傳感器課程設(shè)計(jì)(論文)

吉林建筑工程學(xué)院城建學(xué)院電氣信息工程系自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)（論文）吉林建筑工程學(xué)院城建學(xué)院電氣信息工程系自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)（論文）第2頁共14頁第2頁共15頁第1章緒論1.1傳感器的定義能感受規(guī)定的被測(cè)量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。1.2溫度傳感器的組成通常，溫度傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。但是由于溫度傳感器輸出信號(hào)一般都很微弱，需要有信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路將其放大或變換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換可以安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路以及所需電源都應(yīng)作為傳感器的組成部分。

常見的信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路有放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等，它1.3傳感器的分類可以用不同的觀點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類：\o"查看圖片"

它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號(hào)類型以及制作它們的材料和工藝等。根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類：傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長。1.3.1傳感器按照其用途分類壓力敏和力敏傳感器位置傳感器液面?zhèn)鞲衅髂芎膫鞲衅魉俣葌鞲衅骷铀俣葌鞲衅魃渚€輻射傳感器熱敏傳感器24GHz雷達(dá)傳感器1.3.2傳感器按照其原理分類振動(dòng)傳感器濕敏傳感器磁敏傳感器氣敏傳感器真空度傳感器生物傳感器等。1.3.3傳感器按照其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)分類模擬傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。膺數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。開關(guān)傳感器——當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。1.3.4傳感器按照其材料為標(biāo)準(zhǔn)分類在外界因素的作用下，所有材料都會(huì)作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類：(1)按照其所用材料的類別分：金屬聚合物陶瓷混合物(2)按材料的物理性質(zhì)分：導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體磁性材料(3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分：單晶多晶非晶材料與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開發(fā)工作，可以歸納為下述三個(gè)方向：(1)在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際使用。(2)探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來改進(jìn)傳感器技術(shù)。(3)在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施?，F(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開發(fā)強(qiáng)度。傳感器開發(fā)的基本趨勢(shì)是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術(shù)的、能夠轉(zhuǎn)換能量形式的材料。1.3.5傳感器按照其制造工藝分類集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器陶瓷傳感器集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。薄膜傳感器則是通過沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。每種工藝技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。1.4傳感器的特性傳感器的特興奮偽靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性。1.4.1傳感器靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。（1）線性度：指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。（2）靈敏度：靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量之比。用S表示靈敏度。（3）遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。（4）重復(fù)性：重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。（5）漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。