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1、无锡职业技术学院毕业设计论文传感器灵敏度自动化测量系统目 录1. 内容摘要.12. 引 言13. 测量原理以及软硬件设置24. 实施方案75. 不确定度分析.196. 结 论.217. 小 结.228. 参考文献.22摘要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。换能器为传感器的一种。从其名字上不难看出，换能器是完成能量准换的器件！我们本次设计主要讨论的是水声换能器，是将声电进行转换的一种传感器.本论文主要讲述的是利用水生换能器
2、的特性，利用各种部件模拟一套利用信号发生源，发射放大器，以及压电陶瓷传感器，示波器，GPIB总线系统和PC终端机构成一个自动化传感器测量系统。其中测量过程为：通过信号源发射电压信号，通过水中传播，通过水听器（水声换能器）的测量结果进过GPIB总线的传输，到达PC机终端。进过演算和测量从而求出其灵敏度和不确定度关键词：传感器；换能器;灵敏度;不确定度1. 引言1.1目前水声换能器的前景 地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。声纳设备的功能，就是收听
3、水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。1. 水声换能器的应用目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。以频率范围在10kHz200kHz的较多，
4、功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。一般工作频率在100kHz500kHz。（3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不
5、平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。1.2水声换能器的测量的目的及意义计量具有传递特性的，它是以传递量值为目的的测量。而测试通常是无传递特性的，它是以确定某种产品技术指标和性能或定量描述某物理现象为目的的测量，该论文就是主要测试水声换能器接收器的灵敏度。 计量具有传递特性的，它是以传递量值为目的的测量。而测试通常是无传递特性的，它是以确定某种产品技术指标和性能或定量描述某物理现象为目的的测量，该论文就是主要测试水声换能器接收器的灵敏度。1.3 水声换能器测试方法现状水声换能器测试方法的典
6、型代表是比较法，由于此法所用仪量仪表少、测量步骤少、测量程序简单，因而产生误差的来源要少一些，所以在水声测量中，此法应用的比较广泛，当此法只采用一个标准换能器进行比较时，其校准精度要比参考标准的原校准精度要低一些，并且在实践中，还可检查出所用的标准换能器是否失效，在此校准中，通常采用标准水听器作比较，而尽量不用标注发射器作比较。2.水声换能器测量的原理和方法2.1 水声换能器的主要参数水声换能器的主要性能指标有；水中工作频率、工作频率范围、频带宽度、发射声源级（声功率）及发射响应、指向性、接收灵敏度及接收灵敏度响应、发射效率、品质因素、阻抗、最大工作深度、尺寸和重量等。其中：(1). 工作频率
7、水声换能器的工作频率或工作频率范围通常是由声纳设备的工作频率确定的。换能器的阻抗、指向性、灵敏度、发射功率、尺寸等都是频率的函数。一般说来，对发射换能器要计算它在谐振频率上或在谐振频率附近有限频带内的性能指标，在这个频率及其附近有最大的发射效率。对于宽带接收换能器（压电换能器）谐振频率应远高于接收频带的上限，以保证宽带内有平坦的接收响应且要计算它在谐振频率及其以下频段内的接收响应。大型低频声纳换能器的频率在数十赫到数千赫，而小型目标探测声纳换能器在数十千赫到数百千赫。(2). 指向性不管是换能器还是换能器阵，它们的发射响应或接收响应会随着相对于它们的方向改变而变化。这就是换能器具有指向性，发射
8、换能器发射的声波如同探照灯射出的光束一样。由于换能器具有指向性就可以把声能聚集到某个方位发射，使能量更加集中。采用许多换能器组成尺寸更大的基阵，在相同的频率上指向性更加尖锐，能量更加集中，发射的距离更远，在接收状态下信噪比更大，作用距离也越远。(3) 阻抗（或导纳）特性换能器在谐振频率附近可以看成一个简单串并联的等效电路。电路中的每一个电阻、电容或电感表示该换能器固有特性，这就是换能器阻抗（或导纳）特性。掌握了换能器的阻抗特性才能使它与发射机的末级回路或接收机的输入电路相匹配。换能器的阻抗（或导纳）是一个复数，它是频率的函数，一般可表示成：Z(w)=R(w)+jX(w) （单位：欧姆
