水箱传感器教材

内蒙古工业大学课程设计说明书PAGE16前言水箱传感器位于水箱底部是用来测量测量水箱压力观察水箱内部动态的装置。主要由压力传感器组成。而所谓的传感器是由于某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应的原理做成的，所以水箱压力测量仪的原理也是这个一样。绪论1.1课题背景本学期开设了测控电路，传感器及传感器技术，单片机等课程。本课程设计是在学完这么多课的基础上，为了能更好的掌握这些课的内容，把理论应用于实际而提出来的。旨在发挥我们的设计，创新意识。通过本课程设计可以掌握和巩固传感器的基本设计方法，工业水位的测量方法，调制解调电路的设计，放大电路的设计，单片机的基本应用，显示电路的连接等知识。进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，从而提高我们解决问题的能力和创造发明能力。1.2设计课题课程设计的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、工作量要求等）技术参数:设计中所需具体参数可根据所选电路的需要确定。设计要求:（1）具有信号解调功能的电路；（2）具有信号放大功能的电路；（3）具有A/D转换功能的电路。根据以上要求设计电路图并具体分析电路图的特性。工作量要求:1)学习Protel或EWB的基本操作。2)画出以上设计电路图，并对其结构性能做详细说明。3)根据内蒙古工业大学课程设计说明书规范要求完成一篇说明书详细论述上述内容。水箱压力测量计原理与国内外研究方向2.1水箱压力测量计原理：线性稳压电路及积分电路线性稳压电路及积分电路传感器桥式放大电路差分放大伏频转换电路触发器提供适当工作电压电流电压输出放大电压信号提供差分信号放大后电压输出频率信号输出输出U0流程图：本文所述水箱压力测量计需要+9V直流电压，所以我们需先采用一个线性稳压器LT1121来将其转换为电路所需要的工作电压先是水箱压力传感器感应水箱压力，将压力输入信号转化为电压输出信号，然后经过桥式放大器对压力传感器的电压输出信号进行放大。待信号稳定后，通过一个差分电路产生输出电压。为了便于长距离运输，我们将模拟的电压测量信号转换为频率信号输出，主要是采用比较器以与输出电压或电流成精确比例的重复速率，均匀的将一组充电电流注入其反向端，这就确保了唯一由输出电压精确的确定电路的输出频率。本文以下将会逐一介绍各类元件。总的原理图：2.2各元器件介绍：2.2.1线性稳压器LT1121：线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。其产品均采用小型封装，具有出色的性能，并且提供热过载保护、安全限流等增值特性，关断模式还能大幅降低功耗。其基本原理图：根据网上查询的资料，VOUT=3.75V(1+R2/R1)+IADJ•R2VADJ=3.75VIADJ=150nAAT25°C(常温25度时为150nA)OUTPUTRANGE=3.75VTO30V其中由于电路需要的是+9V的工作电压故我们取R1=18K,R2=13K.代入式子得VOUT=8.9623V接近9V。工作原理：线性稳压器的突出优点是具有最低的成本，最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少，通常只有一两个旁路电容。新型线性稳压器可达到以下指标：30μV输出噪声、60dBPSRR、6μA静态电流及100mV的压差。线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了P沟道场效应管，而不是通常线性稳压器中的PNP晶体管。P沟道的场效应管不需要基极电流驱动，所以大大降低了器件本身的电流；另一方面，在采用PNP管的结构中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态降低输出能力，必须保证较大的输入输出压差；而P沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积，极小的导通电阻使其压差非常低。当系统中输入电压和输出电压接近时，线性稳压器是最好的选择，可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V电压的应用中大多选用线性稳压器，尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用，但是线性稳压器仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。在本文所属压力测量计中，需要+9V来启动，所以需要线性稳压器LT1121来将其转换为电路所需电压。积分电路提供工作电流（LT1079、LT1034）：VD1为A1的相同输入端提供+1.2V的参考电压。A1可为压力传感器提供+1.5mA的工作电流。参考电压还经过R4、R5、R8和RP1进行分压，对A3（其后的差分放大器的运放）输出电压的振幅进行补偿。2.2.2水箱压力传感器EG&GIC：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，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。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。原理图：将压力转换为电信号的传感器，注意压力的变化与水柱的直径无关，因此同样高度的水柱得到的输出信号是相同的。工作原理：压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向：国外发展传感器技术主要有两条不同的途径,一是以美国为代表的先军工后民用,先提高后普及的高精尖路子。这种途径的主要特点是:能在较长的时间里保持传感器技术研究的世界领先地位,保持军事科技的领先水平。但资金投入巨大,经济效益回收比较慢,是不发达国家和发展中国家不可采用的方法。二是以日本为代表的先普及后提高,由仿制到自行设计和创新的路子。这一途径的主要特点是:把有效的资金投入到跟踪国际先进技术上,少走弯路。并且能在较短的时间里形成大规模生产,迅速占领市场,较快地收到经济效益。正是这样,日本的传感器技术发展很快,迅速进入世界前列。这是众多国家应采取的有效途径。我国是一个发展中国家,资金短缺,要想尽快赶上国际先进水平,必须走日本的路子。比如,六维力传感器研究和应用是多维力传感器研究的热点,至今为止,只有美、日等极少数国家能够生产。我国在1990年由中科院合肥智能所等单位研制成功的SAFMS型系列六维力传感器,其主要性能达到了国际水平。1990年日本的铃木等人研制成功的64×64元半导体压容触觉阵列空间,分辨力达到0125mm,阵列密度1600tactelsöcm2。北京理工大学在跟踪国外发展的基础上,又改进创新研制了组合有压电层的柔性光学阵列触觉,阵列密度为2438tactelsöcm2,力灵敏1g,结构柔性很好,能抓握和识别钢球和鸡蛋,并且获得硬币的触觉图象比人更胜一筹,已用于机器人分选物品。目前传感器发展主要归为以下五个方面:小型化重量轻,体积小,分辨率高,便于安装在很小的地方;对周围器件影响小,也利于微型仪器、仪表的配套使用。如美国En2tran公司的量程2～500psi产品,直径仅1127mm,可以置于人体血管中测量有关参数而不影响血液的流动。集成化可以利用现有的生产工艺和成熟的集成技术,把电路与传感器制作在一起。减少工艺流程以降低成本。智能化由于集成化的出现,在集成电路部分制作一些微处理机,使其具有“记忆”、“思维”、“处理”等能力。目前智能化产品发展很快,它将成为未来传感器市场的主流。④系列化单一化产品在市场上没有大的竞争力和长的生命力。市场风云突变,一旦失去市场,发展则停滞不前,经济效益差,资金浪费大,产品成本高。⑤标准化传感器技术已形成标准化。如IEC、ISO国际标准;美国ANSIC、ANSC、MILT和ASTME标准;日本JIS标准;法国DIN标准;原苏联TOCT及YTO标准。4压力传感器的技术性能世界压力传感器市场的竞争十分剧烈,促使各传感器生产厂家在提高传感器性能上下功夫。半导体压力传感器生产中普遍采用了CAD、CAM、CAT技术,微机械技术和成熟的集成化技术,使得压力传感器的性能达到了较高的水平。目前压阻式传感器国外已系列化生产,精度可达0105%～0101%,最小尺寸为1127mm。年稳定性达011%FS,温度范围-273～1000以上,湿度为几百万分之一～100%RH。压力范围0101～10000psi,重复性为01005%,滞后01001%,温度误差010002%,超薄加工硅片厚度在1Lm以下,耐压可达几百MPa。过压保护范围大于传感器量程20倍以上,并能进行大温度范围下的全温补偿。潜在功能比较大,既可以代替人类五官感觉的功能,也能检测人类五官不能感觉的信息。应用范围广泛,适用面广。总之,压力传感器技术已经发展到比较高的水平,并且更新换代的速度十分惊人。而我国在传感器研究和产品开发方面与世界先进水平相比有较大差距。目前我国正在处于经济腾飞的年代,对传感器的需求量越来越大,因而,需要更多的人投入到传感器的研究中去,尽最大的努力赶超世界先进水平。研究方向：1）光纤压力传感器这是一类研究成果较多的传感器,但投入实际领域的并不是太多。它的工作原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的特性,由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中间夹了一个硅光纤挡板,在有压力的情况下,光线通过挡板的过程中会发生强度的改变,通过检测这个微小的改变量,我们就能测得压力的大小。2）电容式真空压力传感器

