【文章內(nèi)容簡介】 著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕 度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應用。 長春工業(yè)大學學士 畢業(yè) 論文 7 現(xiàn)在壓電效應也應用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT 、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。 壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。 壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命 長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。 溫度傳感器 ： 利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的 傳感器 。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是 溫度測量儀表 的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照 傳感器材料 及電子元件特性分為熱電阻和 熱電偶 兩類。 接觸式溫度傳感器 ： 接觸式溫度傳感器 的檢測 部分與被測對象有良好的接觸，又稱 溫度計 。 長春工業(yè)大學學士 畢業(yè) 論文 8 溫度計通過傳導或?qū)α鬟_到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的 測量誤差 ，常用的溫度計有 雙金屬溫度計 、 玻璃液體溫度計 、 壓力式溫度計 、 電阻溫度計 、熱敏電阻和 溫差電偶 等。它們廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛 應用和 超導技術 的研究，測量 120K 以下溫度的 低溫溫度計 得到了發(fā)展，如低溫 氣體溫度及 、蒸汽壓溫度計、 聲學溫度計 、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準確度高、復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量 ～ 300K 范圍內(nèi)的溫度。 非接觸式溫度傳感器 ： 它的 敏感元件 與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫 儀表 。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的 表面溫度 ，也可用于測量溫度場的溫度分布。 最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法、輻射法和比色法。各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和 波長 ，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關，因此很難精確測量。在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件 溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝 中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當困難的。對于固體長春工業(yè)大學學士 畢業(yè) 論文 9 表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實測溫度進行相應的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發(fā)射系數(shù)式中 ε 為材料表面發(fā)射率， ρ 為反射鏡的反射率。至于 氣體和液體 介質(zhì)真實溫度的輻射測量， 則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質(zhì)達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進行修正而得到介質(zhì)的真實溫度。 非接觸測溫優(yōu)點：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于 1800℃ 以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著 紅外技術 的發(fā)展，輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴展， 700℃ 以下直至常溫都已采用，且分辨率 很高。 所以綜上，本文選擇的傳感器為 壓電式傳感器 和 非接觸式測溫儀 。 