9、）。在机械共振时动态无功抗趋于零，静态容抗可用匹配电感调谐此时可以把它看成一个纯阻。压电换能器电阻抗一般在数十欧姆到数千欧姆的范围内。(4). 发射功率发射换能器的功能是将电子发射机的电功率转变为机械振动的机械功率，再把机械功率转变为声功率发射出去。发射声功率是指换能器在单位时间内向介质中辐射能量多少的物理量，功率的单位用瓦表示。换能器的发射功率受额定电压（或电流）、动态机械强度、温度及介质特性等因素的制约。(5) 发射响应能够全面反映发射换能器性能指标的是发射响应，主要有发射电压响应和发射电流响应。发射电压响应SV的定义是指发射换能器在指定方向上离其有效声中心d0米距离上产生的自由场表观声压
10、Pf与加到换能器输入端的电压U的比值：SV=Pfd0/U。发射电压响应通常用分贝表示。发射电流响应是指发射换能器在指定方向上离其有效声中心d0米距离上产生的自由场表观声压Pf与加到换能器输入端的电流I的比值：SI=Pf d0/I 。发射电压响应通常用分贝表示。(6). 接收灵敏度换能器的自由场电压灵敏度指的是接收换能器在入射声波的作用下，输出端的开路电压U(w)与自由场中（假设接收换能器不存在时）它的声中心所在点的声压Pf(w)的比值M(w)。对于接收换能器而言，需要在很宽的频率范围内接收入射声信号，而压电换能器通常是在低于谐振频率的宽频带范围内工作。(7)接收灵敏度的起伏宽带接收换
11、能器要求在使用的频范围内有比较平坦的接收响应。通常规定在工作频段内接收电压灵敏度起伏量为±1.5dB。2.2 程控接口2.2.1 IEEE488接口（GPIB接口）GPIB接口于1965年首先由美国HP公司设计推出。开始主要用于该公司自己生产地仪器与计算机之间地连接，被命名为HP-IB。由于该接口当时地高传输速率（1MB/S），很快在测量领域流行起来，最后被吸纳为IEEE标准488-1975，并进一步被接纳为ANSI/IEEE标准488.1-1987，GPIB则是比HP-IB、IEEE488更为流行地叫法。今天，GPIB测试技术有了长足地发展，ANSI/IEEE488.2-1987标
12、准更严格地定义了控制器与仪器之间地通信方式；在GPIB总线规范基础上发展起来的VXI总线测试系统更是代表了仪器测试技术发展的潮流。GPIB接口的问世使得自动化测试中仪器得互连有了统一得标准，推动了仪器制造业的技术发展，在以后的20年间，各种带标准接口的测试仪器如雨后春笋般涌现出来，使检测人员能够轻而易举的组成各种功能强大的自动化测试系统。用GPIB接口总线构成的系统总线上可连接不同传输速率的仪器设备多达14台，在程控仪器仪表与计算机联网系统中起着一个重要的桥梁作用。用GPIB接口与总线构成的系统包括总线、接口和设备。GPIB总线是系统级的总线，该总线上连接的程控仪器设备都包含两部分功能，一种是
13、仪器本身的设备功能，一种是实现GPIB接口与总线规约的接口功能。2.2.2 接口功能在接口系统中，为了进行有效地信息传递，一般要包括三种基本地接口功能要求，即讲者、听者和控者。控者是对系统进行控制的设备，能管理GPIB上的通信，使系统按适当的命令正确运行。它能发出接口消息，如各种命令、地址，也能接收仪器发来的请求和信息。讲者使发出装置消息的设备，即能输出数据。在一个系统中可以有一个或多个讲者，但在任一时刻只能有一个讲者工作。听者使接收讲者所发出的装置消息的设备，从GPIB接收数据。在一个系统中可以有几个听者，且可以有一个以上的听者同时工作。在一个GPIB系统中至少应该具有一个讲者功能和一个听者
14、功能，以便传递信息，在自动测试系统中还应具备控者功能。一台仪器可具有上述一、二或三个功能。接口消息是指用于管理接口系统的消息，它只能在接口功能及总线之间传递，并为接口功能所利用和处理，而绝不允许传递到装置功能部分去，装置消息在装置功能间传输，并由装置功能所利用和处理，它不改变接口功能的状态。2.2.3 VISA控制技术VISA是一种用于仪器程控的标准I/O应用程序接口（API），VISA本身不提供仪器程控能力，它是一种调用低级驱动程序的高级应用编程接口。NI-VISA的层次结构如图2所示:VISA可以根据所用仪器的类型调用适当的驱动程序，以实现对VXI、GPIB或串口仪器的控制。应用VISA的
15、理由：VISA是标准。VISA是整个仪器工业做仪器驱动程序的标准API。可以利用一个API来控制一系列不同类型的仪器，如VXI、GPIB和串口。接口无关性。VISA利用同样的操作来与各仪器进行联系，而不必考虑接口的类型。例如为实现向一个消息基仪器写一个ASCII字符串而采用的命令都是统一各，而不管这个仪器是串口、GPIG或是VXI。因此，VISA提供了接口无关性。这使得在各个总线接口间得切换变得更加容易，同时这也意味者使用者只需学习一个API即可实现仪器针对不同接口的编程。平台无关性。VISA被设计为利用VISA函数调用实现的程序，可以很容易地从一个平台转到另一个平台。为保证平台无关性，VISA严格定义了自己地数据类型。这便保证了诸如一个整型变量的大小是几个字节这样的问题，不会影响一个VISA程序从一个平台成功转移到另一个平台。VISA的函数调用及相关参数在不
