毕业设计-传感器与检测技术23页

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1、课程设计说明书课程设计说明书 传感器与检测技术传感器与检测技术 【摘摘要要 】： 传感器技术是现代信息技术的重要基础之一。传感器的性 能对自动化系统的功能起决定作用，在一般运用场合中传感器测量主要 采用开环测量方式，这种方式结构简单，能满足一般精度的需求。但在 高精度测量条件下，如电子分析天平，则必需采用闭环控制引入反馈环 节，提高测量精度。本论文设计了一种用于高精度测量的反馈式力传感 器。通过对位移量的处理输出反馈控制信号，使系统达到平衡状态。系 统结构由前向通道和反馈控制两部分组成。本文给出了反馈控制模块设 计制作方案，主要完成了单片机控制系统、1602 显示模块、 PID 控制算法设计、

2、系统电源电路的设计，并给出了具体参数、分析过程和 调试结果及相应的实物图。整个控制系统设计简洁，集成度较高，控 制效果较好，达到了设计要求。 【关键词关键词】：传感器，设计 目目 录录 第第 1 章章 传感器的基本知识传感器的基本知识 1.1.传感器的定义传感器的定义.5 1.2.传感器的分类传感器的分类.5 1.3.传感器的特性传感器的特性.5 1.4.传感器的线性度，灵敏度，分辨力传感器的线性度，灵敏度，分辨力.6 1.5.电阻式，电阻应变式，压阻式，热电阻传感器，传感器的迟滞特性介绍电阻式，电阻应变式，压阻式，热电阻传感器，传感器的迟滞特性介绍.6 第第 2 章章 对温度传感器的设计对温

3、度传感器的设计.7 21 模拟输出模拟输出 IC 传感器和数字输出传感器和数字输出 IC 传感器之间有什么差别？传感器之间有什么差别？.8 2.2 使用温度传感器时必须考虑哪些因素？使用温度传感器时必须考虑哪些因素？.9 2.3 IC 温度传感器与热敏电阻有何不同？温度传感器与热敏电阻有何不同？.9 2.4 什么是自动风扇转速控制？什么是自动风扇转速控制？.10 第第 3 章章 光纤光栅传感器的应用光纤光栅传感器的应用.11 3.1 光纤光栅传感器的优势光纤光栅传感器的优势.11 3.2 光纤光栅的传感应用光纤光栅的传感应用.12 3.3 传感器设计方案：传感器设计方案：.15 第第 4 章章

4、 对霍尔传感器的设计对霍尔传感器的设计 .15 参考文献：参考文献：.24 第第 1 章章 传感器的基本知识传感器的基本知识 1.1.传感器的定义传感器的定义 国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定 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.传感器的分类传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但

5、比较常用的有如下三种： 1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等 传感器 2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光 栅、热电偶等传感器。 3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和0”或 “开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码 的数字型传感器。 1.3.传感器的特性传感器的特性 传感器的特征包括静态特征和动态特征。 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

6、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、分辨力和迟滞等。 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.传感器的线性度，灵敏度，分辨力传感器的线性度，灵敏

7、度，分辨力 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。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线； 或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合 直线称为最小二乘法拟合直线。 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

8、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。 分辨力是指传感器可能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力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内 各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中

9、能使输出量产生阶跃变化的输入量 中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示， 则称为分辨率。 1.5.电阻式，电阻应变式，压阻式，热电阻传感器，传感器的迟滞特性介绍电阻式，电阻应变式，压阻式，热电阻传感器，传感器的迟滞特性介绍 电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这 些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电 阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。 传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形 变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类， 金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式

10、之分。半导体应变片具有灵敏度高（通 常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散 电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成 电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就 会产生相应的不平衡输出。 用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏 感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速 度的固态压阻式传感器应用最为普遍。 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及 与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场

11、合，这种传感器比较适用。 目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性 好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200+500 范围内的温度。 迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间 输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值MAX 与满量程输出 FS 的百分比表示。 第第 2 章章 对温度传感器的设计对温度传感器的设计 温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD) 和 IC 温度传感器(见下表)。IC 温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类 型。 热电偶应用很广泛，因为它们非常坚