1.4.2傳感器動(dòng)態(tài)特性所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。1.4.3傳感器的線性度通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。擬合直線的選取有多種方法。如理論擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端點(diǎn)擬合、端點(diǎn)平移擬合，以及最小二乘法擬合。1.4.4傳感器的靈敏度靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對(duì)輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測(cè)量精度。但靈敏度愈高，測(cè)量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。1.4.5傳感器的分辨率分辨率是指?jìng)鞲衅骺筛惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)輸入變化值未超過某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當(dāng)輸入量的變化超過分辨率時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。第2章二線制橋式測(cè)溫電路概述2.1Pt100概述溫度是自然界中和人類打交道最多的物理參數(shù)之一，無論是在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，還是在居住休閑場(chǎng)所，溫度的采集或控制都十分頻繁和重要，而且，網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程采集溫度并報(bào)警是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。由于溫度不管是從物理量本身還是在實(shí)際人們的生活中都有著密切的關(guān)系，所以溫傳感器就會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生。Pt100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0℃時(shí)它的阻值為100歐姆，在100℃時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長的。由于PT100熱電阻的溫度與阻值變化關(guān)系，人們便利用它的這一特性，發(fā)明并生產(chǎn)了PT100熱電阻溫度傳感器。它是集溫度濕度采集于一體的智能傳感器。溫度的采集范圍可以在-200℃～+200℃，濕度采集范圍是0%～100%，精度可以達(dá)到0.2。表1.Pt100阻值隨溫度變化分度表溫度-50-40-30-20-100102030阻值80.384.288.292.196.0100103.9107.7111.6溫度405060708090100110120阻值115.5119.4123.2127.0130.9134.7138.5142.2146,0溫度130140150160170180190200阻值153.5157.3161.0164.7168.6172.1175.82.2LM234功能概述LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，lm324原理圖如圖1所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。圖1LM324外部引腳2.2.1LM324應(yīng)用舉例（1）反相交流放大器此放大器可代替晶體管進(jìn)行交流放大，可用于擴(kuò)音機(jī)前置放大等。電路無需調(diào)試。放大器采用單電源供電，由R1、R2組成1/2V+偏置，C1是消振電容。放大器電壓放大倍數(shù)Av僅由外接電阻Ri、Rf決定：Av=-Rf/Ri。負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。按圖中所給數(shù)值，Av=-10。此電路輸入電阻為Ri。一般情況下先取Ri與信號(hào)源內(nèi)阻相等，然后根據(jù)要求的放大倍數(shù)在選定Rf。Co和Ci為耦合電容。（2）同相交流放大器同相交流放大器的特點(diǎn)是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成1/2V+分壓電路，通過R3對(duì)運(yùn)放進(jìn)行偏置。電路的電壓放大倍數(shù)Av也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4，電路輸入電阻為R3。R4的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。（3）交流信號(hào)三分配放大器此電路可將輸入交流信號(hào)分成三路輸出，三路信號(hào)可分別用作指示、控制、分析等用途。而對(duì)信號(hào)源的影響極小。因運(yùn)放Ai輸入電阻高，運(yùn)放A1-A4均把輸出端直接接到負(fù)輸入端，信號(hào)輸入至正輸入端，相當(dāng)于同相放大狀態(tài)時(shí)Rf=0的情況，故各放大器電壓放大倍數(shù)均為1，與分立元件組成的射極跟隨器作用相同。R1、R2組成1/2V+偏置，靜態(tài)時(shí)A1輸出端電壓為1/2V+，故運(yùn)放A2-A4輸出端亦為1/2V+，通過輸入輸出電容的隔直作用，取出交流信號(hào)，形成三路分配輸出。（4）測(cè)溫電路感溫探頭采用一只硅三極管3DG6，把它接成二極管形式。硅晶體管發(fā)射結(jié)電壓的溫度系數(shù)約為-2.5mV/℃，即溫度每上升1度，發(fā)射結(jié)電壓變會(huì)下降2.5mV。運(yùn)放A1連接成同相直流放大形式，溫度越高，晶體管BG1壓降越小，運(yùn)放A1同相輸入端的電壓就越低，輸出端的電壓也越低。