1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)項(xiàng)目一 力和壓力的檢測(cè)任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)二汽車燃油表顯示電路設(shè)計(jì)與制作任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目二 溫度和環(huán)境量的檢測(cè)任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)二鍋爐爐膛溫度計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)三嬰兒尿濕報(bào)警電路的設(shè)計(jì)任務(wù)四酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì)任務(wù)五培養(yǎng)箱恒溫恒濕控制器的設(shè)計(jì)項(xiàng)目三 位移和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)任務(wù)一自行車車速表的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)二直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量任務(wù)三超聲波檢測(cè)系統(tǒng)倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目四 光信號(hào)的檢測(cè)任務(wù)一光控節(jié)能路燈電路的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)二紅外自動(dòng)干手器電路設(shè)計(jì)與制作任務(wù)三自動(dòng)生產(chǎn)線的零件打包系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作任務(wù)四光電編碼器鑒相計(jì)數(shù)電路項(xiàng)目五

2、其他量的檢測(cè)任務(wù)一電感式接近開關(guān)的制作任務(wù)二門控自動(dòng)照明燈電路的設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目六傳感器信號(hào)處理項(xiàng)目六 傳感器信號(hào)處理項(xiàng)目六傳感器信號(hào)處理項(xiàng)目一 力和壓力的檢測(cè)任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)二汽車燃油表顯示電路設(shè)計(jì)與制作任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作一、任務(wù)描述利用電阻應(yīng)變式傳感器進(jìn)行電子秤的設(shè)計(jì)和制作，如圖1-1所示，要求測(cè)量范圍為2 kg，其分辨力為1g，測(cè)量精度為0.5%RD1字，并能夠利用數(shù)碼管顯示測(cè)量值。二、任務(wù)目標(biāo)(1)掌握電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。(2)掌握電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路。(3能夠利用電阻應(yīng)變式傳感器進(jìn)行力的測(cè)量

3、。下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作三、知識(shí)鏈接1.電阻式傳感器電阻式傳感器就是利用一定的方式將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為敏感元件電阻值的變化，進(jìn)而通過電路變成電壓或電流信號(hào)輸出的一類傳感器?？捎糜诟鞣N機(jī)械量和熱上量的檢測(cè)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低廉，因此，在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。目前，常用的電阻傳感器主要有電阻應(yīng)變片、熱電阻、光敏電阻、氣敏電阻和濕敏電阻等幾大類。2.電阻應(yīng)變式傳感器1)金屬的應(yīng)變效應(yīng)上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作根據(jù)電阻定律，金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片的工作原理就是基于金屬的應(yīng)變效

4、應(yīng)設(shè)計(jì)而成的。金屬絲的電阻會(huì)隨應(yīng)變而發(fā)生變化是因?yàn)榻饘俳z的電阻(R=L/A)與材料的電阻率()及其幾何尺寸(長(zhǎng)度L和截面積A)有關(guān)，而金屬絲在承受機(jī)械變形的過程中，這3種指標(biāo)都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。2)電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理(1)電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)。電阻應(yīng)變片(簡(jiǎn)稱應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì))種類繁多，根據(jù)需要可設(shè)計(jì)成各種形式、各種類型的電阻應(yīng)變片，但其基本結(jié)構(gòu)都大體相同。基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作圖1-2所示為絲繞式應(yīng)變片的構(gòu)造示意圖。它以直徑為0.025mm左右的、高電阻率的合金電阻絲2,繞成形如柵欄的敏感柵。敏感柵為應(yīng)變片的敏感元件，它的作用是

5、感應(yīng)應(yīng)變片變化的大小。敏感柵勃結(jié)在基底1上，基底除能固定敏感柵外，還有絕緣作用;敏感柵上面粘貼有覆蓋面3，敏感柵電阻絲兩端焊接引出線4，用以和外接導(dǎo)線相連。(2)電阻應(yīng)變片的分類。按照制作材料的不同，可將電阻應(yīng)變片分為以下兩類:金屬式體型絲式、箔式、薄膜型。半導(dǎo)體式體型薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、PN結(jié)型。按結(jié)構(gòu)分為單片、雙片、特殊形狀。按使用環(huán)境分為高溫、低溫、高壓、磁場(chǎng)、水下。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作(3電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理。根據(jù)電阻定律，取一根金屬絲，如圖1-3所示，其初始的電阻為式中R金屬絲的電阻， ; 金屬絲的電阻率，m; L金屬絲的長(zhǎng)度，m; A金屬絲的截面積，m

6、2。當(dāng)金屬絲受拉而伸長(zhǎng)dL時(shí)，其截面積將相應(yīng)減小dA，電阻率則因金屬品格發(fā)生變形等因素的影響也將改變d 這些量的變化，必然引起金屬絲電阻改變dR。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作電阻的相對(duì)變化量為若電阻絲為圓形的，則A=r2，r為金屬絲的半徑，則令:x=dL/L金屬絲的軸向應(yīng)變;y=dr/r 金屬絲的徑向應(yīng)變。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作金屬絲受拉時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，而沿徑向縮短，則二者之間的關(guān)系為式中金屬絲材料的泊松系數(shù)。將式(1-4)、式(1-5)代入式(1-3)中得或令上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作式中KS金屬絲的靈敏系數(shù)。KS表示金屬絲產(chǎn)生單位變形時(shí)，電阻相對(duì)

7、變化的大小。顯然， KS越大，單位變形引起的電阻相對(duì)變化越大，則越靈敏。(4)應(yīng)變片測(cè)試原理。用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象上。在外力作用下，被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形，粘貼在其表面上的應(yīng)變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。如果應(yīng)用儀器測(cè)出應(yīng)變片的電阻值變化R，則根據(jù)式(1-9)可以得到被測(cè)量對(duì)象的應(yīng)變值x。而應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系為式中：試件的應(yīng)力; 試件的應(yīng)變。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作3.電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片是可以把應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，通常為顯示與記錄應(yīng)變的大小，還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，完成上

