【文章內(nèi)容簡介】 研究方法。闡述了研究太陽能熱水器的目的及意義。 10 第二章 太陽能熱水器系統(tǒng) 太陽能熱水器的基本原理 太陽能熱水器就是利用溫室原理，把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向水傳遞熱量，從而獲得熱水的一種裝置。所謂溫室原理就是指由于對流、輻射損失減少，使熱量聚積，溫度逐漸升高的一種自然現(xiàn)象。具體來說，太陽光透過玻璃進人密封的集熱器內(nèi)，大部分能量被集熱器內(nèi)的黑色吸收體吸收，然后將熱量傳給冷水，冷水加熱后重量變輕，自動流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自動流入吸熱體繼續(xù)獲得熱量，周而復(fù)始，水箱內(nèi)的全部冷水將被加熱。 太陽能熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 太陽能熱水器系統(tǒng) 是由太陽能熱水器和控制器組成。而太陽熱水器由集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)連接管道、支架及其輔助部件 (加熱等 )組成。而控制器是由輸入，顯示，檢測，控制電路組成。太陽能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 11 圖 21太陽能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 太陽能熱水器電氣控制 (1)首先加水，使太陽能集熱板處于滿水狀態(tài)，這時太陽能集熱板工作。 (2)自動上冷水及蓄熱水。通過分別安裝在太陽能集熱板和太陽能蓄熱水箱內(nèi)的溫度傳感器實時收集兩個容器內(nèi)的水溫信號。通過信號轉(zhuǎn)換，使溫度值轉(zhuǎn)換成電壓值在控制電路中進行比較，當(dāng)兩者的溫度差值達到預(yù) 先給定的設(shè)定值時，控制器發(fā)出啟動信號，啟動循環(huán)水泵。將熱水放入太陽能蓄水箱，冷水進入太陽能集熱板。由于溫度信號的檢測是實時的，所以當(dāng)溫度差小于給定值后，控制器的啟動信號消失，循環(huán)泵停止工作，太陽能集熱板的水進入加熱過程。 (3)單獨控制蓄熱水箱中的電加熱器的工作。水溫也是通過安裝在水箱中的溫度傳感器實時檢測的。溫度信號通過轉(zhuǎn)換以后，跟控制器內(nèi)設(shè)定的可以代表相應(yīng)溫度的電壓值進行差值比較。如果溫度差 (給定值 — 測量值 )為零值或者負值，說明水箱中的水溫達到要求，不需要加熱。如果為正值，說明水溫未達到要求 ，控制器產(chǎn)生 的執(zhí)行信號，經(jīng)放大電路放大產(chǎn)生驅(qū)動信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作，開啟電加熱器。 (4)太陽能熱水器的電氣保護。當(dāng)太陽輻射量很大時 (即在太陽能蓄熱水箱中的水溫過高，已經(jīng)滿足使用需要，不需要再經(jīng)過蓄熱水箱中的電加熱器加熱 )，蓄熱水箱中的電加熱器關(guān)閉，電蓄熱水箱作為太陽能熱水器的備用水箱。相反，在冬天或者連續(xù)陰雨天輻射量很小時，控制器通過控制電路使太陽能蓄熱水箱中的電加熱器開啟，給蓄熱水箱中的水加熱，通過熱傳遞保證了水管不會在寒冷的天氣中被凍壞。 (5)熱水器中一些輸入按鍵，用于熱水器水位，溫度 的設(shè)置。 本章小結(jié) 本章先介紹了太陽能熱水器的基本工作原理；然后畫出了太陽能熱水器的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖，既用 FPGA 來構(gòu)建處理器系統(tǒng)，來完成數(shù)據(jù)采集與控制；最后闡述了太陽能熱水器電氣控制過程。 12 第三章 傳感器的特點及應(yīng)用 傳感器的特點、作用 傳感器電子學(xué)的特點 傳感器就是一種能感知某一物理量的信息，并能將該信息轉(zhuǎn)化為有用信號的裝置。