【文章內(nèi)容簡介】 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(yīng)力。 壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器， 而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。 我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當沿著一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng)，這就是所謂的極化效應(yīng)?？茖W(xué)家就是根據(jù)這個效應(yīng)研制出了壓力傳感器。 壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫 度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f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(yīng)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(yīng)用。 在現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)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。 壓電傳感器主要應(yīng)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(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)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。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。 壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中，比如 說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣。 除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應(yīng)制造出來的壓阻傳感器，利用應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應(yīng)和不同的材料，在不同的場合能夠發(fā)揮它們獨特的用途。 14 前置放大器 前置放大器 A 的作用是將輸入信號放大到 ADC 可接受的 范圍之內(nèi)。前置放大器一般采用集成運算放大器（簡稱運放）集成運放有通用型（如 F007， DG741）和專用型兩類。專用型有低漂移型（如 DG725， ADOP07， ICL7605），高阻型（如LF365， CA3140， DG3140）等 [9]。 ADOP07 是低漂移運放，溫漂系數(shù)為 。共摸輸入電壓范圍為 177。14V，電源電壓范圍為 177。3~177。18V。下面是 ADOP07 的一種接法。 A D O P 0 7+231 0 k ?1 0 k ?18764R *+ 1 5 V 1 5 V 圖 ADOP07接法 在模擬放大電路中，長采用由 3 個運放構(gòu)成的對稱式差動放大器來提高輸入阻抗和共摸應(yīng)制比。 15 4 A/D 轉(zhuǎn)換器的基本原理與 接 口技術(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件 或設(shè)備，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計算機之間的接口。 A/D 轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法有多種，常用的有：積分式，逐次比較式，并行比較式和二進制斜坡式（又稱計數(shù)式），量化反饋式等。 A/D 轉(zhuǎn)換器的基本原理 雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器 (1)原理圖 圖 是這種轉(zhuǎn)換器的原理電路，它由積分器 (由集成運放 A 組成 )、過零比較器 (C)、時鐘脈沖控制門（ G）和計數(shù)器（ FF0～ FFn）等幾部分組成 [7]。 圖 雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器 ① 積分器 積分器是轉(zhuǎn)換器的核心部分，它的輸入端所接開關(guān) S1由定時信號 Qn 控制。當 Qn 為不同電平時，極性相反的輸入電壓 vI 和參考電壓 VREF 將分別加到積分器的輸入端，進行兩次方向相反的積分，積分時間常數(shù) τ=RC 。 ② 過零比較器 過零比較器用來確定積分器的輸出電壓 v0 過零的時刻。當 v0≥0 時，比較器輸出 vC 為低電平；當 v00 時， vC 為高電平。比較器的輸出信號接至?xí)r鐘控制門 (G)作為關(guān)門 和開門信號。 ③ 計數(shù)器和定時器 它由 n+1 個接成計數(shù)器的觸發(fā)器 FF0～ FFn1串聯(lián)組成。觸發(fā)器 FF0～ FFn1組成 n級計數(shù)器，對輸入時鐘脈沖 CP 計數(shù)，以便把與輸入電壓平均值成正比的時間間隔轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號輸出。當計數(shù)到 2n個時鐘脈沖時， FF0～ FFn1均回到 16 0態(tài)，而 FFn 翻轉(zhuǎn)到 1 態(tài)， Qn=1 后開關(guān) S1 從位置 A轉(zhuǎn)接到 B。 ④ 時鐘脈沖控制門 時鐘脈沖源標準周期 Tc，作為測量時間間隔的標準時間。當 vC=1 時，門打開，時鐘脈沖通過門加到觸發(fā)器 FF0 的輸入端。 (2)工作原理 雙積分 ADC 的基本原理是對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。由于該轉(zhuǎn)換電路是對輸入電壓的平均值進行變換，所以它具有很強的抗工頻干擾能力，在數(shù)字測量中得到廣泛應(yīng) 用。 比較式 ADC 接口 圖 所示為階梯波比較式 ADC 的工作原理。轉(zhuǎn)換開始時，計數(shù)器復(fù) 0， ADC的輸出為 Vd=0。若輸入電壓 Vi為正，則比較器輸出 Vc為正，“與”門打開，計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)。 DAC 輸出即隨計數(shù)脈沖的增加而增加，當 VdVi時，比較器輸出變負，“與”門關(guān)閉，停止計數(shù)。計數(shù)器的計數(shù)值正比于輸入電壓，完成了從輸入模擬量 —— 電壓到計數(shù)器的計數(shù)值 —— 數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 。 D A C計 數(shù) 器+V d V c V i VOtVVtOid計 數(shù) 脈 沖開 始 結(jié) 束 （ a） 原理電路 （ b） 工作波形 階梯波比較式 ADC工作原理 8 位 8 輸入逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0808/0809 ADC0809 是一種較為 常 用的 8路模擬量輸入， 8 位數(shù)字量輸出的逐次比較式ADC 芯片，圖 為 ADC0809 的原理結(jié)構(gòu)框圖。芯片的主要部分是一個 8位的逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器。為了能實現(xiàn) 8 路模擬信號的分時采集，在芯片內(nèi)部設(shè)置了多路模擬開關(guān)及通道地址鎖存和譯碼電路，因此能對多路模擬信號進行分時采集和轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入三太輸出數(shù)據(jù)鎖存器。 ADC0809 的作大不可調(diào)誤差為177。1LSB，典型時鐘頻率為 640KHZ ，時鐘信號應(yīng)由外部提供。每一個通道的轉(zhuǎn)換時間約為 100181。S。 17 三 太輸 出鎖 存緩 沖器D B 7D B 6D B 5D B 4D B 3D B 2D B 1D B 08 位A / D 轉(zhuǎn)換 器O EC L O C KE O CS T A R T8 位模 擬開 關(guān)地 址 鎖存 與 譯碼 器I N 7I N 6I N 5I N 4I N 3I N 2I N 1I N 0A L EA D D AA D D BA D D C 圖 ADC0809的原理結(jié)構(gòu)框圖 ADC0809芯片為 28引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見圖 。對 ADC0809主要信號引腳的功能說明如下 ： IN7～ IN0—— 模擬量輸入通道 ALE—— 地址鎖存允許信號。對應(yīng) ALE 上跳沿， A、 B、 C 地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 START—— 轉(zhuǎn)換啟動信號。 START 上升沿時，復(fù)位 ADC0809； START 下降沿時啟動芯片，開始進行 A/D 轉(zhuǎn)換 ；在 A/D 轉(zhuǎn)換期間， START 應(yīng)保持 低電平。本信號有時簡寫為 ST。 A、 B、 C—— 地址線。 通道端口選擇線， A為低地址， C為高地址，引腳圖中為 ADDA， ADDB 和 ADDC。 CLK—— 時鐘信號。 