8、述作用的電路稱為電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路，最常用的測(cè)量電路主要有直流電橋電路和交流電橋電路。1)直流電橋電路直流電橋電路的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)受各元件和導(dǎo)線的分布電感和電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號(hào)小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。圖1-4所示為直流電橋電路。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作由分壓原理得根據(jù)電橋平衡條件，相鄰橋臂電阻的比值應(yīng)相等或相對(duì)橋臂電阻的乘積相等，則當(dāng)電橋平衡時(shí)，U0=0，即上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作2)直流電橋的工作方式 在實(shí)際應(yīng)用中為提高輸出的靈敏度，常將多片應(yīng)變片接入電橋，根據(jù)接入電橋應(yīng)變片的不同，將直流電橋的工作方式分為半

9、橋單臂工作方式圖1-5(a)、半橋雙臂工作方式圖1-5(b)和全橋四臂工作方式圖1-5(c)。半橋單臂工作是電橋中只有一個(gè)臂接入被測(cè)量，其他3個(gè)臂采用固定電阻;半橋雙臂工作是如果電橋兩個(gè)臂接入被測(cè)量，另兩個(gè)為固定電阻，就稱為半橋雙臂工作電橋，又稱為半橋形式;全橋方式是指如果4個(gè)橋臂都接入被測(cè)量，則稱為全橋四臂形式。當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大，這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達(dá)式為式(1-12)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作設(shè)電橋?yàn)閱伪酃ぷ鳡顟B(tài)，即R1為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)R1感受

10、被測(cè)量產(chǎn)生電阻增量 R1時(shí)，由初始平衡條件R1 R3= R2 R4 ，得 ，則電橋由于R1產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為對(duì)于輸出對(duì)稱電橋，此時(shí)R1=R2=R, R3=R4=R，當(dāng)R,臂的電阻產(chǎn)生變化R1= 4R，根據(jù)式(1-14)可得到輸出電壓為上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作對(duì)于電源對(duì)稱電橋，R1=R4=R, R2=R3=R。當(dāng)R1臂產(chǎn)生電阻增量R1= R時(shí)，由式(1-14)得對(duì)于等臂電橋R1=R2=R3=R4=R，當(dāng)R,的電阻增量R1= R時(shí)，由式(1-14)可得輸出電壓為上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作(3)交流電橋電路交流電橋是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行

11、工作的。此時(shí)在橋的輸出端接入檢流計(jì)或放大器。在輸出電流時(shí)，為了使電橋有最大的電流靈敏度，希望電橋的輸出電阻應(yīng)盡量和指示器內(nèi)阻相等。實(shí)際上電橋輸出后連接的放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大得多，此時(shí)必須要求電橋具有較高的電壓靈敏度，當(dāng)有小的R/R變化時(shí)，能產(chǎn)生較大的4U值。交流電橋電路如圖1-6所示，它是由交流電壓u供電的交流電橋電路，第一臂是應(yīng)變片，其他3臂為固定電阻。應(yīng)變片未承受應(yīng)變，此時(shí)阻值為R1，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出電壓為0。當(dāng)承受應(yīng)變時(shí)，產(chǎn)生 R的變化，電橋變化不平衡電壓輸出u0。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作根據(jù)交流電橋電路可知，產(chǎn)生的不平衡電壓為設(shè)n=R2/

12、R1，并考慮電橋初始平衡條件R2/R1= R4/R3 ，以及將式(1-18)進(jìn)行變換得上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作電橋電壓靈敏度為4)電橋的線路補(bǔ)償(1)零點(diǎn)補(bǔ)償。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，要使電橋的4個(gè)橋臂電阻值相同是不可能的，往往由于外界的因素變化會(huì)使電橋不能滿足初始平衡條件(即U00)。因此，為了解決這一問題，可以在一對(duì)橋臂電阻乘積較小的任一橋臂中串聯(lián)一個(gè)可調(diào)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償。如圖1-7所示，進(jìn)行調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使得電橋平衡。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作(2)溫度補(bǔ)償。環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起電橋電阻的變化，導(dǎo)致電橋的零點(diǎn)漂移，這種因溫度變化產(chǎn)生的誤差稱為溫度誤差。產(chǎn)生的原因有

13、:電阻應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)不一致;應(yīng)變片材料與被測(cè)試件材料的線脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變。因此要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減少或消除由此而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。線路補(bǔ)償法。線路補(bǔ)償法也稱補(bǔ)償片法。應(yīng)變片通常是作為平衡電橋的一個(gè)臂測(cè)量應(yīng)變的，圖1-8中R1為工作片， R2為補(bǔ)償片。工作片R1粘貼在試件上需要測(cè)量應(yīng)變的地方，補(bǔ)償片R2粘貼在一塊不受力且與試件相同的材料上，這塊材料自由地放在試件上或附近，如圖1-8(b)所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，工作片R1和補(bǔ)償片R2的電阻都發(fā)生變化，而它們的溫度變化相同， R

14、1和R2為同類應(yīng)變片，又貼在相同的材料上，因此R1和R2分別接入電橋的相鄰兩橋臂，則因溫度變化引起的電阻變化 R1和 R2的作用相互抵消，這樣就起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。線路補(bǔ)償法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好，其缺點(diǎn)是在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。應(yīng)變片自補(bǔ)償法。粘貼在被測(cè)部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種特殊應(yīng)變片稱為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作如雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片，這種應(yīng)變片也稱組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片，它是利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)不同(一個(gè)為

15、正，一個(gè)為負(fù))的特性，將二者串聯(lián)繞制成敏感柵，如圖1-9所示。若兩段敏感柵R1和R2由于溫度變化而產(chǎn)生的電阻變化為 R1t和 R2t ，大小相等而符號(hào)相反，就可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，電阻R1和R2的比值關(guān)系可由式(1-21)決定，即而其中 R1t=- R2t 。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作4.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1)應(yīng)變式加速度傳感器加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1-10所示，測(cè)量加速度時(shí)，將傳感器殼體和被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)有加速度作用在殼體上時(shí)，由于梁的剛度很大，慣性質(zhì)量也以同樣的加速度運(yùn)動(dòng)。其產(chǎn)生的慣性力正比于加速度a的大小，慣性力作用在梁的端部，使梁產(chǎn)生變形，限位塊4可保護(hù)傳感器在過載時(shí)

