【正文】 ，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 傳 感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標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。 傳感器動態(tài)特性是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應(yīng)容易用實驗方法求得，并且它對標 準輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 7 dAC or???方案一 壓電傳感器 壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應(yīng)的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。 壓電傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學(xué)量的測量，不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。壓電器件的弱點：高內(nèi)阻、小功 率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。 方案二 電容式傳感器 電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器。它有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學(xué)非電參量。 電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當不考慮其邊緣效應(yīng)（兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時，其電容量為 （ ） 式 （ ） 中 d ——兩極板間的距離； A——兩平行極板相互覆蓋的有效面積； r? ——介質(zhì)的相對介電常數(shù)； o? ——真空中介電常數(shù)。 若被測量的變化使式中 d 、 A、 r? 三個參量中任一個發(fā)生變化，都會引起電容量 的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。 雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡單和良好動態(tài)特性等諸多優(yōu)點，但也有不利因素： （ 1）小功率、高阻抗。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般僅幾皮法至幾十皮法。因 C 太小，故容抗 CX =1/? C 很大，為高阻抗元件，負載能力差；又因其視在功率 P= 2ou ? C ， C 很小，則 P 也很小。故易受外界干擾，信號需經(jīng)放大，并采 取抗干擾措施。 （ 2）初始電容小，電纜電容、線路的雜散電路所構(gòu)成的寄生電容影響很大。 方案三 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，基于單片機的電子稱設(shè)計 8 )( 43 421 1 RR RRR RE ????))(( 4321 4231 RRRR RRRRE ?? ??3421 RRRR ?電阻應(yīng)變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。 導(dǎo)體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為△ R/R 后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便 處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的△ R/R 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。 直流電橋的特點是信號不會受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應(yīng)變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放 大器放大。 直流供電的平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E 如圖 所示。 圖 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。 當忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： ADABBDo uuuu ??? （ ） 當 滿足條件 R1R3=R2R4 時，即 （ ） ou =0，即電橋平衡。 式（ ）稱 平衡條件。 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 9 ? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR???應(yīng)變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。 若差動工作，即 R1=R△ R,R2=R+△ R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式（ ）， 則電 橋輸出為 Ek?? （ ） 應(yīng)變片式傳感器有如下特點： （ 1）應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機械量傳感器。 （ 2）分辨力和靈敏度高，精度較高。 （ 3）結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小， 對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好 。 （ 4）商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。題目要求稱重范圍 0～ 5Kg,滿量程量誤差不大于 ? ，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重 5Kg。我們選擇的是電阻應(yīng)變片壓力傳感器，量程為 5Kg，精度為 % ，滿足本系統(tǒng)的精度要求。 前級放大器部分 經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行信號轉(zhuǎn)換。為 此，測量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來完成。 放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求： 輸入阻抗應(yīng)遠大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負載效應(yīng)會使所測電壓造成偏差。 抗共模電壓干擾能力強。 在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以保基于單片機的電子稱設(shè)計 10 證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 能附加一些適應(yīng)特定要求的電路。 如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方便準確的量程切換、極性自動變換等。 我們考慮了以下幾種方案： 方案一 由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器。 差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放 (如 OP07)做成一個差動放大器，如圖 所示 。 圖 利用普通運放構(gòu)成的放大器 電阻 R R2 和電容 C C C C4 用于濾除前級的噪聲， C C2 為普通小電容，可以濾除高頻干擾， C C4 為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。 優(yōu)點：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大 電路，滑動變阻器R6 可以調(diào)節(jié)輸出零點，最后一級可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比 較符合應(yīng)用要求。 缺點：此電路要求 R R4 相等，誤差將會影響輸出精度，難度較大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲，對精度影響較大 。 方案二 采用專用儀表放大器，如： AD620， INA126 等。 此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。 以 INA126 為例 ,接口如圖 所示 。 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 11 圖 INA126 儀表放大結(jié)構(gòu)圖 放大器增益 ，通過改變 RG 的大小來改變放大器的增益。 INA126 具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點。其最大輸入偏置電流為 20nA，這一參數(shù)反映了它的高輸入阻抗。 INA126 在外接電阻 RG 時，可實現(xiàn) 1~1000 范圍內(nèi)的任意增益；工作電源范圍為 177。~177。18V；最大電源電流為 ；最大輸入失調(diào)電壓為 125? V；頻帶寬度為 120kHz（在 G=100 時）。 基于以上分析，我決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大 器 INA126。 信號轉(zhuǎn)換 方案一 采用 A/D 轉(zhuǎn)換 （一） A/D 轉(zhuǎn)換原理： 逐次逼近法 逐次逼近式 A/D 是比較常見的一種 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時間為微秒級。 采用逐次逼近法的 A/D 轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成?；驹硎菑母呶坏降臀恢鹞辉囂奖容^，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。逐次逼近法轉(zhuǎn)換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 D/A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為 Ｖ o，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖ i 進行比較，若Ｖ oＶ i，該位 1 被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為 1，將寄存器中新的數(shù)字量送 D/A 轉(zhuǎn)換器，輸出的 Ｖ o 再與Ｖ i 比較，若Ｖ oＶ i，該位 1 被保留，否則被清除。重復(fù)此過程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。 雙積分法 采用雙積分法的 A/D 轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成?；驹硎菍⑤斎腚妷鹤儞Q成與其平均 值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。雙積分法 A/D 轉(zhuǎn)換的過程是：先將開關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖ i，Ｖ i 采樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間Ｔ的正向積分，時間Ｔ到基于單片機的電子稱設(shè)計 12 后，開關(guān)再接通與Ｖ i 極性相反的基準電壓ＶＲＥ F，將ＶＲＥ F 輸入到積分器，進行反向積分，直到輸出為 0V 時停止積分。Ｖ i 越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數(shù)器在反向積分時間內(nèi)所計的數(shù)值，就是輸入模擬電壓Ｖ i 所對應(yīng)的數(shù)字量，實現(xiàn)了 A/D 轉(zhuǎn)換。 （二） A/D 轉(zhuǎn)換器選用的原則： A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。 A/D 轉(zhuǎn) 換器決定分辨率的高低。在系統(tǒng)中， A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上。 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。不同類型的 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率大不相同。積分型的轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換時間從幾豪秒到幾十毫秒，只能構(gòu)成低速 A/D 轉(zhuǎn)換器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測試。逐次逼近型屬于中速 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為納秒級，用于個通道過程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 是否加采樣 /保持器。 A/D 轉(zhuǎn)換器的有關(guān)量程引腳。有的 A/D 轉(zhuǎn)換器提供兩個輸入引腳，不同量程范圍內(nèi)的模擬量可從不同引腳輸入。 A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束。一般 A/D 轉(zhuǎn)換器可由外部控制信號啟動轉(zhuǎn)換，這一啟動信號可由 CPU 提供。轉(zhuǎn)換結(jié)束后 A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標志電平。通知微處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 A/D 轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象。其現(xiàn)象是在正常使用時， A/D 轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增，時間一長就會燒壞芯片。為防止這種現(xiàn)象，可采取如下措施： （ 1）加強抗干擾措施，盡量