传感器设计研究

1、大庆石油学院课程设计课 程传感器课程设计 题 目触摸式报警器 院 系 电气信息工程学院测控系专业班级测控 06-1 学生姓名刘洁 学生学号060601240105指导教师曹广华 宋金波 2009 年 7 月 3 日大庆石油学院课程设计任务书课程传感器课程设计题目触摸式报警器专业测控技术与仪器姓名刘洁学号 060601240105一、主要内容：1、电路设计：触摸式报警器电路，声光控节能灯电路，红外传感器应用电路，霍尔元件应用电路，光纤传感器应用电路，温度检测应用电路，压电传感器应用电路，电容、电阻、电感、气体检测、激光、超声波、生物等传感器应用电路，其他传感器应用电路。其中触摸式报警器电路、声光

2、控节能灯电路为必选电路，其余几项中任选 10 项，共完成 12 项传感器应用电路的设计。2、对所设计的电路进行答辩。二、基本要求：课程设计共对 12 项电路进行设计；每一项要求说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作原理、注明元器件选取参数、进行方案比较。三、主要参考资料：1 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用M.电子科技大学出版社,2004.2 杨洋.图解趣味电子制作电子电路设计与制作M.科学出版社,2005,8.完成期限2009.6.292009.7.3指导教师曹广华宋金波专业负责人 2009 年6 月20 日目 录1、触摸式报警器设计12、声光控节能灯电路设计23、自

3、动洗手器电路设计34、接触燃烧式气敏传感器设计55、表面粗糙度测量仪设计66、蓝宝石光纤瞬态高温传感器设计87、甲醛气体检测仪设计98、NE555 构成的超声波液位指示电路设计109、电阻应变式力传感器制作的数显电子秤电路图设计1110、水开报警器设计1311、总结15参考文献16图（1）触摸式报警器电路图1.3、电路工作原理见上面的原理图，三极管 BG1 和 BG2 等组成模拟开关电路，平时两管处于截止状态，当有人触及金属板 A 时，两管就迅速导通。三极管 BG3 和 BG4 等组成互补音频振荡器，在 BG1 和 BG2 管截止时，振荡器停振。BG1 及 BG2 管一旦导通，振荡器立即起振，

4、扬声器中马上发出持续不断的报警声。按钮开关 SW 为报警解除开关，当 SW 按下后，三极管 BG1 和 BG2 截止，振荡器也停止振荡.1.4、元器件选取参数表 1 触摸式报警器元件参数表编号名称型号数量R1电阻1M1R2电阻82K1R3电阻1K1C1电解电容47u1C2瓷片电容0.039uF1BG1,BG4三极管90152BG2,BG3三极管90142SW开关小型开关1Speaker扬声器81A金属片自制11.5、方案比较优点：利用声波发射及接收原理，在屏幕上有 X、Y 轴向发射器及接收它们实现电信号与声波之间的转换，当人体触摸屏幕的时候，通过该点的波信号被阻挡，其波形形成一个衰减，控制器通

5、过分析接收到的衰减信号而确认被触摸的位置,它的表面没有涂层,所以透光率高，基材采用钢化玻璃，保证了它的使用寿命。缺点：但受其反应原理的限制，表面声波触摸屏表面必须保持清洁使用时会受尘埃的影响。2、声光控节能灯电路设计2.1、传感器基本工作原理根据光敏电阻在强光和弱光下的阻值大小不同，从而改变脉冲震荡器的频率，进而改变调光速度2.2、应用电路电路图 I图（2）声光控节能灯电路图2.3、电路工作原理光控自动调光灯电路原理图如图所示。脉冲振荡器中光敏电阻器 RL 的作用是通过光敏电阻器阻值的变化，改变脉冲振荡器的振荡频率。当光线较弱时，光敏电阻器 RL 电阻值较大，脉冲振荡器的振荡频率较低，调光速度

6、也慢； 当光线变强时，光敏电阻器 RL 的电阻值变小，脉冲振荡器的振荡频率变高，调光速度变快。2.4、元器件选取参数ICl 选用 NE555、A555 或 SL555 等时基集成电路；IC2 选用十进计数 分频器。其他元器件均无特殊要求，可按图所标型号及参数进行选用.2.5、方案比较IC2 的输出控制端只使用了 5 个端，即 Q0Q4。而且将输出端通过电位器RP2 直接去触发单向晶闸管。这样安排的目的是使在较亮的环境光线下开灯， 能很快使灯光达到最亮。另一方面又在 RP2 的前端增设了一只高容量的电容器C4，这样就增加了在环境较暗条件下开灯时的延时时间。这样的设计作到了 2 种不同环境下开灯的