16、不被破壞。這種傳感器在低頻振動(dòng)測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。2)應(yīng)變式位移傳感器應(yīng)變式位移傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應(yīng)變，然后通過應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變電橋，輸出正比于被測(cè)位移的電量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作它可用來近測(cè)或遠(yuǎn)測(cè)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的位移量。因此，既要求彈性元件剛度小，對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響反力小，又要求系統(tǒng)的固有頻率高，動(dòng)態(tài)頻響特性好。 圖1-11(a)所示為國(guó)產(chǎn)YW系列應(yīng)變式位移傳感器結(jié)構(gòu)。這種傳感器由于采用了懸臂梁-螺旋彈簧串聯(lián)的組合結(jié)構(gòu)，因此它適用于較大位移(量程大于10100 mm)的測(cè)量。其工作原理如圖1-11(b)所示。四、任務(wù)實(shí)施1.電子秤的整體設(shè)計(jì)框架及原理圖用

17、電阻應(yīng)變式傳感器設(shè)計(jì)的電子秤的整體設(shè)計(jì)原理如圖1-12所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作2.各部分電路設(shè)計(jì)1)電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路常用的電阻應(yīng)變式橋式測(cè)量電路如圖1-13所示。橋式測(cè)量電路有4個(gè)電阻，電橋的一個(gè)對(duì)角線接入工作電壓E，另一個(gè)對(duì)角線為輸出電壓U0。其特點(diǎn)是:當(dāng)4個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零;否則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計(jì)來測(cè)量，所以電橋能夠精確地測(cè)量微小的電阻變化。2)放大電路典型的差動(dòng)放大器電路如圖1-14所示，只需高精度LM358和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。它廣泛應(yīng)用于上業(yè)自動(dòng)控制、儀器儀表、電氣測(cè)量等數(shù)字采集的系統(tǒng)中。上一頁(yè)

18、下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作3) A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路如圖1-15所示。4)顯示電路顯示電路設(shè)計(jì)如圖1-16所示。3.電路調(diào)試(1)首先在秤體自然下垂己無負(fù)載時(shí)調(diào)整RP1，使顯示器準(zhǔn)確顯示零。(2)再調(diào)整RP2 ，使秤體承擔(dān)滿量程質(zhì)量(本電路選滿量程為2kg)時(shí)顯示滿量程值(調(diào)節(jié)RP2衰減比)。(3)然后在秤鉤下懸掛1kg的標(biāo)準(zhǔn)祛碼，觀察顯示器是否顯示1.000，如有偏差，可調(diào)整RP3值，使之準(zhǔn)確顯示1.000。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電子秤的設(shè)計(jì)與制作(4)重新進(jìn)行(2), (3)步驟，使之均滿足要求為止。(5)最后測(cè)量RP2, RP3電阻值，并用固定精密電阻予以代替。 RP1可

19、引出表外調(diào)整。測(cè)量前先調(diào)整RP1 ，使顯示器回零。上一頁(yè)返回任務(wù)二汽車燃油表顯示電路設(shè)計(jì)與制作一、任務(wù)描述利用聲光進(jìn)行汽車油箱中的油量顯示，要求利用發(fā)光二極管顯示油量的刻度，并具有缺油警示和語(yǔ)音提示功能。二、任務(wù)目標(biāo)(1)掌握電位器式傳感器的測(cè)試機(jī)理。(2)掌握電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。(3能夠利用電位器式傳感器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。下一頁(yè)返回任務(wù)二汽車燃油表顯示電路設(shè)計(jì)與制作三、知識(shí)鏈接1.電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電位器式傳感器通過滑動(dòng)觸點(diǎn)把位移轉(zhuǎn)換為電阻絲的長(zhǎng)度變化，從而改變電阻值大小，進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化值。圖1-22所示為常見電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)類型。不管是哪種類型的電位

20、器式傳感器，都由線圈、骨架和滑動(dòng)電刷等組成。線圈繞于骨架上，電刷可在繞線上滑動(dòng)，當(dāng)滑動(dòng)電刷在繞線上的位置改變時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了將位移變化轉(zhuǎn)換為電阻變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。2.電位器式傳感器的測(cè)量電路電位器式傳感器的測(cè)量電路通常采用電阻分壓電路，如圖1-23所示。其中，放大器是為了消除負(fù)載電阻的干擾影響。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二汽車燃油表顯示電路設(shè)計(jì)與制作對(duì)于線性電位器，電刷的相對(duì)行程x與電阻的相對(duì)變化成比例，即若放大器的增益K=1，則3.電位器的類型1)線繞電位器線繞電位器電阻元件由康銅絲、鉑銥合金及卡瑪絲等電阻絲繞制，其額定功率范圍一般為0.2550W，阻值范圍為100=100 k。當(dāng)接觸電刷從這一匝移到另

21、一匝時(shí)，阻值的變化呈階梯式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二汽車燃油表顯示電路設(shè)計(jì)與制作2)非線繞電位器(1)合成膜電位器。合成膜電位器的優(yōu)點(diǎn)是分辨率較高，阻值范圍很寬(1004.7)，耐磨性較好，上藝簡(jiǎn)單，成本低，線性度好等;主要缺點(diǎn)是接觸電阻大，功率不夠大，容易吸潮，噪聲較大等。(2)金屬膜電位器。金屬膜電位器具有無限分辨力，接觸電阻很小，耐熱性好，滿負(fù)荷達(dá)70。與線繞電位器相比，它的分布電容和分布電感很小，特別適合在高頻條件下使用。它的噪聲僅高于線繞電位器。金屬電位器的缺點(diǎn)是耐磨性較差，阻值范圍窄，一般為10100。由于這些缺點(diǎn)，限制了它的使用范圍。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二汽車燃油表顯示電路設(shè)計(jì)與制

