定時(shí)器的時(shí)鐘上升沿出現(xiàn)，經(jīng)反相后向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷后開始數(shù)據(jù)采集。每一個(gè)時(shí)鐘上升沿觸發(fā)一次中斷，并采集一次數(shù)據(jù)。（5）數(shù)據(jù)采集過程如下：①向0340H口寫入任意數(shù)清零地址計(jì)數(shù)器；②向