它能代替人的五感，還能檢測人的五官所不能感覺到的現(xiàn)象 (如紅外線等電磁波、能量小的超聲波 )。 傳感器電子學(xué)是研究傳感器的學(xué)科。傳感器電子學(xué)有如下特點 : 一、學(xué)科的邊緣性 傳感器電子 學(xué)是以各種材料的物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng) 和生物傳感機理作為理論基礎(chǔ)，開發(fā)新的功能材料，并使材料功能實用化而發(fā)展起來的一門新學(xué)科。 二、設(shè)計的綜合性 人類社會中，光、聲、熱、濕度、位移、距離、角度、重量、速度等信息千變?nèi)f化，所用材料名目繁多，工作環(huán)境與技術(shù)要求形形色色，傳感器與計算機要相互匹配。這一切決定了傳感器設(shè)計的綜合。 三、功能的潛在性 傳感器是人的五官功能的擴展，其功能各種各樣。它能代替人的視覺、觸覺、聽覺等五官感覺的功能，它能檢測人的五官不能感覺的現(xiàn)象。 四、應(yīng)用的廣泛性 傳感器功能的潛在性決定了應(yīng)用的廣 泛性。它既可用于軍事工程，又可用于工農(nóng)業(yè)等國民經(jīng)濟各部門。它被譽為“八十年代最具有時代性的大量生產(chǎn)的商品?！? 五、測試的精確性 非電量測試技術(shù)是傳感器計量檢測的核心，與通用性強的信息、科學(xué)技術(shù)相比，傳感器技術(shù)是一門因檢測對象不同而技術(shù)各異的專門技術(shù)。各類信息的量程寬，如溫度 :一 273 一 40000k，壓力 :，加速度 1~100009。測試精度高，多數(shù)產(chǎn)品的精度為 %、 %，個別產(chǎn)品精度可優(yōu)于 %。動態(tài)測試技術(shù)難度大，如感應(yīng)濕度的響應(yīng)時間，力學(xué)量傳感器的頻 響特性與靈敏度13 測試等。 六、工藝的復(fù)雜性 傳感器的工藝復(fù)雜。如微型傳感器要求直徑為 1二的精加工技術(shù)，硅應(yīng)變片傳感器要求厚度小于 1pm的超薄加工技術(shù) :耐壓大于 106kPa的壓力傳感器要求密封技術(shù) 。智能傳感器必須解決“三維”結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)。 七、生產(chǎn)的分散性 多數(shù)傳感器都是多品種小批量生產(chǎn)，故傳感器的生產(chǎn)是一種分散型的工業(yè)。 傳感器的重要作用 (l)信息的收集 科學(xué)研究中的計量測試，產(chǎn)品制造與銷售中所需的計量等都要由測量而獲得準確的定量數(shù)據(jù) 。對某種特定要求，需檢測目標(biāo)物的存在狀態(tài)，把某狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換位數(shù) 據(jù) 。判斷產(chǎn)品是否合格，或人體各部分的異常診斷等都需要由傳感器來測量。 (2)信息數(shù)據(jù)的交換。 把以文字、符號、代碼、圖形等各種形式記錄在紙上或膠片上的信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機、傳真機等易處理的信號數(shù)據(jù)，或者讀出記錄在各種媒介體上的信息并進行轉(zhuǎn)換。例如，磁盤與光盤的信息讀出磁頭就是一種傳感器。 (3)控制信息的采集 檢測控制系統(tǒng)處于某種狀態(tài)的信息，并由此控制系統(tǒng)的狀態(tài)，或者跟蹤系統(tǒng)變化的目標(biāo)值。 傳感器技術(shù)的展望 傳感器技術(shù)的應(yīng)用范圍非常之廣。它會隨著不斷滿足社會性的需求而不斷增加。新傳感器的開發(fā)和應(yīng)用 ，要求傳感器技術(shù)的三大支柱即“檢測原理”、“生產(chǎn)技術(shù)”和“現(xiàn)場 (試驗 )數(shù)據(jù)”協(xié)調(diào)發(fā)展。