22、作(3)導(dǎo)電塑料電位器。導(dǎo)電塑料電位器又稱實(shí)心電位器，耐磨性很好，使用壽命較長(zhǎng)，允許電刷的接觸壓力很大，在振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率較高，線性度較好，阻值范圍大，能承受較大的功率。導(dǎo)電塑料電位器的缺點(diǎn)是阻值易受濕度影響，故精度不易做得很高。導(dǎo)電塑料電位器的標(biāo)準(zhǔn)阻值有1 k, 2 k, 5 k和10 k，線性度為0.1%和0.2%。(4)導(dǎo)電玻璃釉電位器。導(dǎo)電玻璃釉電位器又稱金屬陶瓷電位器，它的耐高溫性和耐磨性好，有較寬的阻值范圍，電阻濕度系數(shù)小且抗?jié)裥詮?qiáng)。導(dǎo)電玻璃釉電位器的缺點(diǎn)是:接觸電阻變化大、噪聲大、不易保證測(cè)量的高精度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二汽車燃油表顯示電路

23、設(shè)計(jì)與制作4.電位器式傳感器的應(yīng)用1)彈性壓力計(jì)彈性壓力計(jì)信號(hào)多采用電遠(yuǎn)傳方式，即把彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。在彈性元件的自由端處安裝滑線電位器，滑線電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)與自由端連接并隨之移動(dòng)，自由端的位移就轉(zhuǎn)換為電位器的電信號(hào)輸出，如圖1-24所示。當(dāng)被測(cè)壓力p增大時(shí)，彈簧管撐直，通過齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)電位器的電刷產(chǎn)生角位移。2)摩托車汽油油位傳感器圖1-25所示為摩托車汽油油位傳感器，它由隨液位升降的浮球經(jīng)過曲桿帶動(dòng)電刷位移，將液位變成電阻變化。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二汽車燃油表顯示電路設(shè)計(jì)與制作四、任務(wù)實(shí)施1.電路的設(shè)計(jì)利用聲光進(jìn)行汽車油箱中油量顯示電路的設(shè)計(jì)，主要由油位檢

24、測(cè)電路、油位顯示電路、缺油報(bào)警電路3部分組成。利用了發(fā)光管LED7為油位最高位，LED2在油位最低端，LED3LED7為正常油位，LED2提示即將缺油，LED1為缺油報(bào)警。其設(shè)計(jì)電路如圖1-26所示。2.油位顯示原理油位監(jiān)測(cè)電路由汽車油箱內(nèi)浮筒式可變電阻傳感器RP2來完成。當(dāng)油位降低時(shí)， RP2的電阻值會(huì)滑向最大值，VT2的發(fā)射結(jié)電位降低。當(dāng)該電壓降低到0.7V以下時(shí)，LED2熄滅，同時(shí)也使二極管VD3截止，上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二汽車燃油表顯示電路設(shè)計(jì)與制作經(jīng)VT1使由IC2(555)時(shí)基集成電路及其外圍器件構(gòu)成的自激多諧振蕩器缺油報(bào)警電路工作。當(dāng)IC2的腳(復(fù)位端)電平被拉至高于0.8V時(shí)，

25、IC2就開始工作，其振蕩頻率約為10Hz,腳間斷輸出高電平，該信號(hào)分為兩路:一路經(jīng)電阻R2加至LED1發(fā)光二極管的正極，使該管間斷導(dǎo)通，從而閃爍發(fā)光，另一路經(jīng)電容C9耦合加到喇叭BL上，驅(qū)動(dòng)該喇叭發(fā)出報(bào)警聲，從而以聲光方式提醒駕駛員應(yīng)及時(shí)加油。上一頁(yè)返回任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作 一、任務(wù)描述血壓是人體的重要生理參數(shù)，是人們了解人體生理狀況的重要指標(biāo)。測(cè)量血壓的儀器稱為血壓計(jì)，要求選用專用電容式傳感器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信息采集，來設(shè)計(jì)一款電子血壓計(jì)，并能夠準(zhǔn)確地將收縮壓和舒張壓的值在LED上顯示出來。二、任務(wù)目標(biāo)(1)掌握電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理及測(cè)量電路。(2)能夠運(yùn)用電容式傳感器進(jìn)行測(cè)量。下一頁(yè)返回

26、任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作三、知識(shí)鏈接1.電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、靈敏度高、分辨率高、能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于位移、加速度、振動(dòng)、壓力、壓差、液位、成分含量等檢測(cè)領(lǐng)域。其最常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為式中 極間介質(zhì)的介電常數(shù); A兩電極互相覆蓋的有效面積; d兩電極之間的距離。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作 d, A, 三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量的變化，

27、并可用于測(cè)量。因此電容式傳感器可分為面積變化型、極距變化型、介質(zhì)變化型3類。1)極距變化型電容傳感器圖1-29所示為平行極板電容器，設(shè)兩個(gè)相同極板的長(zhǎng)為b，寬為a，極板間距離為d0，在忽略極板邊緣影響的條件下，平行極板電容器的電容量為若動(dòng)極板與被測(cè)量相連，d從d0移動(dòng)至d0 -d，電容量C0就變?yōu)镃0+C，則有上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作當(dāng)d / d0 C2 ，則 C1和充放電時(shí)間常數(shù)就發(fā)生改變。這時(shí)電路中各點(diǎn)的電壓波形如圖1-39 (b)所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作當(dāng)矩形電壓波通過低通濾波器后，可得出直流分量為若上述中的U1保持不變，則輸出電壓的直流分量

28、U0隨T1, T2的變化而改變，從而實(shí)現(xiàn)了輸出脈沖電壓的調(diào)寬。當(dāng)然，必須使參比電位UfC2 ，即d1=d0-d ， d2=d0 + d ，則式(1-49)即為上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作同樣，在變電容器極板面積的情況下，有式中A1C1電容極板面積; A2C1電容極板面積。若差動(dòng)電容C1 C1時(shí)，則因此，對(duì)于差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路，不論是改變平板電容器的極板面積或是極板距離，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系。調(diào)寬線路還具有以下一些特點(diǎn)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作(1)對(duì)元件無線性要求。(2)效率高，信號(hào)只要經(jīng)過低通濾波器就有較大的直流輸出。(3調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出無影響。