E+H公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0.8～2.8mm的氧化铝(Al2O3)构成,其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用,不需要温度补偿,可以保持长期测量的可靠性和持久的精度。3）耐高温压力传感器新型半导体材料碳化硅(SiC)的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。Rober.S.Okojie报导了一种运行试验达500℃的α(6H)SiC压力传感器.实验结果表明,在输入电压为5V,被测压力为6.9MPa的条件下,23500℃时的满量程输出为44.66～20.03mV,满量程线度为20.17%,迟滞为0.17%。在500℃条件下运行10h,性能基本不变,

在100℃和500℃两点的应变温度系数(TCGF),分别为20.19%/℃和-0.11%/℃。4）硅微机械加工传感器在微机械加工技术逐渐完善的今天,硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小,线度可以达到1～2mm,可以放置在人体的重要器官中进行数据的采集。Hachol,Andrzej;dziuban,JanBochenek报导了一种可以用于测量眼球的眼压计,其膜片直径为1mm。在内眼压为60mmHg时,静态输出为40mV,灵敏度系数比较高。5）具有自测试功能的压力传感器

为了降低调试与运行成本,DirkDeBruyker等人报导了一种具有自测试功能的压阻、电容双元件传感器,它的自测试功能是根据热驱动原理进行的,该传感器尺寸为1.2mm×3mm×0.5mm,适用于生物医学领域。6）多维力传感器