這是一個(gè)線性放大過程。在A1輸出端接上測(cè)量或處理電路，便可對(duì)溫度進(jìn)行指示或進(jìn)行其它自動(dòng)控制。（5）比較器當(dāng)去掉運(yùn)放的反饋電阻時(shí),或者說反饋電阻趨于無窮大時(shí)(即開環(huán)狀態(tài)),理論上認(rèn)為運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大(實(shí)際上是很大,如LM324運(yùn)放開環(huán)放大倍數(shù)為100dB，既10萬倍)。此時(shí)運(yùn)放便形成一個(gè)電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時(shí)，運(yùn)放輸出低電平。使用兩個(gè)運(yùn)放組成一個(gè)電壓上下限比較器，電阻R1、R1ˊ組成分壓電路，為運(yùn)放A1設(shè)定比較電平U1；電阻R2、R2ˊ組成分壓電路，為運(yùn)放A2設(shè)定比較電平U2。輸入電壓U1同時(shí)加到A1的正輸入端和A2的負(fù)輸入端之間，當(dāng)Ui>U1時(shí)，運(yùn)放A1輸出高電平；當(dāng)Ui<U2時(shí)，運(yùn)放A2輸出高電平。運(yùn)放A1、A2只要有一個(gè)輸出高電平，晶體管BG1就會(huì)導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED就會(huì)點(diǎn)亮。若選擇U1>U2，則當(dāng)輸入電壓Ui越出[U2，U1]區(qū)間范圍時(shí)，LED點(diǎn)亮，這便是一個(gè)電壓雙限指示器。若選擇U2>U1，則當(dāng)輸入電壓在[U2，U1]區(qū)間范圍時(shí)，LED點(diǎn)亮，這是一個(gè)“窗口”電壓指示器。此電路與各類傳感器配合使用，稍加變通，便可用于各種物理量的雙限檢測(cè)、短路、斷路報(bào)警等。（6）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器此電路可用在一些自動(dòng)控制系統(tǒng)中。電阻R1、R2組成分壓電路，為運(yùn)放A1負(fù)輸入端提供偏置電壓U1，作為比較電壓基準(zhǔn)。靜態(tài)時(shí)，電容C1充電完畢，運(yùn)放A1正輸入端電壓U2等于電源電壓V+，故A1輸出高電平。當(dāng)輸入電壓Ui變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，二極管D1導(dǎo)通，電容C1通過D1迅速放電，使U2突然降至地電平，此時(shí)因?yàn)閁1>U2，故運(yùn)放A1輸出低電平。當(dāng)輸入電壓變高時(shí)，二極管D1截止，電源電壓R3給電容C1充電，當(dāng)C1上充電電壓大于U1時(shí)，既U2>U1，A1輸出又變?yōu)楦唠娖?，從而結(jié)束了一次單穩(wěn)觸發(fā)。顯然，提高U1或增大R2、C1的數(shù)值，都會(huì)使單穩(wěn)延時(shí)時(shí)間增長，反之則縮短。如果將二極管D1去掉，則此電路具有加電延時(shí)功能。剛加電時(shí)，U1>U2，運(yùn)放A1輸出低電平，隨著電容C1不斷充電，U2不斷升高，當(dāng)U2>U1時(shí)，A1輸出才變?yōu)楦唠娖健５?章課程設(shè)計(jì)的分析3.1部分結(jié)構(gòu)與功能分析3.1.1橋路分析二線制橋式測(cè)溫電路硬件原理圖見附錄Ⅰ所示，轉(zhuǎn)換電路采用的是橋式測(cè)量的方法，其中R1、R2、VR2以及Pt100構(gòu)成測(cè)量橋。敏感元件Pt100與滑動(dòng)變阻器VR2接在相鄰橋臂上R1、R2為定值電阻，其大小為2K。在室溫下測(cè)得Pt100阻值約為104歐姆，根據(jù)電橋平衡條件:所以，應(yīng)先將滑動(dòng)變阻器VR2阻值調(diào)為104歐姆，以保證電橋平橫。其中，在測(cè)量時(shí)VR2的阻值不再變動(dòng)，而Pt100的阻值會(huì)隨溫度的變化而變化，故此電橋?yàn)閱伪垭姌?。TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。他的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值。此電路中也應(yīng)用到了TL431，它與滑動(dòng)變阻器VR1配用實(shí)現(xiàn)對(duì)電橋的供電，此電路中供電電壓設(shè)為4.096V，近似為4.1V。3.1.2放大電路分析通過電橋測(cè)得的電壓變化量是極其微弱的，不方便對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，故本電路中用到了LM324的放大作用對(duì)所測(cè)得的電信號(hào)進(jìn)行放大。放大電路如圖：圖2信號(hào)放大部分原理圖LM324內(nèi)共包含4個(gè)運(yùn)算放大器，本電路只用到其中的一個(gè)作為放大作用。若設(shè)電橋電壓的變化為Uc，設(shè)放大后電壓為Ue，那么故經(jīng)運(yùn)算放大器之后，橋路所測(cè)電壓被放大了100倍，經(jīng)由R7輸出到測(cè)量端，在測(cè)量端的電壓已足夠大，滿足可測(cè)量的要求，這樣，從信號(hào)的檢測(cè)，轉(zhuǎn)換以及信號(hào)的放大、輸出便完成了。3.2調(diào)試過程分析硬件電路焊接好經(jīng)檢查確認(rèn)無誤后，便可開始調(diào)試。應(yīng)先調(diào)節(jié)與Pt100接于相鄰橋臂的電位器VR2，使其阻值與室溫狀態(tài)下Pt100的阻值相等，構(gòu)建電橋的平衡。電橋調(diào)節(jié)平衡后，接通5V直流電源。調(diào)節(jié)電位器VR1，使加在電橋兩端電壓近似為2.2V，在測(cè)量端接上電壓表測(cè)量輸出地電壓值。將Pt100用手握緊觀測(cè)輸出地電壓變化，并記錄此時(shí)Pt100的阻值。經(jīng)過測(cè)量，數(shù)據(jù)如下：表