傳感器必然走向全數(shù)字化。傳感器系統(tǒng)將集成在一個芯片上，其中包括為 傳感器處理器和位執(zhí)行器，它們構(gòu)成一個閉環(huán)工作為系統(tǒng)。有數(shù)字與更高級的計算機控制相連，通過利用專家系統(tǒng)中得到的算法對基本微傳感14 器部分提供更好的校正與補償。傳感器的功能會更多，精度和可靠性會更高，智能化的程度也將不斷的提高，優(yōu)點會越來越明顯。 傳感器的特性 傳感器 的 靜態(tài)特性 對傳感器靜態(tài)特性的基本要求有 :輸入位 0時，輸出也為 0。輸出相對輸入應(yīng)保持一 定的對應(yīng)關(guān)系。例如圖 3 一 1 所示 : 圖 3— 1 輸入與輸出的關(guān)系 若傳感器的輸入量為 (x)，輸出量為 (y)，則 y=f(x)，最好 x/y 為恒定的比例關(guān)系。 l、靈敏度與信噪比 (S/N) 選用傳感器首先考慮的是靈敏度。如果達不到測量時所必須的靈敏度，這種傳感器不能采用。但靈敏度高的傳感器不一定是最好的傳感器。這是因為它易受噪聲的影響。除環(huán)境噪聲外，還有來自傳感器本身輸出的噪聲。必須用信號與噪聲的相互關(guān)系全面來衡量傳感器。傳感器輸出信號中的信號分量與噪聲分量二次方的平均值之比，稱為信噪比 (S/N)與噪聲 。 S/N 小，信號與噪聲就難以分清，若 S/N=l，就完全分辨不出信號因此， S/N 至少也要大于 10。 線性 在規(guī)定條件下，傳感器校準曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程 15 圖 3— 2 傳感器的線性度 （ ）輸出值的百分比稱為線性度（見圖 32） 用 表示線性度，則 式中 —— 校準曲線與擬合曲線間最大偏差； ： —— 傳感器滿量程輸出； 。 由此可知，非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準直線其出來的。因而，基淮直線不同，所得線性度也不同。 應(yīng)當(dāng)指出，對同一傳感器，在相同條件下做校準試驗 時得出的非線性誤差不會完全一樣，因而不能籠統(tǒng)地說線性度或非線性誤差，必須同時說明所依據(jù)的基準直線。目前國內(nèi)外關(guān)于擬合直線的計算方法不盡相同，下面僅介紹兩種常用的擬合基準直線方法。 (一 )端基法 把傳感器校準數(shù)據(jù)的零點輸出平均值 a。和滿量程輸出平均值 b。連成的直線氏 b。作為傳感器特性的擬合直線 (見圖 3 一 3)。其方程式為 Y=a0+kx (I1) 式中 Y—— 輸出量； x—— 輸入量； a0—— y 軸上截距； k—— 直線 a0b0 的16 斜率。由此得到端基法擬合直線方程，按 (I1)式可算出端基線性度。這種 擬合方法簡單直觀，但是未考慮所有?；袋c數(shù)據(jù)的分布，擬合精度較低，一般用在特性曲線非線性度較小的情況。 圖 3— 3 端基線性度擬合曲線 (二 )最小二乘法 用最小二乘法原則擬合直線，可使擬合精度最高。其計算方法如下 : 今擬合直線方程為 Y=a0+kx。假定實際校準點有 n個，在 n個校準數(shù)據(jù)中，任何一個校準數(shù)據(jù) Y1與擬合直線上對應(yīng)的理想值 a0+kx 間誤差為 L1=Y1 （ a0+kx1） （ I2） 最小二乘法擬合直線的擬合原則就是使 為最小值，亦即使 對 k和 a0 的 一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，從而求出 k和 a0 的表達式。 聯(lián)立求解以上二式，可求出 k 和 a0，即 17 n 為校準點數(shù)。 由此得到最佳擬合直線方程，由（ I1）式可算得最小二乘法線性度。 通常采用差動測顯方法來減小傳感器的非線性誤差。例如某位移傳感器特性方程式為 另一個與之完全相同的位移傳感器，但是它受相反方向位移，則特性方程式為 在差動輸出情況下，其特性方程式可寫成 可見采用此方法后，由于消除了 X偶次項濃非線性誤差大大減小，靈敏度提高一倍，零點偏移也消除了。