7、兼顾。3、自动洗手器电路设计3.1、传感器基本工作原理热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。 不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高 热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成， 其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰 该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能 以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化 并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。3.2、应用电路电路图图（3）自动洗手器原理图3.3、电路工作原理电路中

8、，电源电路由电容器 cl、C2、电阻器 Rl、稳压二极管 vs 和整流二极管 VD1 组成；红外检测控制电路由电阻器 R2 一 R7、电容器 C3 一 C5、二极管VD2、晶体管 vi、V2、热释电红外传感器集成电路 ici 和时基集成电路 IC2 组成；控制执行电路由光祸合器 VLC 和电磁阀 YV 组成。交流 220V 电压经 cl 降压、vs 稳压、VDI 整流及 C2 滤波后，为红外检测控制电路提供 6V 直流电压平时，vi 和 V2 处于截止状态，IC2 和 VLC 不工作，其内部的光控晶闸管处于截止状态， YV 处于断电状态。当人体接近 icl 时，ici 的输出端（OUT)将输出

9、高电平，使vi 和 V2 饱和导通，IC2 通电工作，其 3 脚输出高电平，使 VLC 内部的发光二极管点亮，光控晶闸管导通，YV 通电开始放水。与此同时，C4 通过 R5 缓慢放电，使 IC2 的 2 脚和 6 脚电压不断上升。当定时时间结束(IC2 的 6 脚电压升至 4V 以上）时，IC2 内电路翻转，3 脚输出低电平，使 VLC 内电路截止，YV 断电停止工作。若在定时时间未结束时，而人体离开 Ici 一定距离时，则 icl 的输出端变为低电平，使 vt 和 V2 截止，ici 和 YV 断电停止工作。3.4、元器件选取参数cl 选用耐压值为 400V 以上的 CBB 电容器；C2 一

10、 C4 均选用耐压值为 16V 的铝电解电容器。VDI 选用 I N4007 型硅整流二极管；VD RI 一 R7 选用 1/4W 金属膜电阻器或碳膜电阻器。2 选用 1 N4148 型硅开关二极管。vs 选用 lw、6.2V 的硅稳压二极管，例如 1 N4735 等型号。vi 选用 S9013 或 3 DG6 型硅 NPN 晶体管；V2 选用 S8550 或 3DG8550 型硅 PNP 晶体管。ici 选用 SD02 或 P228、LN-206 等型号的热释电红外传感器集成电路； IC2 选用 NE555 型时基集成电路。VLC 选用 MOC3041 型光藕合器。3.5、方案比较优点：本身

11、不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉 缺点：容易受各种热源、光源干扰。人体红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。环境温度与人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。4、接触燃烧式气敏传感器设计4.1、传感器基本工作原理气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导

12、体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；第二类， 半导体与气体的反应，使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化，而使电导率改变。按照半导体变化的物理特性，又可分电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体4.2、应用电路电路图图（4）接触燃烧式气敏传感器结构及电路图4.3、电路工作原理典型的接触式燃烧式气敏传感器结构与电路原理图如图 2 所示。氧化催化剂中埋设有白金等金属线，工作时金属圈中通电流使温度保持在 300600， 当可燃气体接

13、触传感器表面时会发生燃烧，所产生的热量使金属丝进一步温度升高，致使电阻值增大，导致电桥失衡产生输出。不同种类不同浓度的可燃气体燃烧产生的热量不同，对应不同的电路输出。4.4、元器件选取参接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持 300400的高温， 此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度4.5、方案比较优点：对气体选择性好，线性好，受温度、湿度影响下，响应快。缺点：对低浓度的可燃性气体的气体敏感度低，敏感元件

14、受到催化剂的侵害后其特性锐减，金属丝易断。5、表面粗糙度测量仪设计5.1、传感器基本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 或电流输出螺管插铁型电感传感器它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。衔铁随被测物体 移动时改变了线圈的电感量。这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便 于制作5.2、应用电路电路

15、图图（5） 传统表面粗糙度测量仪工作原理框图5.3、电路工作原理传感器的线圈与测量线路是直接接入平衡电桥的，线圈电感量的变化使电桥失 去平衡，于是就输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经电子装置将这 一微弱电量的变化放大、相敏检波后，获得能表示触针位移量大小和方向的信 号。所以，在测量之前，必须调整指零表，使其处于零位。噪声滤波的目的在 于剔除一些干扰信号，如电气元件的噪声所引起的虚假信号。大量的测试表明， 高于 400Hz 的信号即不是被测表面粗糙度所引的信号，必须从总信号中加以剔除。经过噪声滤波和波度滤波以后，剩下来的就是与被测表面粗糙度成比例的 信号，再经平均表放大器后，所输出的电流