A/D及 D/A 的 選擇 論證 TLC2543 是美 國 TI公司的 12位串行模 數(shù)轉(zhuǎn)換 器，是具有 11 個輸 入端的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換 器。 TLC2543 是一款性能價格比高的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換 器芯片，使用 開關電 容逐長春工業(yè)大學學士 畢業(yè) 論文 10 次逼近技 術 完成 A/D 轉(zhuǎn)換過 程。其特 點為： 串行 輸 入 結(jié) 構(gòu)；價格適中；分辨率（ 12位） 較 高； 在儀器儀 表中有 較為廣泛 的 應 用； 轉(zhuǎn)換時間為 10 微秒； 11 個 仿真量 輸 入通道；采 樣 率 為 66Kbps； 線 性 誤 差 為 最大 177。1LSB ； 有轉(zhuǎn)換結(jié) 束 EOC 信 號 ；具有 單、雙 極性 輸 出；可 編 程的 MSB 或 LSB 前 導 ；可 編 程的 輸 出 數(shù) 據(jù) 長 度等。 一、模塊采用 TI 公司的 TLC2543 12 位串行 A/D 轉(zhuǎn)換器，使用開關電容逐次逼近技術完成 A/D 轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省 51 系列單片機 I/O資源，且價格適中。其特點有： （ 1） 12 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器； （ 2）在工作溫度范圍內(nèi) 10μ s 轉(zhuǎn)換時間； （ 3） 11 個模擬輸入通道； （ 4） 3路內(nèi)置自測試方式； （ 5）采樣率為 66kbps； （ 6）線性誤差 +1LSB（ max） （ 7）有轉(zhuǎn)換結(jié)束（ EOC）輸出； （ 8）具有單、雙極性輸出； （ 9）可編程的 MSB或 LSB 前導； 二、 TLC2543 的引腳 排列如圖所示。 1~ 1 12—— AIN0～ AIN10 為模擬輸入端； 15—— CS 為片選端； 17—— DIN 為串行數(shù)據(jù)輸入端；（控制字輸入端，用于選擇轉(zhuǎn)換及輸出數(shù)據(jù)格式） 16—— DOUT 為 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端；（ A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出端。） 19—— EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束端； 18—— CLK 為 I/O 時鐘；（控制輸入輸出的時鐘，由外部輸入。） 14—— REF+為正基準電壓端； 13—— REF為負基準電壓端； 20—— VCC 為電源； 10—— GND 為地。 長春工業(yè)大學學士 畢業(yè) 論文 11 三、 TLC2543 的使用方法 控制字的格式 ： 控制字為從 DATAINPUT 端串行輸入的 8位數(shù)據(jù)，它規(guī)定了 TLC2543 要轉(zhuǎn)換的模擬量通道、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長度、輸出數(shù)據(jù)的格式。 高 4 位 (D7～ D4)決定通道號，對于 0 通道至 10 通道，該 4 位分別為 0000～ 1010H，當為 1011～ 1101 時，用于對TLC2543 的自檢，分別測試 (VREF＋＋ VREF－ )/ VREF－、 VREF＋的值，當為 1110時， TLC2543 進入休眠狀態(tài)。低 4 位決定輸出數(shù)據(jù)長度及格式， D D2 決定輸出數(shù)據(jù)長度， 01 表示輸出數(shù)據(jù)長度為 8 位， 11 表示輸出數(shù)據(jù)長度為 16 位，其他為 12位。 D1 決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出，還是低位先送出，為 0 表示高位先送出。 D0決定輸出數(shù)據(jù)是單極性 (二進制 )還是雙極性 (2 的補碼 )，若為單極性，該位為 0，反之為 1。 轉(zhuǎn)換過程 ： 1）上電后，片選 CS 必須從高到低，才能開始一次工作周期，此時 EOC 為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為 0，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機的。 2）開始時， CS 片選為高， I/O CLOCK、 DATA INPUT 被禁止， DATA OUT 呈高阻狀， EOC為高。 3）使 CS 變低， I/OCLOCK、 DATAINPUT 使能， DATAOUT 脫離高阻狀態(tài)。 