29、(4)由于低通濾波器的作用，對(duì)輸出矩形波純度要求不高。四、任務(wù)實(shí)施1.電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)框圖電子血壓計(jì)主要由電容式壓力傳感器、四運(yùn)放LM324、濾波器、氣泵、單片機(jī)ATmega 16和LED顯示器構(gòu)成的。這個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分是專用電容壓力傳感器、信號(hào)處理芯片ATmegal6。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作前者將袖帶內(nèi)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，后者控制整個(gè)電路的工作，利用AVR單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，把最終的結(jié)果通過LED顯示出來。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1-40所示。2.血壓計(jì)的測(cè)量原理臨床上血壓測(cè)量技術(shù)一般分為直接法和間接法。直接法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量值準(zhǔn)確，并能連續(xù)監(jiān)測(cè)，但它必須

30、將導(dǎo)管置入血管內(nèi)，是一種有創(chuàng)造性的測(cè)量方法;間接法是利用脈管內(nèi)壓力與血液阻斷開通時(shí)刻所表現(xiàn)的血流變化間的關(guān)系，從體表測(cè)出相應(yīng)的壓力值。間接測(cè)量又分為聽診法和示波法。這里的血壓計(jì)采用示波法。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)三電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與制作示波法的測(cè)量原理，與柯氏法類似，采用充氣袖套來阻斷上臂動(dòng)脈血流。由于心搏的血液動(dòng)力學(xué)作用，在氣袖壓力上將重疊與心搏同步的壓力波動(dòng)，即脈搏波。當(dāng)袖套壓力遠(yuǎn)高于收縮壓時(shí)，脈搏波消失。隨著袖套壓力下降，脈搏開始出現(xiàn)。當(dāng)袖套壓力從高于收縮壓降到低于收縮壓時(shí)，脈搏波會(huì)突然增大。到平均壓時(shí)振幅達(dá)到最大值。然后又隨袖套壓力下降而衰減，當(dāng)小于舒張壓后，動(dòng)脈管壁的舒張期已充分?jǐn)U張，管

31、壁剛性增強(qiáng)，而波幅維持比較小的水平。示波法血壓測(cè)量就是根據(jù)脈搏波振幅與氣袖壓力之間的關(guān)系來估計(jì)血壓的。與脈搏波最大值對(duì)應(yīng)的是平均壓，收縮壓和舒張壓分別對(duì)應(yīng)脈搏波最大振幅的比例。提取的脈搏波信號(hào)如圖1-41所示。上一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作一、任務(wù)描述利用壓電振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)當(dāng)受到振動(dòng)后該電路能發(fā)出可持續(xù)時(shí)間為1 min左右的報(bào)警聲響。二、任務(wù)目標(biāo)(1)了解壓電式傳感器的工作原理。(2)掌握壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。(3能夠運(yùn)用壓電式傳感器進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作三、知識(shí)鏈接(一)壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器從詞義上理解就應(yīng)該是受壓產(chǎn)生電信號(hào)的一

32、類傳感器。它屬于一種物性型傳感器。利用一種特殊材料的固態(tài)物理特性及效應(yīng)實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換的傳感器。壓電式傳感器是一種典型的有源器件，無需外界供電，自己能夠產(chǎn)生電，也叫自發(fā)式傳感器。它具有體積小、質(zhì)量輕、工作頻帶寬等特點(diǎn)，用于各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，并在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器的原理就是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)制成的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作1.壓電效應(yīng)當(dāng)某些電介質(zhì)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用

33、力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。相反，在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(電致伸縮效應(yīng))。2.壓電材料在自然界中，大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、欽酸鋇、錯(cuò)欽酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。因此常見的壓電材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷及一些高分子材料。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。(1)轉(zhuǎn)換性能。具有較高的禍合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)。(2)力學(xué)性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得較寬的線性范

34、圍和較高的固有振動(dòng)頻率。(3)電性能。希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，用來減弱外部分布電容的影響，并獲得良好的低頻特性。(4)溫度和濕度穩(wěn)定性要好。具有較高的居里點(diǎn)，以期望得到較寬的工作溫度范圍。(5)時(shí)間穩(wěn)定性。壓電特性不隨時(shí)間蛻變。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作3.石英晶體的壓電效應(yīng)石英品體所以具有壓電效應(yīng)，是與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分不開的。組成石英品體的硅離子Si4+和氧離子O2-在平面投影，如圖1-49(a)所示。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖1-49(b)中六邊形排列，圖中“”代表Si4+ ，“ ”代表O2- 。石英結(jié)品是一個(gè)正六面體，在品體學(xué)中它可以-,根互相垂直的

35、軸來表示。其中，縱向軸Z-Z稱為光軸;經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光電軸的X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)，稱為“縱向壓電效應(yīng)”;而把沿機(jī)械軸Y-Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)，稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z-Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。圖1-50所示為石英品體的外形。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作(1)縱向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿電軸方向施力FX，在垂直于電軸的平面上產(chǎn)生電荷。在品體的線性彈性范圍內(nèi)，電荷量與力成正比，可表示為式中QXX垂直于X軸平面上的電荷; dXX壓電系數(shù)，下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的向的軸間及施加作用力的軸向。 FX沿品軸X方向施加的壓力。因此當(dāng)品片受到X向的壓

36、力作用時(shí)， QXX與作用力FX成正比，而與品片的幾何尺寸無關(guān)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作(2)橫向壓電效應(yīng)。如果沿Y軸施力為FY時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的平面上，其橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為式中 QXY Y軸向施加壓力，在垂直于X軸平面上產(chǎn)生的電荷; dXY壓電系數(shù)，Y軸向施加壓力，在垂直于X軸平面上產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電系數(shù); FY沿品軸Y方向施加的壓力。根據(jù)石英品體的對(duì)稱條件dXY= dXX，因此有上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作由此可以看出，沿機(jī)械軸方向向品片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)，式中的負(fù)號(hào)表示沿Y軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿X軸施加壓力所產(chǎn)生的電