因此差動式傳感器已得到廣泛應(yīng)用。 時滯 輸入量增加到 x1，如果輸出量為 yl，再繼續(xù)增加輸入量然后減少到 xl，這時其輸出量為 y2。實際上輸出量 yl和 y2 不相等，有一定的差值，即為時滯 (回差 )。這樣 ，輸入與輸出不是一一對應(yīng)的關(guān)系。因此，要盡量選用時滯小的傳感器 環(huán)境特性 周圍環(huán)境對傳感器影響最大的是溫度。目前，很多傳感器材料采用靈敏度高，而信號易處理的半導(dǎo)體。然而，半導(dǎo)體對溫度最敏感，實際應(yīng)用時要特別注意。18 除溫度之外，還有氣壓、濕度、振動、電源點壓及頻率等都影響傳感器的特性。 穩(wěn)定性 理想特性的傳感器是加相同大小輸入量時，輸出量 總是大小相同。然而，實際上傳感器特性隨著時間而變化，因此，對于相同大小的輸入量，其輸出量是變化的。連續(xù)工作時，即使輸入量恒定，傳感器輸出量也會朝著一個方向偏移，這種現(xiàn)象稱為溫漂。需要注意的是，除傳感器本身的溫漂外，還有安裝傳感器元件的機構(gòu)的溫漂，以及電子電路的溫漂。 精度 精度是評價系統(tǒng)優(yōu)良程度的。精度分為準確度和精密度。 所謂準確度就是測量值與真值偏離的程度，為修正這種偏差需要進行校正，完全校正是很麻煩的。因此，使用時盡可能地減少誤差。 所謂精密度就是即使測量相同對象，每次測量也會得到不同測量值，即離 散偏差。 傳感器的 動態(tài)特性 傳感器要檢測的輸入信號是隨著時間而變化的，傳感器的特性應(yīng)能跟蹤這輸入信號的 圖 3— 4 輸入與響應(yīng)的關(guān)系 變化，這樣可以獲得準確的輸出信號。如果變化太快，就可能跟蹤不上。這就是響應(yīng)特性，即動態(tài)特性。動態(tài)特性是傳感器的重要特性之一。傳感器輸入與響應(yīng)的關(guān)系上圖所示。 19 信號處理方式 圖 3— 5 測量控制系統(tǒng)信號處理流程圖 傳感器測量控制系統(tǒng)框圖如圖 3 一 5 所示。傳感器檢測變化的信號送往計算機，由計算機進行處理，然后計算機根據(jù)指令把處理結(jié) 果送到控制、顯示及記錄裝置等。 傳感器系統(tǒng)的信息處理流程如 3 一 7 所示。傳感器輸出信號通過輸入接口電路變換為計算機易處理的數(shù)字信號，然后輸入到計算機，計算機把該信號處理為控制等裝置所要求的信號格式，通過輸出接口電路輸出，驅(qū)動控制裝置，并顯示與記錄。 計算機對傳感器輸入的數(shù)據(jù)要進行特性補償，運算處理，格式化以及組編 程20 適合于控制的數(shù)據(jù)，根據(jù)控制指令輸送到外設(shè)。 特性補償 輸入輸出特性補償 圖 3— 6 模擬傳感器的輸入輸出特性 一般來說，傳感器的輸入輸出特性是非線性的，不能直接顯示與記 錄，必須進行非線性校正，即補償。模擬信號輸出傳感器的典型輸入輸出特性如圖 3一 6所示。圖 3 一 6a 表示通過原點的直線，線性度好。輸出值乘以系數(shù)即可直接顯示其真值。圖 3一 6b表示不通過原點的直線，需要進行減去 B值處理。圖 3一6c是平方特性，需要求二次方根運算以及系數(shù)補償。圖 3一 6d是指數(shù)形式的特性，需要對數(shù)變換處理。 另外還有各種形式的輸入輸出特性。因此，需要進行相應(yīng)的處理，運用計算機軟件極易實現(xiàn)。有效輸出量的獲取，有時要消除傳感器輸出量中的無效物理量。例如，為了能在很寬溫度范圍內(nèi)測量物體的應(yīng)變時就要采用應(yīng)變傳感 器，而應(yīng)變傳感器輸出量中就有因溫度變化而引起的輸出量，這種輸出量是無效的，但往往又不能消除。因此，就要把溫度傳感器與應(yīng)變傳感器組合在一起，測量氣溫度，基于此值補償應(yīng)變傳感器的輸出值。輸出量只是有效的物理量。 21 運算處理 傳感器的輸出信號要經(jīng)過各種運算處理、變成有效信號。 傳感器輸出信號送入計算機，成為計算機的輸入信號，使用運算處