《专业综合实训与考证》单元六 传感器应用电路安装与调试

《专业综合实训与考证》单元六

传感器应用电路安装与调试单元内容工作任务1超声波遥控开关电路安装与调试1工作任务2综合报警器安装与调试

2传感器技术是实现测试和自动控制的重要环节。它的主要特征是能准确地传递和检测出某一形态的信息，并将它转换成另一形态的信息。传感器是将外界信号转换为电信号的检测装置，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。MQ-214MR敏感元件辅助电路传感元件被测非电量有用非电量有用电量信号调节转换电路电量传感器组成框图利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。超声波开关将检测感受到的信息，转换成可用输出信号，来满足信息的传输、处理、存储、显示、记录以及控制等的要求。综合报警器主要用于工业上天然气、煤气石油等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。单元六

传感器应用电路安装与调试单元目标能理解超声波物理特性及其检测技术上的应用特点；能理解空气超声波探头和气敏传感器的工作特点及主要技术指标；会画出超声波开关和综合报警器的电路设计结构框图；会分析超声波开关和综合报警器的电路原理；能用一些非常规的方法来检测超声波传感器和半导体气敏元件。任务描述工作任务1超声波遥控开关电路安装与调试本任务为超声波开关电路的安装与调试。使用超声波遥控开关可控制家用电器及照明灯等，也可用在工业上遥控有关电气设备。当超声波发射电路对准其接收电路按下发射开关时，超声波发射器会发出超声波，超声波接收器在接收到超声波信号时会对其进行放大、检波、电压比较，然后控制继电器输出一个开关信号。实际电路就是利用其输出的开关信号对其他电气设备进行开关控制。任务目标会用常用仪器——示波器观察和检测超声波开关电路波形；能正确调试超声波开关发射和接收电路。任务分析超声波是指振动频率大于20kHz时，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。超声波不但广泛地应用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域，而且在日常生活中也得到了广泛的应用。超声波有很多的特点：传播时方向性强，能量比较集中；超声波能在各种不同媒质中传播，并且可以传播足够远的距离；超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。超声波开关可避免各种声响干扰，动作可靠，又不影响环境的幽静安宁。还具有灵敏度高、制作简单、使用方便、成本低及不对其它用电器具产生干扰等优点。本任务的超声波开关是由超声波发生器和超声波接收器两部分组成。任务分析一、超声波开关的电路原理分析1、超声波发射电路超声发射电路由控制按钮S1、时基集成电路555、晶体管VT1、VT2、二极管VD1、VD2、超声波发射头B1（使用MA40EIS超声波接收传感器）等组成。555振荡电路的频率可以调整，调节电位器RPl可将接收超声波传感器的输出电压频率调至最大，通常可调至40kHz。按动控制按钮S1时，由U1和外围阻容元件组成的振荡器振荡工作，从U1的③脚输出40～50kHz的振荡信号。该信号经VT1和VT2推挽放大后，驱动B1发出超声波。工作任务1超声波遥控开关电路安装与调试任务分析工作任务1超声波遥控开关电路安装与调试超声波遥控开关发射器电路原理图

2、超声波接收电路超声波接收电路由超声波接收头B2（使用MA40EIR超声波接收传感器）、晶体管VT3～VT6、运算放大器集成电路U2、继电器K1、二极管VD3～VD5、电位器RP2等组成。超声波遥控开关接收器电路原理图