37、荷極性是相反的。當(dāng)石英品片沿X軸受壓力或拉力時(shí)，電荷產(chǎn)生的極性變化如圖1-51(a), (b)所示，當(dāng)石英品體沿Y軸作用于壓力或拉力時(shí)，電荷產(chǎn)生的極性變化如圖1-51(c),(d)所示。4.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的電體。材料內(nèi)部的品粒由許多自發(fā)極化的“電疇”組成，每一個(gè)電疇具有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在品體中雜亂分布，分布如圖1-52(a)所示，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在外力電場(chǎng)的作用下，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外力電場(chǎng)

38、的方向排列，從而使材料得到極化，如圖1-52(b)所示。極化處理后陶瓷內(nèi)部仍存在很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，如圖1-52(c)所示。為了簡(jiǎn)單起見，圖中把極化后的晶粒畫成單疇(實(shí)際上極化后晶粒往往不是單疇)。因此對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閦軸。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于z軸的表面上會(huì)出現(xiàn)電荷，見圖1-53，其電荷量Q與作用力F成正比，即Q=dZZF式中ddZZ縱向壓電系數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作5.高分子壓電材料(PVDF)隨著科技的發(fā)展，不斷出現(xiàn)一些新型的壓電材料。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了半導(dǎo)體壓電材料，如硫化鋅(ZnS)、銻化鉻(CdTe)等，因其既具有壓

39、電特性，又具有半導(dǎo)體特性，故其既可用于壓電傳感器，又可用于制作電子器件，從而研制成新型集成壓電傳感器測(cè)試系統(tǒng);近年來研制成功的有機(jī)高分子化合物，因其質(zhì)輕柔軟、抗拉強(qiáng)度較高、蠕變小、耐沖擊等特點(diǎn)，可制成大面積壓電元件。為提高其壓電性能，還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2-PZT)。PVDF有很強(qiáng)的壓電特性，同時(shí)還具有類似鐵電品體的遲滯特性和熱釋電特性，因此廣泛應(yīng)用于壓力、加速度、溫度、聲音和無損檢測(cè)等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作PVDF有很好的柔性和加上性能，可制成具有不同厚度和形狀各異的大面積有撓性的膜，適宜做大面積的傳感陣列器件。這種元件耐沖擊、不易破碎、

40、穩(wěn)定性好、頻帶寬。(二)壓電式傳感器測(cè)量電路1.壓電元件的等效電路當(dāng)壓電傳感器中的壓電品體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)等值極性相反的電荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€(gè)兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，當(dāng)兩極板聚集一定電荷時(shí)，兩極板就呈現(xiàn)一定的電壓。因此，壓電元件可等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容Ca的并聯(lián)電路，如圖1-54(a)所示;也可等效為一個(gè)電壓源ua和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路，如圖1-54(b)所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無“漏損”，外電路負(fù)載無窮大時(shí)，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存;否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)

41、律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充。因此，壓電品體不適合于靜態(tài)測(cè)量。如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí)，則應(yīng)考慮連線的等效電容，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ru和輸入電容Cu以及傳感器的泄漏電阻Ra。其等效電荷源如圖1-55(a)所示，等效電壓源如圖1-55(b)所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作2.壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大

42、器，其作用為:一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗;二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式，即電壓放大器和電荷放大器。(1)電壓放大器。電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大。因此，也把這種測(cè)量電路稱為阻抗變換器，如圖1-56所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源，但由于壓電效應(yīng)引起的電容量很小，因而其電壓源等效內(nèi)阻很大，在接成電壓輸出型測(cè)量電路時(shí)，要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高的輸入阻抗。(2)電

43、荷放大器。電荷放大器是另一種專用的前置放大器，是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其等效電路如圖1-57(a)所示。由于放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有電流，故可略去Ra, Ri并聯(lián)電阻的影響，等效電路如圖1-57(b)所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作在實(shí)際應(yīng)用中，由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換會(huì)引起重新標(biāo)定的麻煩，因此對(duì)于電荷放大器，它既便于遠(yuǎn)距離測(cè)量，又是目前己被公認(rèn)是一種較好的沖擊測(cè)量放大器。3.壓電片的連接方式在實(shí)際應(yīng)用中，單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈

44、敏度，常采用兩片(或兩片以上)同型號(hào)的壓電元件載接在一起。從作用力來看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。因此，壓電片常見的鏈接方式主要有并聯(lián)連接和串聯(lián)連接兩種。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作連接方式如圖1-58(a)所示。從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個(gè)電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量q=2q增加了1倍，C =2 C電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同，即U =U。 而由圖1-58(b)所示的電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間載接處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量q =q與單片時(shí)相同，總電容量C =C/2為單片的一

45、半，輸出電壓U =2U增大了1倍。比較兩種接法，并聯(lián)接法輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。而串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號(hào)且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作4.壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器可以廣泛應(yīng)用于力以及可以轉(zhuǎn)換為力的物理量的測(cè)量，如可以制成測(cè)力傳感器、加速度傳感器、金屬切削力測(cè)量傳感器等，也可制成玻璃破碎報(bào)警器，廣泛用于文物保管、貴重商品保管等。(1)壓電式傳感器單向測(cè)力傳感器。單向測(cè)力傳感器主要由石英品片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成，如圖1-59所示。傳感器上蓋為傳力

46、元件，它的外緣壁厚為0.10.5 mm，當(dāng)外力作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英品片上。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作(2)壓電式加速度傳感器。壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1-60所示。它的結(jié)構(gòu)主要由彈簧、殼體、質(zhì)量塊、壓電片及基座等組成。當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即:F=ma (1-54)四、任務(wù)實(shí)施1.電路組成電路主要由壓電陶瓷片X1傳感器和X2陶瓷蜂鳴器及少數(shù)的電阻、電容等電子元件為主構(gòu)成。其中，IC1內(nèi)含兩只555時(shí)基電路和雙時(shí)基電路。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)四振動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作