16、 I 与被测表面轮廓各点偏离中线的高度 y 的绝对值成正比，然后经积分器完成的积计算，得出 Ra 值，由指零表显示出来。5.4、元器件选取参数这种仪器适用于测定 0.02-10m 的 Ra 值，其中有少数型号的仪器还可测定更小的参数值，仪器配有各种附件，以适应平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、曲面、以及小孔、沟槽等形状的工件表面测量。测量迅速方便，测值精度高。测量范围较小，Ra 值的范围一般为 0.02-10m 左右。5.5、方案比较传统表面粗糙度测量仪存在以下几个方面的不足： 测量参数较少，一般仅能测出 Ra、Rz、Ry 等少量参数； 测量精度较低，测量范围较小，Ra 值的范围一般为 0.02

17、-10m 左右； 测量方式不灵活，例如：定长度的选取，滤波器的选择等；测量结果的输出不直观。为了克服传统表面粗糙度测量仪的不足，应该采用计算机系统对其进行改 进：从相敏整流输出的模拟信号，经过放大及电平转换之后进入数据采集系统， 计算机自动地将其采集的数据进行数字滤波和计算，得到测量结果，测量结果 及轮廓图形在显示器显示或打印输出。6、蓝宝石光纤瞬态高温传感器设计6.1、传感器基本工作原理该系统由蓝宝石黑体温度传感器、ST 连接器、锥形石英光纤、耦合器、滤光片、光纤和光电探测器组成。利用温度传感器传输信号。6.2、应用电路电路图图（6）温蓝宝石瞬态高温传感器原理图6.3、电路工作原理当蓝宝石黑

18、体温度传感器靠近某高温辐射源时，热容很小的黑体温度传感器迅速达到热平衡，由黑体辐射理论可知，其开始向蓝宝石光纤辐射热信号。热量辐射信号经过锥形光纤和普通光纤长距离传输后接到光电探测器。蓝宝石黑体温度传感器与锥形光纤通过 ST 连接器相连，而带通滤光片的耦合器则将锥形光纤同普通石英光纤连接并进行滤光。这里，采用锥形光纤的目的是为了提高蓝宝石黑体温度传感器输出信号的传输效率。我们选用带有尾纤和 ST 接头的硅混合集成 FET-PIN 光电接收器件作为光电探测器6.4、元器件选取参数光谱响应范围 0.5mm1.1mm；暗电流小于 400mV；响应度大于 2500mV/m; 脉冲相应时间小于 3.5m

19、s；高可靠性 ST 接头，牢固的同轴封装。光电探测器的输出信号可接示波器或数据采集装置。6.5、方案比较优点：适用 1000以上至 1800。在常温环境下热电动势非常小，不需补偿导线耐氧化、耐腐浊性良好。耐热性与机械强度较 R 型优良。缺点：在中低温域之热电动势极小，600以下测定温度不准确。热电动势值小,热电动势之直线性不佳，价格高昂。7、甲醛气体检测仪设计7.1、传感器基本工作原理我们所使用的电化学传感器属于恒电位电解式传感器。定电位电解式传感器是目前测毒类现场最广泛使用的一种技术，在此方面国外技术领先，因此此类传感器大都依赖进口。前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，

20、使传感器处于工作状态。气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。7.2、应用电路电路图图（7）甲醛气体检测仪等效电路图7.3、电路工作原理控制电位电解型传感器的基本原理是通过外电路控制一定电位使被测物质在工作电极上发生氧化还原反应，反应产生的电流与被测物的浓度成正比。对十电流型传感器，最好是选择极限扩散平台内电位作为控制电位。极反映速率受分析物质从外部进入传感器室的介质所限制。此时，进入传感器室的电活性物质在电极表面 100%发生了电化学反应，该传感器同时也可作为库仑计。如果扩散过程的速率比电极表面发生电化学的反应

21、速率快，那么反应电流则受电极动力学控制。7.4、元器件选择这种情况下，反应电流的表达式如下所示:K 代表标准速率常数，n、m 代表反应级数，、 分别代表介质系数和电极反应的过电势。理论上，如果反应物向电极表面的传导远远慢于其它步骤， 那么极限电流应是与电极电位无关。相反，如果电催化反应速率是所有步骤中 最慢的，则极限电流应与被分析物质所有扩散过程等参数无关。7.5、方案比较优点：单一有毒气体检测仪是一种最新设计的可以分别灵活配置十多种不同气体传感器的单一气体检测仪器. 该仪器操作简单,持久耐用,反映灵敏,气体浓度,并在仪器显示屏上显示气体浓度值。缺点：断电时不能进行自我保护，没有完善的自我诊断

22、功能。8、NE555 构成的超声波液位指示电路设计8.1、传感器基本工作原理超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的 穿透本领很大,超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应 .8.2、应用电路电路图图（8）超声波液位指示电路图8.3、电路工作原理超声波发射电路由 555、R1、W1、C1 和超声波发射头 UCM40T 组成。超声波接收电路由与发射头相匹配的接收头 UCM4

