传感器设计

摘要

重量是工业生产过程中的重要参数之一。重量的检测或控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的意义。本课题是基于单片机的压力的测量与显示系统。要求通过压力传感器将重力转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至8位A/D 转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示输出。

关键词：压力传感器；单片机；运算放大器

目录

摘要 (1)

目录 (2)

一、设计要求 (1)

1、功能与用途 (1)

2、课题意义及产品发展现状 (1)

3、国内外发展现状 (1)

二、设计方案及其特点 (2)

1、方案一 (2)

2、方案二 (2)

三．传感器工作原理 (3)

四、自感式重量测量系统总电路图 (4)

五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (5)

1、放大电路的设计 (5)

2、滤波电路的设计 (5)

3、数字显示电路 (6)

4、元器件清单 (8)

六、总结 (9)

参考文献 (10)

电感式重量测量系统设计

一、设计要求

1、功能与用途

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，重量，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

本次课程设计的电感式压力传感器为自感型，是由于磁性材料和磁导率不同，当重量作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变换转换成相应的信号输出，从而达到测量重量的目的。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高，测量范围大，缺点就是不能应用于高频动态环境。

2、课题意义及产品发展现状

在煤炭工业，制药，冶金，制造，钢铁，供水，化工等行业中，重量是生产过程中重要参数之一。并且随着现代化工业的发展，工厂大多增加自动化生产线，提供生产效率，降低成本，以提高市场竞争力和适应现代化工业的应用，而对于压力检测或控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。所以重力检测技术

的改进与发展历来受到众多行业的高度重视]1[。

传统的传感器大都采用手工操作，特别是压力传感器，基本都是手动油压或气压标定，鉴于此，选择压力传感器作为前段检测元件，以单片机作为检测仪的新型的，成本低廉的，使用方便的重量检测系统的研制，则显得十分有意义，以克服原有仪器的不足。

3、国内外发展现状

二十世纪80年代中后期，随着集成电路、微型计算机及软件技术的发展，在智能仪器的基础上又出现了虚拟仪器，它们都含有计算机，但在性能特点上又有新的飞跃，使重量信号采集与控制、信号分析与处理和结果的表达输出全部由计算机完成。现在通信从原来的模拟技术实现了到数字技术转变，特别是网络技术的发展，使异地实时测量成为现实。

当前世界发达国家都高度重视和支持仪器仪表的发展，美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器信息处理技术直接相关，日本科学技术厅把测量传感器技术列为21世纪首位发展的技术，德国大面积推广应用自动化测控仪器系统，20世纪90年代6年就增加了350％的市场，保证了劳动生产率增长1．9％，欧共体制定第三个科技发展总体规划，将测量和检测技术列为15个专项之一。

虽然我国的压力监测系统起步晚，总体来说还落后于发达国家。但是矩形双岛膜结构的6000Pa量程微压传感器，其性能指标有了很大提高，如非线性为5×10qFS，滞后、重复性均小于5×10qFS，分辨率优于20Pa，过压保护范围大于20倍量程。对量程为l00kPa的压力传感器，非线性、滞后、重复性均优于5xlO—FS。硅一兰宝石、高温硅压力传感器的工作温度分别达到一50,-．-,300。C和0"---'400℃。压敏器件的可靠性已达到较好水平。元器件的品种增多，测压范围已拓展，已有微压、表压、高压、绝对压力、差压等力敏元件及其配套仪表问世。因此随着我国传感器技术等各方面技术的快速发展，我国的压力监测系统也将会取得长足的进步。

二、设计方案及其特点

对于重力测量系统设计也可分为下面两种不同的设计方案。

1、方案一

第一种方案选择变磁阻式传感器。由线圈，铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁都由导磁材料如硅钢片制成。在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ。传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁运动时，气隙厚度δ发生变化，从而使磁路中磁阻变化，导致电感线圈的电感器发生变化，藉以判断被测位移的大小，通过位移的变化判断重量。

2、方案二

第二种方案选择差动自感传感器，利用两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁，这样构成差动电感传感器，当衔铁向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减，电桥不平衡。电桥输出电压的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位与衔铁移动量的方向有关。只要能测量出输出电压的大小和相位，就可以决定衔铁位移的大小和方向。衔铁带动连动机构就可以测量出多种非电量如位移，进而得出重量。

通过方案比较，选择方案二，变气隙电感传感器可以制作成各种形式，但他们都存在严重的非线性，为了减小非线性，选择方案二的差动自感传感器。

三．传感器工作原理

由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。

电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；

不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量的测量。

电感传感器测量线路主要采用交流电桥。交流电桥的固定桥臂可以是电阻、变压器的次级绕组或紧耦合的电感。需要指出的是，紧耦合电感电桥无论是在灵敏度指标上还是在电桥的平衡上都更优越。

图1 差动自感传感器

非差动式电感传感器电感量变化L ∆和位移量变化δ∆是非线性关系。当构成差动电感传感器，且接成电桥形式后，电桥输出电压将与L ∆有关，即

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆=-=∆...250300012δδδδδδL L L L ()

δδμ∆+=02

012AN L