12、固而且不太贵。热电偶有多种类型， 它们覆盖非常宽的温度范围，从?C200到 2000。它们的特点是：低灵敏度 、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性 。另外，热电偶需要外部参考端。 RTD 精度极高且具有中等线性度。它们特别稳定，并有许多种配置。但它 们的最高工作温度只能达到 400左右。它们也有很大的 TC，且价格昂贵(是热 电偶的 410 倍)，并且需要一个外部参考源。 模拟输出 IC 温度传感器具有很高的线性度 (如果配合一个模数转换器或 A DC 可产生数字输出)、低成本、高精度(大约 1%)、小尺寸和高分辨率。它们的 不足之处在于温度范围有限(?C551

13、50)，并且需要一个外部参考源。 数字输出 IC 温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当慢(1 00 ms 数量级)。虽然它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转换 模式使其在需要测量之前将 IC 设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。 与热敏电阻、RTD 和热电偶传感器相比，IC 温度传感器具有很高的线性，低系 统成本，集成复杂的功能，能够提供一个数字输出，并能够在一个相当有用的 范围内进行温度测量。 温度测量传感器比较。 21 模拟输出模拟输出 IC 传感器和数字输出传感器和数字输出 IC 传感器之间有什么差别？传感器之间有什么差别？ 模拟输出 IC 传感器输出与温

14、度成正比的电压或电流，而数字输出 IC 传感器通 过其内置的 ADC 将将传感器的模拟输出转换为数字信号。 IC 温度传感器的实际检测是采用一个简单的晶体管 p-n 结，通过测量其基极- 发射极结电压(VBE)检测温度变化。p-n 结两端的电压具有大约 2 mV/的固有 温度依赖关系(见图 1)。这也被称为二极管温度传感器。通过内置 ADC 对传感 器的模拟输出进行数字化，可以得到其数字输出。 图 1：本图示出硅二极管的电阻响应特性与温度的关系曲线。 2.2 使用温度传感器时必须考虑哪些因素？使用温度传感器时必须考虑哪些因素？ 有两个主要考虑因素：需要测量什么和必须以多高的精度进行测量。这两个

15、因 素受使用的传感器类型和它与温度测量点的相对位置 (即传感器的安装位置) 的影响。这一点对于像 IC 传感器这样的固有自身发热传感器很重要，因为它测 量的温度实质上是晶体管 p-n 结二极管本身的温度。 对于 IC 温度测量，如 CPU 本地温度，温度测量并不那么直接。精确的测量方法 是使用一个集成在 CPU 之内的温度二极管监测器(见图 2)。 图 2：可将温度二极管测量电路集成到在 CPU 上的本地温度传感器，或在印制电 路（PCB）板上作为一个分立二极管连接晶体管。 2.3 IC 温度传感器与热敏电阻有何不同？温度传感器与热敏电阻有何不同？ 尽管这两种传感器都具备小外形尺寸并且提供模拟

16、输出，但 IC 传感器具有更高 的线性和更宽的工作温度范围。它可以集成其它的内置功能，例如提供数字输 出的 ADC，数模转换器(DAC)、参考电压源和风扇控制电路。IC 传感器集成复杂 电路的能力意味着比热敏电阻的总系统成本低(热敏电阻需要许多附加的外部元 件)，并且随着 IC 制造线宽的进一步缩小，IC 传感器的封装尺寸也将减小。 数字输出温度传感器比模拟输出温度传感器有哪些优势？ 与其它三种主要类型温度传感器(热电偶、RTD 和热敏电阻)不同，数字输出 IC 温度传感器不需要外部线性化电路转换。此外，由于其 IC 集成特性，它们自然 会降低成本。它们可与常见的计算机总线(例如 I2C 总线、SPI 总线和 SMBus 等)连 接。而且，它们允许与远端其它传感器进行通信，以完成一些控制任务(例如风 扇转速控制和总体系统温度控制)。 2.4 什么是自动风扇转速控制？什么是自动风扇转速控制？ 自动风扇转速控制实际上是使用一个本地数字输出温度传感器来检测 CPU 的实 际管芯温度。将传感器的输出馈送给一个控制 CUP 散热风扇转速的脉冲宽度调 制器(PWM)或 DAC。这样可将 CPU 的