47、2.電路的設(shè)計(jì)電路的設(shè)計(jì)原理如圖1-61所示。3.電路原理分析當(dāng)壓電陶瓷片X1傳感器受到外界的振動(dòng)而產(chǎn)生形變或當(dāng)受力時(shí)，就會(huì)在IC1-1的6腳外接的10 MS2的電阻上產(chǎn)生電壓信號(hào)，并觸發(fā)時(shí)基電路，使壓電片X2發(fā)出報(bào)警聲。IC1-2集成電路與外圍元器件共同構(gòu)成的是一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生約為5 Hz的低頻調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)X2發(fā)出經(jīng)調(diào)制的報(bào)警聲。上一頁(yè)返回圖1-1電子秤返回圖1-1電子秤圖1-2電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)返回圖1-3金屬導(dǎo)線受力變形情況返回圖1-4直流電橋電路返回圖1-5直流電橋工作方式(a)返回圖1-5直流電橋工作方式(b)返回圖1-5直流電橋工作方式(c)返回圖1-6交流電橋電路返

48、回圖1-7零點(diǎn)補(bǔ)償返回圖1-8線路補(bǔ)償法返回(a)電路;(b) R1與R2的放置位置圖1-9雙金屬效柵法返回圖1-10應(yīng)變式加速度傳感器返回1-質(zhì)量塊;2-等強(qiáng)度梁;3-空氣;4-限位塊;5-應(yīng)變片;6-殼體圖1-11應(yīng)變式位移傳感器結(jié)構(gòu)返回1-測(cè)量頭;2-彈性兒件;3-彈簧;4-外殼;5-測(cè)量桿;6-調(diào)整螺母;7-應(yīng)變計(jì)圖1-12電子秤的整體設(shè)計(jì)原理返回圖1-13電阻應(yīng)變式橋式測(cè)量電路返回圖1-14差動(dòng)放大器電路返回圖1-15 A/D轉(zhuǎn)換電路返回圖1-16顯示電路設(shè)計(jì)返回圖1-22電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)類型返回圖1-23電位器式傳感器測(cè)量電路返回圖1-24彈性肚壓力計(jì)返回圖1-25摩托車汽油油

49、位傳感器返回圖1-26浮筒式電位器式傳感器構(gòu)成的燃油表電路返回圖1-29平行極板電容器返回圖1-30放置云母片的電容器返回圖1-31直線位移型電容式傳感器返回圖1-32變而積式電容傳感器的派生型角位轉(zhuǎn)型返回圖1-33電容式液位變換的原理返回圖1-34變介質(zhì)型電容傳感器返回圖1-35運(yùn)算放大器電路返回圖1-36交流電橋電路返回圖1-37調(diào)頻電路框圖返回圖1-38脈沖寬度調(diào)制電路返回圖1-39脈沖寬度調(diào)試電路電壓波形返回圖1-40電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)框圖返回圖1-41收縮壓和舒張壓的獲取原理返回圖1-49石英晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)返回圖1-50石英晶體的外形返回圖1-51晶片受力方向與產(chǎn)生電荷極性圖返回圖1-5

50、2壓電陶瓷中的電疇變化返回圖1-53壓電陶瓷的壓電原理返回圖1-54壓電傳感器的等效電路返回圖1-55等效電路返回圖1-56電壓放大器返回圖1-57電荷放大器電路(a)返回下一頁(yè)圖1-57電荷放大器電路(b)上一頁(yè)返回圖1-58壓電片的連接方式返回圖1-59壓電式傳感器單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)返回圖1-60壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)返回圖1-61振動(dòng)報(bào)警器電路的設(shè)計(jì)原理返回項(xiàng)目二 溫度和環(huán)境量的檢測(cè)任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)二鍋爐爐膛溫度計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)三嬰兒尿濕報(bào)警電路的設(shè)計(jì)任務(wù)四酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì)任務(wù)五培養(yǎng)箱恒溫恒濕控制器的設(shè)計(jì)任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作一、任務(wù)描述利用熱敏電阻制作

51、電熱水器溫度控制器，當(dāng)電熱水器內(nèi)水溫低于設(shè)定值時(shí)，接通電源加熱，加熱指示燈點(diǎn)亮。當(dāng)電熱水器內(nèi)水溫高于設(shè)定值時(shí)，斷開電源停止加熱。熱敏電阻如圖2-1所示。二、任務(wù)目標(biāo)(1)掌握熱敏電阻傳感器的特點(diǎn)和工作原理。(2)掌握熱敏電阻傳感器的測(cè)量電路。(3)了解熱電偶的工作原理及其溫度補(bǔ)償。(4)能夠選用合適的溫度傳感器進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作三、知識(shí)鏈接1.熱敏電阻傳感器熱敏電阻是由金屬氧化物陶瓷半導(dǎo)體材料，經(jīng)成型、高溫?zé)Y(jié)等上藝制成的測(cè)溫元件，還有一部分熱敏電阻由碳化硅材料制成。其優(yōu)點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)大、電阻率大、體積小、熱慣性小，適宜測(cè)量點(diǎn)溫、表溫度及快速變化的

52、溫度;其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力學(xué)性能好。缺點(diǎn)是線性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。 (1)熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理熱敏電阻的基本工作原理是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而顯著變化的特點(diǎn)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻的電阻值也發(fā)生變化，上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作利用測(cè)量電路對(duì)電阻值的變化進(jìn)行測(cè)量，并將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓變化，從而使電壓或電流的變化與溫度的變化成一定的關(guān)系，完成溫度的測(cè)量。熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鉆(Co),錳(Mn),鎳(Ni)等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加入勃合劑，埋入適當(dāng)引線(鉑絲)，擠壓成型再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。熱敏電阻根據(jù)使用要求不同，可

53、制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀，如圖2-2所示。工業(yè)測(cè)量主要用珠型熱敏電阻，其外形如 所示。將珠型熱敏電阻燒結(jié)在兩根鉑絲上，外面涂覆玻璃層，并用杜美絲與鉑絲相接引出，外面再用玻璃管作保護(hù)套管，保護(hù)套管外徑為35mm，若把熱敏電阻配上不平衡電橋和指示儀表，則成為半導(dǎo)體點(diǎn)溫度計(jì)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作2)熱敏電阻的熱電特性根據(jù)熱敏電阻的阻值和溫度之間的關(guān)系，可以把熱敏電阻分成-,種類型，分別是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC、正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC和突變型熱敏電阻CTR，其電阻和溫度之間的特性曲線如圖2-4所示，不同類型的熱敏電阻材料如表2-1所示。(1)負(fù)溫度系數(shù)