ADC0809 的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為 500KHz 的時鐘信號 EOC—— 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 EOC=0,正在進行轉(zhuǎn)換； EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。 D7～ D0—— 數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的 數(shù)據(jù)線直接相連。 D0為最低位， D7為最高 OE—— 輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻； OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 Vcc—— +5V 電源。 Vref—— 參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。 18 圖 ADC0808/0809引腳說明圖 啟動 A/D 轉(zhuǎn)換只需要一條 MOVX 指令。在此之前，要將 位與所選擇的通道好像對應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針 DPTR 中。例如要選 擇 IN0通道時，可采用如下兩條指令，即可啟動 A/D 轉(zhuǎn)換： MOV DPTR , FE00H ；送入 0809 的口地址 MOVX @DPTR , A ；啟動 A/D 轉(zhuǎn)換（ IN0） 注意：此處的 A與 A/D 轉(zhuǎn)換無關(guān)，可為任意值 。 19 5 智能化測量儀表的鍵盤，顯示器接口 智能化 測量控制儀表與傳統(tǒng)常規(guī)測控制儀表的一個 最大區(qū)別是：前者對于儀表的操作管理是通過計算機的外部輸入 /輸出設(shè)備來進行的而鍵盤顯示器是常用的外部輸入 /輸出設(shè)備。本章介紹智能化測量控制儀表的鍵盤顯示器。 鍵盤接口技術(shù) 鍵盤是 由一組按壓式或觸摸式開關(guān)構(gòu)成的陳列。智能儀表鍵盤的設(shè)置應(yīng)由該儀表具體的功能來決定。 例如，儀表的鍵盤除包括 0～ 9 十個數(shù)字鍵之外，還可設(shè)置一些功能鍵，例如自檢，量程自動轉(zhuǎn)換，遠控遠傳等。 常用的鍵盤有兩種基本類型：編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。非編碼式鍵盤是一種由程序識別是否有鍵閉合并形成閉合鍵的代碼。鍵盤設(shè)計中必須解決以下兩個基本問題：接觸抖動和串鍵。當一個鍵被撳下或放開時，在達到穩(wěn)定的閉合或斷開之前，鍵的接觸會在閉合和斷開位置之間出現(xiàn)多次跳動，跳動的持續(xù)期通常在 20ms 以下。為消除該 抖動，可用硬件或軟件方法實現(xiàn)。軟件方法是在識別出有鍵閉合時，延長適當長的時間之后才分析是哪個鍵閉合。串鍵同樣可由多種方法消除，一種簡單的軟件方法是不斷掃描鍵盤，當發(fā)現(xiàn)只有一個鍵閉合時，才形成鍵的代碼，這是把最后保持閉合的那個鍵認為是本次閉合的鍵。 在非編碼式鍵盤中，當有多個鍵時，常常采用 M（行） N （列）的矩陣排列。此時，識別有無鍵閉合的方法是：使全部行線 “ 接地 ” ，即低電平，然后檢查有無列線 “ 接地 ” ，若無列線 “ 接地 ” ，即表示無鍵閉合，否則表示有鍵閉合。當有鍵閉合時，由軟件延遲 20ms 之后再逐行掃描鍵盤，直 到判斷出閉合鍵所在的具體位置時為止。椐此，讀者可根據(jù)鍵所在位置的行、列信息形成鍵特征值，由鍵特征值形成鍵代號并進行鍵處理。 任何鍵盤 接口均要解決下述 3個主要問題： （ 1)按鍵識別 決定是否有鍵被按下，若有，則應(yīng)識別案件矩陣中被按鍵對應(yīng)的編碼。 （ 2)反彈跳 當按鍵開關(guān)的觸點閉合或斷開到其穩(wěn)定，會產(chǎn)生一個短暫的抖動和彈跳。這是機械式開關(guān)的一個共同性問題。 消除由于鍵抖動和彈跳產(chǎn)生的干擾可采用硬件方法，也可采用軟件延遲的方法。通常，在鍵數(shù)較少時采用硬件方法，當鍵數(shù)叫多時（ 16個以上），則經(jīng)常用軟件延時的方法來反彈 跳。 輸 出+ 5 V+ 5 V 圖 反彈跳電路 20 （ 3)串鍵保護 由于操作不稹，可能會造成 同時有幾個鍵被按下，這種情況成為串鍵。有 3種處理串鍵的技術(shù)：兩鍵同時按下， n鍵同時按下和 n鍵鎖定。 “兩鍵同時按下”技術(shù)是在兩個鍵同時按下時產(chǎn)生保護作用。最簡單的方法是當只有一個鍵按下時才讀取鍵盤的輸出，最后仍被按下的鍵是有效的正確按鍵。當用軟件掃描鍵盤時長采用這種方法。另一種方法是當?shù)谝粋€鍵未松開時，按第二個鍵不產(chǎn)生選通信號。 “ n 鍵同時按下”技術(shù)或者不理會所有被按下 的鍵，直 到只剩下 1 鍵按下時為止；或者將所有按鍵的信息都存入內(nèi)部緩沖器中，然后逐個處理。 “ n