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1、摘摘 要要传感器与自动检测主要介绍了检测技术的基本知识，工业、生活等领域常 用传感器和一些新型传感器的工作原理、基本结构和安装使用方法，检测系统的信 号处理和抗干扰技术，传感器的综合应用、综合实训和综合设计等。 传感器与自动 检测以实用性、操作性、创新性为特色，以项目为载体，采用任务驱动的教学方 式，突出了各种常用传感器的单项和综合应用内容；同时设置了传感器综合实训和 设计项目，以加强对传感器实际应用能力的培养和提高。 传感器与自动检测可作 为高职院校、成人学校及本科院校开办的二级职业技术学院电气自动化关键词： 电子秤 电阻式传感器 三运放大电路 新型传感器前 言电子秤采用现代传感器技术、电子
2、技术和计算机技术一体化的电子称量装置， 才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有 效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。 本课程设计的电子秤是利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性 关系，建立具体的数学模型，将电压量纲 V 改为重量纲 g 即成为一台原始电子秤。 其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感 器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的 数据更精确。而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定 倍数的放大，以满足 A/D 转换器对
3、输入信号电平的要求。A/D 转换的作用是把模拟信 号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示路中去，最后由显 示电路显示出测量结果。 由于溶剂使用率的减少，以及更为强大的物质出现，需要提高过程称重仪表精确度 的呼声越来越高。例如研究显示，随着新型甜味剂的出现，消费者可以识别 1ppm 的 偏差。这相当于一批重量为一吨的产品中一克的偏差。过程称重技术是可在如此广 的范围内精确并且可靠测量的为数不多的测量过程之一。由于该过程具有高度的动 态性，因此还可确保测量设备的灵活应用，这在需要制造的产品经常变化的情况下 十分重要。为了确保过程的质量与可再生性，梅特勒-托力多所生产的 MinWe
4、igh为 用户提供了根据所使用称重设备以及所需精确度计算与监测最小重量的智能称重功 能。在这种情况下，必须了解准确性、重复性以及分辨率的实际意义。在称重技术 领域中，许多制造商开始采用在不提高精度和重复性等相关参数的情况下提高显示 精度的做法。尽管通过这种方法从表面上看可以达到更高的精度，但是进一步分析 证实这是一种错误的做法。即使对于料罐的液位测量而言，提高使用超声波的标准 液位测量方法精确性的需求促使了基于称重的解决方案的出现。目前，即使是重量 超过百吨的料罐仍可“放在秤上” 。由于这种称重技术可在无需接触介质的情况下直 接进行质量测量，并且可耐受泡沫与水气的影响，因此还可用于其他诸多的关
5、键应 用。在工业，农业，制造业加工领域当中，过程称重技术正在越来越多的应用中发 挥着重要作用。人们恐怕想不出许多能够与称重一样令人熟知与随处可见的测量过 程。无论是在浴室秤上测量自己恼人的体重，还是在机场办理手提箱托运，称重几 乎是一种随处可见的过程。那么究竟哪些是最为重要的传感器技术、发展与未来开 发产品呢?应变片的应用基于应变片的传感器始终具有较高的称重精确度。在过去的 10 年当中，这种称 重传感器的精确度提高了 5 倍，这意味着应变片式称重传感器可以用于此前力补偿 传感器可以使用的应用领域当中。目前，基于应变规的测量系统用于水箱与锅炉称 重、罐装系统、称重平台与检重秤。由于这种测量原理
6、具有机械坚固性以及外等功 能，因此很有可能在未来获得极高的普及率。压力补偿在生产环境中使用力补偿传感器的愿望可以令人理解。没有其他的任何测量原理可以在如此广的范围内提供如此精确并且可靠的结果。随着最新工业开发成果的 问世，这些传感器现已能够在需要较高防护等级保护的危险区域内使用。复杂的过 滤器算法，加上强大的微处理器，能够很可靠地区分质量与环境影响的有效变化。 内置检测砝码可确保随时对测量结果进行校准与验证。除了平台秤之外，常规应用 包括配料、高精密灌装以及检重。传感器技术前景当今的称重解决方案通常基于两种传感器技术：应变片技术与力补偿技术。以 往，高分辨率力补偿传感器主要用于实验室。与之相反
7、，应变片技术用于许多工业 应用。但现在两种重要发展已经开始消除了这种差异，那就是：应变片传感器的分 辨率更高以及力补偿传感器在过程应用中的使用频率正在增加。目 录1.数字电子秤的基本原理 (5) 2.数字电子秤的构成 (5)2.1 传感器 (5)2.2 三运放大电路 (6)2.3 间接比较型模式转换器 AD (7)2.4 CT74LS290 计数器介绍 (9)2.5 集成二进制七段译码驱动器介绍(10) 3.设计总结 (12) 4.附录(13) 5.参考文献 (16)1 绪论1.1 数字电子秤简介数字电子秤简介电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现