六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点,现在国际上只有美、日等少数国家可以生产。在我国北京理工大学在跟踪国外发展的基础上,又开创性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉,阵列密度为2438tactels/cm2,力灵敏1g,结构柔性很好,能抓握和识别鸡蛋和钢球,现已用于机器人分选物品。压力传感器的发展历程现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志,而半导体传感器的发展可以分为四个阶段：1)发明阶段(1945-1960年):这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。此后,半导体材料的这一特性得到较广泛应用。2)技术发展阶段(1960-1970年):随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的(001)或(110)晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上,然后在背面加工成凹形,形成较薄的硅弹性膜片,称为硅杯。3)商业化集成加工阶段(1970-1980年):在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术,扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主,发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术。4)微机械加工阶段(1980年-今):上世纪末出现的纳米技术,使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器,其线度可以控制在微米级范围内。2.2.3桥式放大器：工作原理图：.A2和A4构成桥式放大器，对压力传感器的压力信号进行放大，为A3提供差分输入信号2.2.4差分放大器：原理图：A3输出UO1为满幅度电压信号。输出Uo1作为b图的输入信号Ui工作原理：能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也称差动放大器。这是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。它可以是平衡（术语“平衡”意味着差分）输入和输出，也可以是单端（非平衡）输入和输出，常用来实现平衡与不平衡电路的相互转换，是各种集成电路的一种基本单元。由两个参数特性相同的晶体管用直接耦合方式构成的放大器。若两个输入端上分别输入大小相同且相位相同的信号时，输出为零，从而克服零点漂移。适用于直流放大器差分放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，有时简称“差放”。差分放大器可以用晶体三极管（晶体管）或电子管作为它的有源器件。输出电压u0=u01-u02,是晶体管T1和T2集电极输出电压u01和u02之差。当T1和T2的输入电压幅度相等但极性相反,即us1=-us2时，差分放大器的增益Kd(称差模增益)和单管放大器的增益相等,即Kd≈Rc/re,式中Rc=Rc1=Rc2,re是晶体管的射极电阻。通常re很小,因而Kd较大。当us1=us2,即两输入电压的幅度与极性均相等时，放大器的输出u0应等于零,增益也等于零。2.2.5电压—频率转换电路：原理图：将输入Ui的0~5V模拟电压转换为0~5kHz的f0频率输出。A5、VT5、VT6、C1可构成充电泵电路，该电路工作时可使A5的反相输入端电压为0V。VD5~VD7和LM334等构成对充电泵的同相输入端参考电压的温度特性进行补偿的电路。比较器A5以与输入电压或电流成精确比例的重复速率，均匀的将一组充电电流注入其反相输入端，这就确保唯一由输入电压精确的决定电路的输出频率。工作原理：将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。电压—频率转换实际上是一种模拟量和数字量之间的转换技术。当模拟信号（电压或电流）转换为数字信号时，转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波，显然数据是串行的。这与目前通用的模数转换器并行输出不同，然而其分辨率却可以很高。串行输出的模数转换在数字控制系统中很有用，它可以把模拟量误差信号变成与之成正比的脉冲信号，以驱动步进式伺服机构用来精密控制。VFC电压-频率转换器（vfc）是青岛晶体管研究所生产的电路。2.2.6触发器：触发器（trigger）是个特殊的存储过程，它的执行不是由程序调用，也不是手工启动，而是由事件来触发，比如当对一个表进行操作（insert，delete，update）时就会激活它执行。触发器经常用于加强数据的完整性约束和业务规则等。触发器可以从DBA_TRIGGERS，USER_TRIGGERS数据字典中查到。工作原理：触发器的定义就是说某个条件成立的时候，触发器里面所定义的语句就会被自动的执行。因此触发器不需要人为的去调用，也不能调用。然后，触发器的触发条件其实在你定义的时候就已经设定好了。这里面需要说明一下，触发器可以分为语句级触发器和行级触发器。详细的介绍可以参考网上的资料，简单的说就是语句级的触发器可以在某些语句执行前或执行后被触发。而行级触发器则是在定义的了触发的表中的行数据改变时就会被触发一次。总结3.1问题的解决所需器件在原理图库中找不到在我们设计的电路图中有很多器件在protel99se原理图库中找不到对应的表达，如水箱压力传感器及一些集成芯片，这给我们电路图的绘制带来了不便。经过查阅资料，我们根据器件相关参数，自绘器件原理图来补充原有的原理图库，解决了原理的绘制问题。如何将多个器件在原理图中集成到一片芯片上在原理图的绘制过程中，经常会重复使用同一种规格的器件，如电路中实现电压放大的部分，用到了四个规格相同的运放；在伏频转换电路中也同时出现了两种相同规格的运放；而这些相同规格的器件均可以用一片集成芯片来代替，这样一来可以大大简化电路PCB图。通过查阅相关书籍，得知可以通过修改器件属性中的part选项，将多个器件归入一个芯片，当然，如果芯片的型号在原