哈工大测试大作业——传感器综合运用——题目四全解

传感器综合运用
一、设计题目
如图所示工件，在生产线的30°滑道上自上而下滑落，要求在滑动过程中检测工件厚度，并且计数。

图中4mm尺寸公差带为10μm。

图1.测量工件
二、厚度检测传感器的选择
电容传感器是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。

其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。

若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。

δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。

因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。

极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。

面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。

介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

与电阻式或电感式传感器相比，电容传感器具有四大优点:
(l)分辨力高，常用于精密测量;
(2)动态响应速度快，可以直接用于某些生产线上的动态测量;
(3)从信号源取得的能量少，有利于发挥其测量精度;
(4)机械结构简单，易于实现非接触式测量。

因此电容传感器在精密测量中占有重要的地位。

此外，电容器传感器还具有结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等优点。

因此，在本题中选择电容传感器作为厚度检测传感器。

三、电容传感器的检测原理
电容式传感器可分为面积变化型、极距变化型、介质变化型三类，下面将分述其检测原理。

1、面积变化型电容传感器
这一类传感器输出特性是线性的，灵敏度是常数。

这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。

测量装置如图2所示。

图2.变面积式电容传感器
其电容量计算公式为：
002121212()22ln()ln()ln()x l l l l l C C C C r r r r r r l
πεπεπε-∆∆∆∆=-=-=-=- 式中 L －外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度
21,r r -外圆筒内半径与内圆柱外半径 灵敏度0
212ln()C C l r r l πε∆=-=-∆
2、极距变化型电容传感器
极距变化型电容传感器一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。

测量装置如图3所示。

图3.变极距式电容传感器示意图及其特性曲线
其电容量计算公式为： d S C r εε00=
式中 S －极板相对覆盖面积； d －极板间的距离；
ε0－真空介电常数，ε0 =8.85×10-12F .m -1
εr －极板间介质的相对介电常数；
ε－介电常数，ε = ε0 εr 。

灵敏度0C C S d d
∆==∆ 非线性误差：0100%C d C d γ∆∆=
=⨯
3、介质变化型电容传感器
这种传感器由一对互相平行的金属极板A 、B 组成，其相对面积为S ，极板间隙为δ，两极板间放置有厚度x δ的金属待测工件。

测量装置如图4所示。

图4.变介电常数式电容传感器
其电容量计算公式为：
C C C =+12111
式中 C —总的输出电容量(F)；
C 1—以待测工件为介质的电容量(F)；
C 2—以空气为介质的电容量(F);
又 x εS C δ=
11，x εS C δδ=-02
所以得到，
()//x x S C δδεδε
=
-+0 式中:S —极板相对面积; ε0—空气介质常数，./F M -⨯1288510;
ε—待测工件介质介电常数;
δ—两极板间距；
x δ—非金属薄膜介质的厚度。

灵敏度231[]1()r r r r
C N C N εεεε∆∆=∆+，可以看出δx /(a-δx )越大， εr 越小， 灵敏度越大，非线性越小。

当待测工件进入电容两极板后，改变了x δ范围内的介电常数，从而改变了
电容量。

这样电容量C 与待测工件厚度x δ形成了确定的关系，这就是变介电常
数式电容传感器测厚的基本原理。

四、电容传感器的设计
电容传感器为两圆柱形测量头，以其两个端面分别作为电容的一极，两者之间形成电容C 。

若把它看作平行板电容器，则电容器两极板之间的电力线明显地要产生边缘效应。

要使 C 与间距δ之间的关系按无穷大平行板电容器来处理，传感器结构上需采取较为特殊的设计。

即在测量头外面加一测头保护层，保护屏蔽层与测量头之间电绝缘。

传感器采用4Cr13 制作，因4Cr13 的线膨胀系数较低。

绝缘层是聚四氟乙烯材料，它的绝缘强度非常高。

保护层接电源地。

接地后此保护层有利于克服测量头与周围导体的寄生电容的影响，防止外来信号的干扰。

与传感器连接的电缆线采用低噪声的同轴屏蔽电缆。

由于连接测量头的电缆、屏蔽层与测量头之间形成的电容很大，将把待测电容全部淹没，无法将有用信号拾取出来，而电容传感器的电容很小，又是高阻抗元件，所以测量头屏蔽和传输电缆电容的影响问题是电容传感器的技术关键，因此对传感器需采取屏蔽、在测量线路的前置级需采取驱动电缆技术。

五、测量电路
电容式传感器的常用测量电路有变压器电桥电路，差动脉冲调制电路，双T 桥电路，运算放大器是电路，此外电容式传感器的测量电路还有普通交流电桥电路和紧耦合电感臂电桥电路等。

由于运算放大器的放大倍数K 非常大, 而且输入阻抗Z i 很高。

运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的
测量电路。

此处选用该种测量电路。

测量电路图如图5所示。

图5.电容式传感器测量电路
由运算放大器工作原理可得 00i x C U U C ⋅
⋅=- 式中： Cx 为电容式传感器0U ⋅是输出信号电压
C0为固定电容i U ⋅是交流电源电压
如果传感器是一只平板电容,则C x =εS/d ,
代入上式, 有00i C U U d S
ε⋅⋅=-。