23、0R、级联放大器 BG1 和 BG2、检测电路组成。当液面接近接收头时，电压表偏转角增大，且液面离得越近，对应的偏转角越大。由于超声波具有不受被测液体的浓度和导电性能影响的特性，因 此本电路要比一般的接触式液位显示电路要优越，精度会更高。8.4、元器件选择主要技术指标：检测距离： 1、2、3、5 米盲区 0.25 米超声波工作频率 75KHZ 重复精度： 0.5%输出速度：5 次/秒波束角（-6DB）：15工作电压：12-15VDC（纹波200mVp-p）工作电流：100MA 输出： 数字信号：RS232 / RS485 工作温度： -30-70(带温度补尝)防护等级（前端）：IP65 材质：

24、 不锈钢（外壳）8.5、方案比较优点：采用超声波回波测距原理，运用精确的时差测量技术，检测传感器与目标物之间的距离，采用本厂开发的小角度，小盲区超声波传感器，具有测量准确，无接触，防水，防腐蚀，低成本等优点，可应于液位，物位检测，特有的液位，料位检测方式，可保证在液面有泡沫或大的晃动。缺点：不易检测到回波的情况下有稳定的输出。9、电阻应变式力传感器制作的数显电子秤电路图设计9.1、传感器基本工作原理电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔

25、状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和 CPU）显示或执行机构9.2、应用电路电路图图（9）数显电子秤电路图9.3、电路工作原理数显电子秤电路原理如图所示，其主要部分为电阻应变式传感器 R1 及IC2、IC3 组成的测量放大电路，和 IC1 及外围元件组成的数显面板表。传感器 R1 采用 E350ZAA 箔式电

26、阻应变片，其常态阻值为 350O。测量电路将 R1 产生的电阻应变量转换成电压信号输出。IC3 将经转换后的弱电压信号进行放大，作为 AD 转换器的模拟电压输入。IC4 提供 l22V 基准电压，它同时经 R5、R6 及 RP2 分压后作为 A/D 转换器的参考电压。3-1/2 位 A/D，转换器ICL7126 的参考电压输人正端，由 RP2 中间触头引入，负端则由 RP3 的中间触头引入。两端参考电压可对传感器非线性误差进行适量补偿。9.4、元器件选择IC1 选用 ICL7126 集成块；IC2、IC3 选用高精度低温标精密运放 OP-07;IC4 选用 LM38512V 集成块。传感器 R

27、I 选用 E350ZAA 箔式电阻应变片， 其常态阻值为 350O，。各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。RPI 选用精密多圈 电位器，RP2、RP3 经调试后可分别用精密金属膜电阻代替。电容中 C1 选用云母电容或瓷介电容。9.5、方案比较优点： 在受到应力作用时，其电阻会发生相应的变化，因此可制做测力传感器，广泛应用于自动衡器及力、速度等的测量。缺点：直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。由于进行位移测量时，测微头要从水平位置移动到最大位置，又恢复到零，再从水平位置移动到负的最大位置。因此容易造成零点偏移。10、水开报警器设计10.1、传感器基本工作原理湿敏传感器是能够感受外界湿度变化

28、，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发 生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比102、应用电路电路图图（10）水开报警器电路图10.3、电路工作原理电路如下图所示，三极管 BG2,BG3 及电阻 R2 和电容 C2 等组成一音频振荡器，改变电容 C2 的容量，可以改变振荡器

29、音调的高低。三极管 BG1 及电阻R1，二极管 D 等组成一电子开关电路，控制振荡电路的工作。二极管 D 由插头引出，作为感温元件，同时也相当于 BG1 的偏置电阻。在常温下，二极管 D 处于反偏而截止，使三极管 BG1 也截止。温度升高时，D 的反向电阻变小，漏电流增大。当温度升高到一定程度时，三极管 BG1 达到一定偏压而导通，电源经三极管 BG1 加至音频振荡电路，振荡器起振，扬声器发出报警声。因此，只要设法将 D 放在水壶壶嘴内，调整电阻 R1 的值，使得壶水在烧开时，BG1 导通， 电路起振，扬声器发出报警声10.4、元器件选择三极管 BG1-BG3 选用一般通用的管子即可。二极管 D 可以用 IN4148。安装时，将 D 置于一个长度和粗细合适，一端封闭的铜管内，并注意两者的绝缘， 管脚通过引线接到插头上。装配无误后，就可以开始调试了。先将三极管 BG1 的 E,C 极短接，调整电阻 R2 的值，使音频振荡器起振，然后将组装好的传感头（D）插入开水