12個時鐘信號從 I/OCLOCK 端依次加入，隨著時鐘信號的加入，控制字從 DATAINPUT 一位一位地在時鐘信號的上升沿時被送入 TLC2543(高位先送入 )，同時上一周期轉(zhuǎn)換的 A/D數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從 DATAOUT 一位一位地移出（下降沿）。（在 cs=0 時輸出第一位，其他的在下降沿輸出） 四、 TLC2543 的簡要工作過程 長春工業(yè)大學學士 畢業(yè) 論文 12 TLC2543 的工作過程分為兩個周期 :I/O 周期和轉(zhuǎn)換周期。 a) I/O 周期 ： I/O 周期由外部提供的 I/O CLOCK 定義 ,延續(xù) 12 或 16 個時鐘周期 ,決定于選定的輸出數(shù)據(jù)長度。器件進入 I/O 周期后同時進行兩種操作。 在 I/O CLOCK 的前 8個脈沖的上升沿 ,以 MSB前導方式從 DATA INPUT 端輸入 8位數(shù)據(jù)流到輸入寄存器。其中前 4 位為模擬通道地址 ,控制 14 通道模擬多路器從 11 個模擬輸入和三個內(nèi)部測電壓中選通一路送到采樣保持電路 ,該電路從第 4 個 I/O CLOCK 脈沖的下降沿開始對所選信號進行采樣 ,直到最后一個 I/O CLOCK 脈沖的下降沿。 I/O 周期的時鐘脈沖個數(shù)與輸出數(shù)據(jù)長度 (位數(shù) )同時由輸入數(shù)據(jù)的 D D2 位選擇為 12 或 16。當工作于 12或 16 位時 ,在前 8個時鐘脈沖之后 ,DATA INPUT 無效。 在 DATA OUT 端串行輸出 12 或 16 位數(shù)據(jù)。當 CS 保持為低時 ,第一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 EOC 的上升沿。若轉(zhuǎn)換由 CS 控制 ,則第一個輸出數(shù)據(jù)發(fā)生在 CS 的下降沿。這個數(shù)據(jù)串是前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果 ,在第一個輸出數(shù)據(jù)位之后的每個后續(xù)位均由后續(xù)的 I/O 時鐘下降沿輸出。 b) 轉(zhuǎn)換周期 ： 在 I/O 周期的最后一個 I/O CLOCK 下降沿之后 ,EOC 變低 ,采樣值保持不變 ,轉(zhuǎn)換周期開始 ,片內(nèi)轉(zhuǎn)換器對采樣值進行逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換 ,其工作由與 I/O CLOCK同步的內(nèi)部時鐘控制。轉(zhuǎn)換完成后 EOC變高 ,轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中 ,待下一個I/O 周期輸出。 I/O 周期和轉(zhuǎn)換周期交替進行 ,從而可減小外部的數(shù)字噪聲對轉(zhuǎn)換精度的影響。 DAC7512 是ＴＩ公司生 產(chǎn) 具有 內(nèi) 置 緩沖 放大器低功耗 單 片 12 模轉(zhuǎn)換 器。其 片內(nèi)高精度 輸 出放大器可 獲得滿 幅（ 供電電 源 電壓 與地 電壓間 ）任意 輸 出。 DAC7512 帶 有一 個時鐘達 30MHz 行界面，因而可接入高速 DSP。其接口與 SPI、 QSPI、 Microwire及 DSP 接口兼容，因而可與 intel 系列 單 片機、 Motorola 系列 單 片機直接 連 接而 無需任何其它接口 電 路。 由于 DAC7512 串行 數(shù)模轉(zhuǎn)換 器可 選擇供電電 源 來 作 為參考電壓 ，因而具有很 寬動態(tài)輸 出范 圍 ，此外， DAC7512 數(shù)模轉(zhuǎn)換 器 還 具有三種 關斷 工作模式。正常工作 狀態(tài)下 ，DAC7512 在 5V下功耗 僅為 態(tài)下 功耗 為 1uw，低功耗 DAC7512 無疑 是便 攜 式 電 池供電設備 理想器件。提示 請看下圖 : 長春工業(yè)大學學士 畢業(yè) 論文 13 DAC7512 主要特 點 如下： ● 微功耗， 5V作 電 流消耗 為 135uA （ DAC7512）； ● 在掉 電 模式 時 ，如果采用 5V 供電 ，其 電 流消耗 為 135nA， 而采用 3V 供電時 ，其 電流消耗 僅為 50nA； ● 供電電壓 范 圍為 +— +； ● 上 電輸 出復位后 輸出為 0V； ● 具有三種 關斷 工作模式可供 選擇 ， 5V 電壓下 功耗 僅為 ； ● 帶 有低功耗施密特 輸 入串行接口 ； ● 內(nèi) 置 滿 幅 輸 出 緩沖 放大器； ● 具有 SYNC 中 斷 保 護機 制。 長春工業(yè)大學學士 畢業(yè) 論文 14 采用 SOT235封 裝 DAC7512 引 腳 排列如 圖 4。其引 腳 定 義 如下： VOUT：芯片模 擬輸 出 電壓； GND：器件 內(nèi) 所有 電 路地 參考點 ； VDD： 供電電 源，直流 +— +； DIN：串 行數(shù) 據(jù) 輸 入； SCLK：串行 時鐘輸 入； SYNC： 輸 入控制信 號 （低 電平 有效）。 內(nèi)部結(jié) 構(gòu) ： DAC7512 組 成框 圖 如