B2接收到B1发射的超声波并将其转换成电信号，再经VT3和VT4放大、VD3和VD4整流后，使U2的⑥脚由高电平变为低电平，VT5和VT6导通，继电器K1吸合，其常开触头将受控电器设备的工作电源接通。MA40EIR的输出由集成比较器μA741（运算放大集成电路）进行处理。μA741输出的是比较规范的方波信号。K1选用通用型9V直流继电器，其触头容量可视受控电器的功率而定。RP1和RP2选用小型电位器或密封式可变电阻器。工作任务1超声波遥控开关电路安装与调试二、超声波开关电路安装与测试1、元器件清单及万用表检测针对超声波开关套件的元件清单，使用元器件万用表检测要求如下。电阻：符合电阻值要求；可调电阻：符合电阻值要求，调整时连接可变。电容器（含电解电容器）：不短路、不开路、不漏电。二极管：反向电阻大，正向电阻小，不短路，不开路。三极管：ICEO小，β值适中，极间不短路、不开路。微动按钮：按下按钮时，两引脚能导通（导通阻值接近0），未按按钮时两引脚断路。集成块座：座排金属触点整齐，相互间不短路。图6-5超声波遥控开关发射器PCB图（双面板）图6-6超声波接收器电路PCB图（双面板）2、电路组装的方法和注意事项按照图6-5和图6-6所示装接超声波开关电路。THC元件安装要求有：电阻插装焊接时，卧式电阻应紧贴电路板插装焊接，立式电阻应在离电路板1～2mm处插接焊接。电容插接焊接时，陶瓷电容应在离电路板4～6mm处插接焊接，电解电容应在离电路板1～2mm处插接焊接。三极管插装焊接时，三极管应在离电路板4～6mm（并排）处插装焊接。在印制电路板上所焊接的THC元器件的焊点大小适中，无漏、假、虚、连焊，焊点光滑、圆润、干净，无毛刺。THC元件引脚加工尺寸及成形符合工艺要求：导线长度、剥线头长度符合工艺要求，芯线完好，捻线头镀锡。SMC焊点要求：锡点成内弧形；焊点要圆润、光滑、有亮泽、干净，无锡刺、针孔、空隙、无污垢、无松香渍；焊接牢固、锡将整个上锡位及零件脚包住。不应出现连锡（短路）、少锡、多锡和立碑现象。3、测试点波形的测试超声波开关发射电路的测试点有TP1和TP2，分别将示波器测试波形填入表中，其中TP3是发射电路电源的负极。安装完电路后，超声波接收电路的测试点有TP4、TP5、TP6和TP7。将示波器测试波形分别填入表中。TP8为超声波接收电路电源的负极。任务评价就超声波开关电路的安装与调试，参考单元二“分级评价步骤及内容”，填写任务评价表。工作任务1超声波遥控开关电路安装与调试相关知识一、空气传导型超声发生、接收器结构空气传导型超声发生、接收器结构示意图见图6-7。超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同，发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声，提高接收效率。空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围可达几米至几十米。1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶体片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束相关知识超声波空气传感器实物外形如图6-8所示。二、空气传导型超声波传感器的检测超声波传感器用万用表直接测试是没有什么反应的。可以照图6-9所示电路搭一个音频振荡电路，用来测试超声波传感器的好坏，当C1为3900μF时，在反相器⑧脚与⑩脚间可产生一个1.9kHz左右的音频信号。把要检测的超声波传感器(发射和接收)接在⑧脚与⑩脚之间；如果传感器能发出音频声音，基本就可以确定比超声波传感器是好的。备注：C1=3900μF时，为1.9kHz左右；C1=0.01μF时，约0.76kHz。相关知识常用的在空气中传播的小型超声波传感器的主要参数见表6-4。任务描述工作任务2综合报警器安装与调试随着传感器技术的不断发展，气敏传感器已经被广泛应用于人类生产生活的各方面，例如：住宅火灾报警，交通肇事中的酒精浓度探测、石油化学工业气体泄漏等等。当发生火灾或煤气等有毒气体泄漏事件时，我们希望能在第一时间内知道，从而及时快速地采取措施，避免造成财产损失和人员伤亡。气体烟雾报警器就是实现此类功能的装置。它能检测到有毒气体（如煤气，一氧化碳）的存在，从而产生报警，好让人们及时发现并给予保护措施。任务目标认识气敏元件；了解气敏元件的工作原理和特性；能分析应用电路，正确使用和调测气敏元件电路。掌握安装、连接和调试传感器电路的方法。工作任务2综合报警器安装与调试任务分析综合报警器选用QM-J3气敏元件作为敏感信息源的拾取元件。使用气敏电阻传感器，可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。综合报警器设计总体框架如图6-10所示。综合报警器主要包括气体检测电路、触摸检测电路、红外检测电路和声音检测电路等电路。综合报警器设计总体框架