54、熱敏電阻NTC。NTC熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而減小，是最常見的熱敏電阻，它的材料主要是一些過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷，如錳、鉆、鐵、鎳、銅等多種氧化物混合燒結(jié)而成，多用于溫度的測(cè)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作(2)正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC。PTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大，典型的PTC熱敏電阻是在欽酸鋇中摻入其他金屬離子，以改變其溫度系數(shù)和臨界溫度點(diǎn)。它在電子線路中多起限流作用。(3)突變型熱敏電阻CTRaCTR熱敏申阻當(dāng)溫席升高到某臨界值時(shí)，其申阻值隨溫席升高而降低34個(gè)數(shù)量級(jí)，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)。在某個(gè)溫度范圍內(nèi)阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡峭，

55、靈敏度極高。此特性可用于自動(dòng)控溫和報(bào)警電路中。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作3)熱敏電阻的基本參數(shù)(1)標(biāo)稱阻值RH(冷阻)。環(huán)境溫度為(250.2)時(shí)，熱敏電阻的阻值，單位為。(2)電阻溫度系數(shù)T(%/)。溫度每變化1，熱敏電阻阻值的相對(duì)變化率，單位為%/。如不作特別說明，是指20時(shí)的溫度系數(shù)，即式中RT溫度為T時(shí)的阻值。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作(3)散熱系數(shù)H。溫度變化1，熱敏電阻所耗散的功率變化量，單位為W/或mW/ 。在土作范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，H值隨之變化，其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān)。(4)轉(zhuǎn)變溫度TC

56、。熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度，主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和臨界溫度熱敏電阻(CTR )。4)熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻具有尺寸小、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此它在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，可用于溫度測(cè)量、溫度控制、溫度補(bǔ)償、穩(wěn)壓穩(wěn)幅、自動(dòng)增益調(diào)節(jié)、氣體和液體分析、火災(zāi)報(bào)警、過熱保護(hù)等方面。下面介紹幾種主要用法。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作(1)溫度測(cè)量。圖2-5所示為熱敏電阻體溫表的測(cè)量原理，利用其原理還可以制作其他測(cè)溫、控溫電路。調(diào)試時(shí)，必須先調(diào)零再調(diào)溫度，最后再驗(yàn)證刻度盤中其他各點(diǎn)的誤差是否在允許范圍之內(nèi)，上述過程稱為標(biāo)定。具體做法如下:將

57、絕緣的熱敏電阻放入犯的溫水中待熱量平衡后，調(diào)節(jié)RP1，使指針指在32上，再加熱水，用更高一級(jí)的溫度計(jì)監(jiān)測(cè)水溫，使其上升到5，待熱量平衡后，調(diào)節(jié)RP2，使指針指在45上，再加冷水，逐步降溫檢查32 45內(nèi)刻度的準(zhǔn)確程度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作(2)溫度補(bǔ)償。熱敏電阻可以在一定范圍內(nèi)對(duì)某些元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。圖2-6所示為三極管溫度補(bǔ)償電路。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，三極管的放大倍數(shù)刀隨溫度的升高將增大，溫度每上升1，刀值增大0.5%1%，其結(jié)果是在相同的IB情況下，集電極電流IC隨溫度上升而增大，使得輸出USC增大，若要使USC維持不變，則需要提高基極電位，減小三極管基極電流

58、。為此選用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。(3)液位測(cè)量。給NTC型熱敏電阻施加一定的加熱電流，它的表面溫度將高于周圍空氣的溫度，此時(shí)它的阻值相對(duì)較小。當(dāng)液面高于其安裝高度時(shí)，液體將帶走它的熱量，使之溫度下降，阻值升高。根據(jù)它的阻值變化，就可以知道液面是否低于設(shè)定值。汽車車廂中的油位報(bào)警傳感器就是利用以上原理制作的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作(4)過載保護(hù)。如圖2-7所示，Rt1, Rt2, Rt3是熱電特性相同的3個(gè)熱敏電阻，安裝在三相繞組附近。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)溫度低，熱敏電阻高，三極管不導(dǎo)通，繼電器不吸合，使電機(jī)正常運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)過載時(shí)，電機(jī)溫度升高，熱敏電阻的

59、阻值減小，使三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，則電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用。2.熱電阻傳感器在測(cè)量200W/220V普通燈泡冷態(tài)阻值時(shí)，可發(fā)現(xiàn)僅有數(shù)十歐，但按R=U2/P計(jì)算其熱態(tài)阻值為28252,，冷熱阻值相差近10倍，由此可知，鎢絲在不同溫度場(chǎng)中阻值是不同的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作在金屬中，載流子為自由電子，當(dāng)溫度升高時(shí)，雖然自由電子數(shù)目基本不變(當(dāng)溫度變化范圍不是很大時(shí))，但每個(gè)自由電子的動(dòng)能將增加，因而在一定的電場(chǎng)作用下，要使這些雜亂無章的電子做定向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)遇到更大的阻力，導(dǎo)致金屬電阻值隨溫度的升高而增加。熱電阻就是利用電阻隨溫度升高而增大這一特性來測(cè)量溫度的

60、。1)常用熱電阻熱電阻是利用電阻與溫度成一定函數(shù)關(guān)系的特性，由金屬材料制成的感溫元件。當(dāng)被測(cè)溫度變化時(shí)，導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化，通過測(cè)量電阻值變化的大小而得出溫度變化的情況及數(shù)值大小。熱電阻是中、低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計(jì)與制作作為測(cè)溫用的熱電阻材料，希望其具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加上容易等特點(diǎn)。目前較為廣泛應(yīng)用的熱電阻材料為銅、鉑、鐵和鎳等。其中，鉑的性能最好，它的適用溫度范圍為-200 960，其電阻值和溫度之間有近似的線性關(guān)系。銅熱電阻價(jià)廉且線性較好，但高溫下容易氧化，故只適用于測(cè)量-50 150。表2-