传感器课程设计

传感器课程设计传感器课程设计 学学 院 院 专业班级 专业班级 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 指导教师 指导教师 完成时间 完成时间 20122012 年年 0707 月月 0606 日日 基于虚拟仪器的传感器课程设计基于虚拟仪器的传感器课程设计 摘要摘要 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件 它由 敏感元器件 感知元件 和转换器件两部分组成 有的半导体敏感元器件可以 直接输出电信号 本身就构成传感器 敏感元器件品种繁多 就其感知外界信 息的原理来讲 可分为 物理类 基于力 热 光 电 磁和声等物理效应 化学类 基于化学反应的原理 生物类 基于酶 抗体 和激素等分子识 别功能 虚拟仪器 Virtual Instrument 是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的 产物 以通用计算机为核心的硬件平台上 由用户设计定义 具有虚拟面板 测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统 使用者用鼠标或键盘操作虚 拟面板 就如同使用一台专用测量仪器 虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计 算机的界限模糊了 本次课程设计为基于虚拟仪器的传感器课程设计 主要设计基于磁环电感 压力智能传感器以及相对应的测量电路 接口 最后连接虚拟仪器进行测试分 析 基于虚拟仪器的传感器课程设计将理论和实践教学良好挂钩 在实践中深化对理论的认识 具有实用性 直观性 先进性 经过实验使学生更深刻的了解了基于虚拟仪器的传感器测 量系统工作原理 关键字 传感器 虚拟仪器关键字 传感器 虚拟仪器 Sensor s Course Design Based on Visual Instrument Abstract A sensor is a converter that measures a physical quantity and converts it into a signal which can be read by an observer or by an today mostly electronic instrument which is composed of two parts sensitive components perception component and the conversion device some sensitive semiconductor components can directly output signal which constitute the sensor itself A wide variety of sensitive components in terms of their perception of the principles of outside information can be divided into physics based on mechanical thermal optical electrical magnetic and acoustic and other physical effects chemical class based on the principle of chemical reactions The biological classes enzymes antibodies hormones and other molecules to identify the function Virtual instrument Virtual Instrument is a product of modern computer technology and the deep level instrumentation technology general purpose computer as the core hardware platform defined by the user the virtual panel test function test software a computer instrumentation system Users use the mouse or keyboard to operate the virtual panel just like using a special measuring instruments The emergence of virtual instruments measuring instruments and personal computers blurred This course is designed for sensor courses based on virtual instrument design Design based on the ring inductance pressure smart sensor and corresponding to the measurement circuit interface Finally connect the virtual instrument test analysis Sensor curriculum design based on virtual instrument theory and practice of teaching linked to deepening the understanding of the theory in practice with practical intuitive advanced through the experiment to make the students a deeper understanding of the sensor measurement system based on virtual instrument works Key words sensors virtual instrument 一 一 引言引言 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件 而传感 器课程主要介绍了传感技术的基本概念 基本原理和典型应用 1 虚拟仪器 Virtual Instrument 是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的 产物 以通用计算机为核心的硬件平台上 由用户设计定义 具有虚拟面板 测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统 使用者用鼠标或键盘操作虚 拟面板 就如同使用一台专用测量仪器 虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计 算机的界限模糊了 国内的高等院校对传感器课程都开设了相应的课程设计 但课程设计大多是 采用的传感器成品 学生通过对传感器资料的了解和熟悉 搭建测量电路并进 行调试 最后记录传感器的动静态特性 属于验证性的设计项目 为使学生更 好的掌握传感器知识 有必要让学生根据常见的电子元器件来设计传感器 利 用 National Instrument 公司的 ELVIS 实验平台对传感器特性进行分析和参数标 定 这样才能对传感器知识加深印象 达到良好的教学效果 二 基于磁环电感压力智能传感器 课程设计中的传感器采用磁环并在其上绕线形成电感 使用磁环作为压力感 应单元 压力作用在磁环上使磁环发生微变形 导致的磁感参数变化而造成电 感改变 如图 1 所示 图 1 磁环电感示意图 可以选用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体 前者的高频特性优于后者 锰锌铁氧体 的磁导率在几千 上万 而镍锌铁氧体为几百 上千 磁导率越高 传感器 的灵敏度越好 磁环的内外径差值越大 纵向高度越大 其阻抗也就越大 为 了使磁环的电感特性更加明显 因此采用内外径差值较小和外形尺寸也较小的 磁环来作为传感器 匝数越多 对频率较低的干扰抑制效果越好 而对频率较高的噪声抑制作用 较弱 通过分析 在磁环上面缠上了 5 匝线圈左右为宜 三 测量电路设计 磁环压力传感器测量电路主要由 LC 振荡回路和反馈整形电路组成 所采用的测试仪测量电路图如图 2 所示 图 2 测量电路原理图 a LC 振荡电路 采用磁环 L1 作为压力感应单元与电容 C1 并联 形成一个 LC 选频网络 产生正弦波信号 b 放大电路 由于通过 LC 振荡电路产生的正弦波信号很小 为了方便下面 的测量需要用放大电路将信号放大 主要由 Q1 Q2 Q3 构成 c 波形转换电路 为了便于测量正弦波的频率需要把正弦波转换成方波 主要由 D1 Q4 R4 构成 Q4 的集电极输出为一个方波 频率大概在 30KHz 左右 再经过一个非门芯 片将其转化为数字电平 最后直接接入 ELVIS 平台的数字输入接口中就可以测 量其频率了 四 接口电路设计 接口电路原理图如下 五 虚拟仪器 动静态特性 设计过程中还必须对传感器进行标定 压力输入采用标准砝码 记录一组 压力值和测量电路输出信号频率 绘出其静态特性 最后根据标定数据就可以 组成压力测量系统 通过以太网将测量的压力传送出去 LabVIEW 的程序框图如图 3 所示 图 3 压力测试系统程序图 六 结论 上述课程设计内容通过设计并加以改进完善 总结出一套传感器设计与虚拟 仪器相结合的设计方法 课程设计内容反映良好 基于虚拟仪器的传感器课程设计将理论和实践教学良好挂钩 使学生在实践 中深化对理论的认识 具有实用性 直观性 先进性 经过实验使学生更深刻 方波信号 微处理器 MAX232 RS232 信号 的了解了基于虚拟仪器的传感器测量系统工作原理 具有较高的实用价值 七