8、实生活中提出的 “快速、准确、连续、自动 ”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。1.2 数字电子秤的基本原理数字电子秤的基本原理数字电子秤一般由以下 5 部分组成：传感器、信号放大系统、模数转换系统、显示器、和量程切换系统。其原理图如图（1）所示。图（1）电子秤的测量过程实际是通过传感器将被测物体的重量转换成电压信号输出，放大系统把来自传感器的微弱信号放大，放大后的电压信号经过模数转换把模拟信号转换成数字量，数字量通过显示器显示重量。电阻应变式传感器输出信号三运放大电路放大信号显示电路A/D 转换电路2 系统设计2.1 传感器传感器电子秤传感器
9、的测量电路通常使用桥式测量电路，它将应变电阻值的变化转换为电压或电流的变化，这就是传感器输出的电信号。电桥电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压 U，另一个对角线为输出电压 Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。图（2） 全桥测量电桥图（其中 V0输出为 02mv）激励电压: 9VDC12VDC ； 灵敏度: 20.1mV/
10、V输入阻抗: 40510 ； 输出阻抗: 3503 极限过载范围: 150% ； 安全过载范围: 120%使用温度范围: -20+602.2 三运放大电路三运放大电路本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。在许多需要用 A/D 转换和数字采集系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足 A/D 转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。 图（3）三运放大电路结构图 为使系统产生的误差更小，传统上，设计秤重、测力、转矩及压力测量系统时，输出的数据更精确广泛采用全桥
11、接电阻传感器的方法。本设计采用全桥测量电路。大多数桥接传感器都要求较高的激励电压（通常为 10 V），同时输出较低的满量程差动电压，约为 2 mV/V。传感器的输出通常由仪表放大器加以放大。2.3 间接比较型模式转换器间接比较型模式转换器 A/D（1）双积分 ADC 简介间接比较型 A/D 转换器是先将模拟信号电压变换为相应的某种形式的中间信号，然后再将这个中间信号变换为二进制代码输出。双积分式 ADC 就是一种首先将输入的模拟信号变换成与其成正比的时间间隔，然后再在这段时间间隔内对固定频率的时钟脉冲信号进行计数的 A/D 转换器，所获得的计数值就是正比于输入模拟信号的数字量。双积分 AD 电
12、路由积分器、比较器、计数器、参考电压源、电子切换开关、逻辑控制及 CP 信号几部分组成，原理框图和积分波形如图（4）示。图（4-1）原理图图（4-2）积分波形图图（5）所示为双积分 AD 原理图，图中 S0，S1为模拟开关，控制逻辑包括一个 n 为计数器，附加触发器 Fc，模拟开关驱动电路 L0，L1及门 G1，G2等。转换开始前，令转换控制信号 Vs=0 计数器和附加触发器均置 0，S0闭合，电容器充分放电，V01=0。当 Vs=1 以后,S0断开，A/D 转换开始。分下面两个阶段：1) 通过 2 次积分将 Vi转换成相应的时间间隔。转换开始时 t=0,S1与 Vi接通，2) Vi通过 R
13、对 C 充电，积分器输出电压负向线性变化，积分器对 Vi在0t1时间积分。当 t=t1时, 1 0111 0( )i itVVtVdttRC 式中，Vi为 0t1时的输入模拟电压的值。3) 量化编码阶段。利用计数器对已知的时钟脉冲计数至 t2，完成 A/D 转换。从 t=t1开始，S1与参考电压VREF接通，通过 R 对 C 反向充电，V01逐渐上升，经 t2t1时间间隔，V0=0。2 012011121 1( )( )( )()0iREF REFttVVVtVtVdttttRCRC 所以 1 221i REFtTttVV因为 VREF和 t1为定值，所以 T2与 Vi成正比，即将 Vi变换为
14、与它成正比的时间间隔。在 T2阶段，将 CP（周期为 Tc）送入计数器计数，则 21iccREFTtVNTTV图（5）双积分 A/D 装换器原理图由此可见，计数器计数所获得的数字量正比于输入模拟电压。双积分 A/D 转换器工作波形如图（6）所示。它具有工作性能稳定的优点，输出数字量与积分器时间常数无关，对干扰（如工频干扰等）有很强的抑制作用，但该电路转换速度低。图（6）双积分 A/D 装换器工作波形图2.4 CT74LS290 计数器介绍计数器介绍由双积分 A/D 装换器转换出的数字脉冲进入 CT74LS290 计数器中进行计数进位计算其工作原理如下当输入第 1 9 个脉冲时，百分位片计数；十
15、分位片、个位片、十位片的 CP0 未出现脉冲下降沿，因而保持计数“0”状态不变；当输入第 10 个脉冲时，百分位片返回计数 “0”状态，其 Q3 输出一个下降沿使十位片计数 “1” ，因此输出读数为 Q3Q2Q1Q0 Q3 Q2 Q1 Q0 = 00010000，即计数 “0.10” 。当输入第 11 19 个脉冲时，仍由百分位片计数，而十分位片保持 “1”不变，即计数为“11 19” ；当输入第 20 个脉冲时，个位片返回计数“0”状态，其 Q3 输出一个下降沿使十位片计数“2” ，即计数为“0.20” 。以后以次类推。当输入第 101109 个脉冲时，十分位片计数；个位片的 CP0 未出现脉冲下降沿，因而保持计数“0”状态不变；当第 110 个脉冲时，十分位片返回计数 “0”状态输出一个下降沿使3Q个位片计数 “1” ， 因此输出读数为=000100000000，即计数“1.00”321032103210Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q当输入第 111119 个脉冲时，仍