此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d 呈线性关系。

运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，但要求Zi 及K 足够大。

为保证仪器精度, 还要求电源电压的幅值和固定电容C 值稳定。

六、测量方案简图
采取以上措施以后，再经过传感器线性校正以后，其测量误差可以达到0.001‰，即测量4mm 的工件最大测量误差在4~5μm 左右，满足测量要求。

测量方案简图如下：
图6.测量方案简图
七、计数器的设计
1、设计方案
光电计数器采用光电传感器构成的光电门实现对通过光电门的物体进行计数，是一种非接触式计数，在部分场合有着其无比的优越性，从而使其广泛应用于工业生产、实时监测、自动化控制等领域。

本设计为实现光电计数器的功能，采用模数结合的电路，以红外对射光电传感器为传感器件。

电路主要分为信号采集电路、两位十进制计数电路、数码显示电路，分别实现对通过光电门的物体感应、计数、显示。

为实现以上要求，本设计方案采用红外发射管采用直流供电，接收对管判断是否有物体通过光电门，并且当物体通过光电门时输出一个高电平，触发后面的加法计数器，使其加一，为简单起见，计数器为一组BCD码输出，输出由BCD-七段数码管译码器译码，输入至数码管显示。

另此设计还有脉冲电路为红外发光二极管供电，使其发射红外脉冲，从而可以提高瞬时功率而使平均功率满足正常工作要求，从而可以加大光电门的宽度，以通过较大的物体。

脉冲发射电路中采用的振荡器采用 555 构成的多谐荡器，其结构简单，便于调试。

2、系统框图
本设计采系统结构如下图所示：
图7.系统框图
由图可见，系统可分为信号采集、计数、显示功能块。

3、单元电路设计
（1）信号采集电路设计
该电路主要由脉冲（方波）发生电路，光电转换电路，信号滤波比较电路组成。

脉冲发生电路为555构成的多谐振荡器，振荡频率大约为30KHz，555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级，它提供两个基准电压，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压。

A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低时，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

RD是复位端，当其为0时，555输出低电平。

平时该端开路或接VCC。

Vc是控制电压端（5脚），平时输出2VCC作为比较器A1的参考电平，当35脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

电路如下图：
图8.信号采集电路
图中增加了两个导引二极管，使充放电的电流流过指定的电阻。

（2）光电转换电路设计
光电转换电路采用红外发光二极管和光敏三极管作为光电转换传感器，采用典型电路，如下图：
图9.光电转换电路
从 555 多谐振荡器输出的信号控制小功率三极管的导通与截止，从而控制发光二极管发光与否。

接收电路由光敏三极管上接电源并加一下拉电阻实现。

发光二极管的正常工作压降大约是1.2V，电流大约是20mA，从而可以估算出限流电阻大约是150Ω，但是由于由脉冲信号控制，工作时间大约占20%，因此瞬时功率可以提高5倍，即限流电阻减小80%，大约是30Ω。

光敏三极管在无光照射下，电阻可达输兆欧姆，有足够的关照时，电阻降到几千欧姆，因此其分压电阻可以取几十到几百千欧，具体需根据实际情况调整，这里采用了典型值33KΩ。

图中节点3输出含有直流分量的信号，其交流部分大致同步于前面脉冲输出信号。

（3）滤波电路设计
光电转换电路输出信号在有、无物件遮挡住光线时，都输出含有直流交流分量的信号。

因此通过滤波电路，可以将两种信号转换为不同电压的直流信号，再通过一定阈值的比较器，可以将两种信号转换为数字电路中的高低电平，从而控制后续电路。

电路如下图所示：
图10.滤波电路设计
电路中，R5和C3构成滤波电路，为了减小纹波，一般电阻、电容取得较大。

但电容和电阻取得过大又会使的在两种输入信号切换时，电路反应迟钝，这里选用了一般值。

比较电路采用LM258构成，3脚输入参考电压，即是阈值电压，2脚输入待处理信号。

阈值的选取需根据实际情况设定，是电路能够准确的区分两种不同的输入信号电压，因此采用一电位器从电源分压获得，其中电容C4为纹波滤除电容。

综合上述三个单元电路，信号采集电路可以实现抗干扰，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差，电路情况为当有物体通过时，遮挡住红外光线，电路输出高电平，平时输出低电平。

（4）计数电路
计数电路主要采用计数器统计信号采集电路输出的脉冲个数，实现对物件计数的功能。

为了使电路简单化，在此选用74LS190为此电路的计数器。

74LS190为可预置十进制同步加减计数器，其预置是异步的，当置入控制端 LD 为低电平时，不管时钟端CP状态如何，其计数是同步的，靠输出端即预置成与数据输入端相一致的状态。

CP同时加在四个触发器上而实现的。

当计数控制端CT为低电平时，在CP上升沿作用下同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。

当计数方式控制U/D为低电平时进行加计数；当U/D为高电平时进行减计数。

只有在CP为高电平时CT和U/D才可以跳变。

其有超前进位功能，当计数上溢或下溢时，进位/借位输出端CO/BO输出一个宽度等于脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端RC输出一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。

利用 RC端可级联成N位同步计数器。

当采用并行时钟控制时，则将RC接到后一级CT；当采用并行CT控制时，则将RC接到后一级CP。

该电路是实现将计数电路的计数值以数字方式显现出来。

计数电路输出两组BCD码，为了使电路简单，应选用BCD码——七段数码管译码驱动器。

在此选用了常用的 74LS48 共阴数码管驱动器，选取共阴八段数码管，但小数点位不用。

74LS48为内部有上拉电阻的BCD—七段数码管译码器/驱动器，输出端为高电平有效，可用于驱动共阴数码管。