自动检测技术及应用

设计题：

P58 12题：

2-12.酒后驾车易出事故，但判定驾驶员是否喝酒过量带有较大的主观因素。请你利用学过的知识，设计一台便携式、交通警使用的酒后驾车测试仪。

总体思路是：让被怀疑酒后驾车的驾驶员对准探头（内部装有多种传感器）呼三口气，用一排发光二级管指示呼气量的大小（呼气量越大，点亮的LED越多）。当呼气量达到允许值之后，“呼气确认”LED亮，酒精蒸气含量数码管指示出三次呼气的酒精蒸气含量的平均百分比。如果呼气量不够，则提示重新呼气，当酒精含量超标时，LED闪亮，蜂鸣器发出“滴……滴……”声。

根据以上设计思路，请按以下要求操作。

1）上网查阅有关酒精蒸汽测试仪以及燃料电池型呼气酒精测试传感器的资料；

2）说明燃料电池型呼气酒精传感器与MQN型气敏电阻的区别；

3）画出你构思中的便携式酒后驾车测试仪的外形图、包括一根带电缆的探头以及主机盒。在主机盒的面板上必须画出画出电源开关、呼气指示LED若干个、呼气次数指示LED（3个）、酒精蒸气含量数字显示器、报警LED、报警蜂鸣器发声孔等；

4）画出测量呼气流量的传感器简图；

5）画出测量酒精蒸气含量的传感器简图；

6）画出测试仪的电路原理框图；

7）简要说明几个环节之间的信号流程；

8）写出该酒后驾车测试仪的使用说明书。

答：1、酒精测试仪 Alcohol tester：酒精浓度测试仪，又称酒精检测仪，是可供执法交警作为检测驾驶人员呼气酒精含量的具有法律效力的酒精测试仪，也可以用在需要控制人体酒精呼入量以确保安全的任何场合。可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，即：燃料电池型（电化学）、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型。燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，酒精传感器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。

2、相比于半导体型酒精传感器，燃料电池型酒精传感器有如下优点：

1、选择性好；人的口气中一般只有少量气体对燃料电池有作用，也就是说能“燃烧”，尤其是口臭、烟油子、饭菜味，水蒸气基本上对传感器没有影响。这是半导体比不了的。

2、响应快；新生产的半导体传感器的响应速度最快5秒左右，用一段时间后，这个响应时间将达到30秒；而燃料电池型酒精传感器，一般响应速度0.5秒左右，不太好的传感器3秒左右，且响应速度不随着器件的老化而变化；这也是半导体比不了的。

3、计量准确性好；由于燃料电池酒精传感器的选择性好，其响应与酒精直接相关，而半导体酒精传感器的信号，其实，只有参考作用！当然，半导体型酒精传感器也不是一无是处，它也有优点：

1、环境耐受力强，对气温变化不敏感。由于它是需要加热才能工作的，因此，即使在-70℃的环境下，也可以用简单的办法让酒精传感器正常工作。而燃料电池传感器，此时必须附加加热装置，否则传感器会罢工！同时，对于高温情况，即使100℃以上的环境，也不影响半导体气体传感器工作；但是，燃料电池型传感器则会因为失水而失效，甚至毁坏。

2、价格超级便宜。是燃料电池型的1/40!

3、

4、5、略

6、如图所示，

7、呼出气体经管道传至呼气流量传感器及酒精传感器，呼气流量传感器检测呼出气体是否达到标准，若未达到，重新呼气；酒精传感器输出直接反映酒精的浓度，从而达到测量目的。

8、说明书：让被怀疑酒后驾车的驾驶员对准探头（内部装有多种传感器）呼三口气，用一排发光二级管指示呼气量的大小（呼气量越大，点亮的LED越多）。当呼气量达到允许值之后，“呼气确认”LED亮，酒精蒸气含量数码管指示出三次呼气的酒精蒸气含量的平均百分比。如果呼气量不够，则提示重新呼气，当酒精含量超标时，LED闪亮，蜂鸣器发出“滴……滴……”声。

3-8. 请上网查阅有关差动变压器的资料，并参考图3-27的原理，构思一个测量向日葵日生长量（高度）的测量仪器。请你画出向日葵、3只导向滑轮、1只动滑轮、细线及固定点、差动变压器、衔铁（代替图3-27中的砝码）、测量转换电路、指针式毫伏表等元器件，应使读者能看清他们之间的安装关系，并简要说明其工作原理。（注：可利用滑轮将向日葵的向上生长量转换为衔铁的向下位移量，图中不应出现“电动机”之类的电动元器件）。

答：1、由于植物生长是缓慢的，因此采用能测量微位移的差动变压器式位移传感器是较合适的。

2、观察向日葵的生长姿态，再考虑质量块(衔铁)、导向轮、细绳及与差动变压器的相对位置及传动过程是该装置的关键。

3、由于向日葵的生长是单方向的，因此测量转换电路的信号输出可以采用直流电压表指示。

4、指针式毫伏表可将向日葵的生长量转换成指针的摆动幅度，仪表刻度可预先用卡尺标定。

5、若进一步深化研究本题，可考虑将差动变压器的输出经转换电路和接口电路输入到计算机处理系统。计算机定时采集向日葵生长量的信息，经运算，在屏幕上显示或打印向日葵的生长趋势的曲线，则该测量装置就更完善和先进

P96 9题

4-9. 某一火力发电厂发现，运输到该电厂的煤炭中混杂有未爆炸的雷管和其他金属。现打算在磨煤机传送带的适当位置安装若干个传感器，当检测到雷管和其他金属时报警，并快速将该段传送带上的煤块自动推下传送带。请按以上要求，设计一台雷管检测装置。具体要求是：1）画出该装置的简图；2）画出系统框图；3）简要说明检测原理。

5-7. 粮食部门在收购、存储谷物等时，需测定这些粮食、种子的干燥程度，以防霉变。请根据已学过的知识，设计一台粮食含水量测试仪，要求：1）能显示在标准质量（100g）条件下粮食的含水量（一般为10%～20%）；

2）能进行粮食品种的选择（能输入不同的纠正系数）；

3）粮食易于倒入及倒出（内极柱应为圆锥顶，将图5-6b的内圆筒倒置）；

4）外壳对操作者有静电屏蔽作用（可减少手的影响），引线从下方中心接出，并考虑与周边接地外壳绝缘；

5）画出传感器结构简图、信号调理框图，并说明其工作原理及优、缺点。

（可参考图5-6b的原理，但结构必须按题意，在工艺和尺寸等方面作适当的修改）

答：传感器结构简图如下：

粮食的水分不同，其导电率也不同，本测量仪的传感器是由两根金属探头组成的，将探头插入粮食内，测量两探头间粮食的电阻。由于粮食是高阻物质，因此，两探头不能相距太远，以相距2mm左右为宜。要保证相距2mm，又不能相碰，要用绝缘材料相隔离。因此，探头要安装在一起，用截面2x2mm的不锈钢即可。长度在300~500mm为宜。探头要安装绝缘手柄，插入粮食的深度在200~400mm

左右。

由于电容量C为放入介质介电常数的函数，而介电常数又随介质的水分含量而变化，因此只要能测出传感器输出电容的变化，也就可以得到介质的水分合量。为保证水分测量的精度，在将被测介质放入传感器内时应注意装料的一致性，为此，介质要从专门的整流器内以自由落体的方式，有规律的流入传感器内