工作任务2综合报警器安装与调试任务分析综合报警器设计要求：正常工作时，绿灯闪烁，蜂鸣器不报警。可燃气体浓度范围报警应满足：①在报警范围内，实行声和警示灯双重报警。②在报警器移到干净空气区，30s内应恢复正常显示。③声、光设置手动自检功能。④浓度超限报警时，应能启动输出控制功能。任务实施工作任务2综合报警器安装与调试一、综合报警器电路分析综合报警器电路如图6-11所示。（1）气体检测电路：气体传感器IC1在无CO、CH4等气体环境，为几十千欧，而在遇到有可燃气体（CO、CH4）等气体环境中，阻值可迅速下降到几千欧。故当传感器检测到可燃气体时，A-B间的电阻迅速减小，IC2A翻转，经三相非门反相驱动，OUT1输出低电平。（2）触摸检测电路：IC4及其外围电路构成单稳态触发器电路。当人体触摸TOUCH端时，人体上的低电平信号会加到IC4的②脚，其③脚输出端输出高电平。调节Rp2可以调节触发时间。综合报警器电路原理图

（3）红外检测电路：IC6A、IC6B、R26、R27及C11构成多谐振荡器，推动红外管HT发射红外脉冲信号。红外信号被物体反射后被红外管HR接收，经VT6、VT7两级放大后，再经整形滤波后OUT4输出低电平信号。（4）声音检测电路：话筒获得声音信号后经耦合、放大、整形滤波后，OUT3输出低电平信号。OUT1～OUT4任一路输出低电平后VT2都导通。音乐芯片得电后发出报警音乐。二、综合报警器的装配和调试1、综合报警器电路元器件的检测。根据综合报警器电路元器件清单，使用万用表对常规元器件进行检测。综合报警器电路元件清单

综合报警器电路元件清单（续）2、电路安装按照图6-12综合报警器电路PCB图（装配图）装接THC和SMC元件，并焊接。THC元器件的引脚焊点与加工尺寸、成形的工艺要求等同“工作任务1”。SMC焊点要求与装配工艺要求也同本单元“工作任务1”一样。注：气敏传感器请采用非剪脚安装，读者在安装时请自行调整好安装高度。3、电路调试使用直流稳压电源供电+5V，连接综合报警器电路板。用浸透可燃气体的小棉球，靠近传感器，并吹2次气，使可燃气体挥发进入传感器金属网内。观察发光二极管亮暗的变化。（a）综合报警器PCB图底层（b）综合报警器PCB图顶层（1）电源电路工作正常。正确连接5V电源，LED6电源指示灯亮表示电源供电正常。（2）气体检测电路正常。无可燃气体，或者气体浓度较低的情况下，TP1电压较低；当气体浓度较高时，TP1电压升高，表示传感器工作正常。调节Rp1，使得没有可燃气体或者可燃气体浓度较低的情况下，TP2输出为低电平，LED1不亮。可燃气体浓度较高时，TP2输出为高电平，LED1点亮。（3）触摸检测电路正常工作。用手指触摸TOUCH，LED4点亮。调节Rp2，使得触摸一次手离开后LED4点亮保持的时间为2～3s。（4）红外检测电路正常工作。测得TP6产生方波，表示红外脉冲信号发射电路正常。对管前无物体挡住时，TP7为低电平，LED3不亮。用物体放在红外对管前时，TP7为高电平，LED3点亮。调节Rp5使得感应的距离最远。（5）声音检测电路正常工作。无声音或声音较小时，TP5为低。当有较大声音或振动时，TP5为高，LED2点亮。适当调节Rp3，使其灵敏度适中。报警音乐不能使声音电路感应，否则，声音反馈回来会使得一直报警。（6）报警电路正常工作。任何一个检测电路有报警信号时，报警电路都会发出报警音乐，且LED5报警灯亮。调节Rp4，使得报警音乐速度正常。4、电路检测在正确完成电路的安装与调试后，使用给出的仪器，对相关电路进行测量，并把测量的结果填在相关的表格中。电路在正常工作时，测量测试点TP6，并记录于表6-6中。5、思考与提高（1）当手指触摸TOUCH后LED4点亮，此时测得TP4的电平为________（填“高”或“低”）。（2）当气敏传感器周围气体浓度增大时，其A—B间阻值减小。则要使气体浓度更大时才报警，则Rp1应_______（填“上调”或“下调”）。5、思考与提高（3）要使声音检测电路检测声音信号更灵敏，Rp3接入的电阻应________（填“调大”或“调小”）。（4）正常工作时，当有物体挡在红外发射、红外接收管前时，LED3亮，当物体移开后，LED3亮2～3秒熄灭。如果有个线路板焊接好后，发现红外感应触发后将物体移开，LED3亮的时间为二十几秒，则可能是那个元件焊错了？____（元件在R21、R22、VT7、IC6、VD12、R32、IC3、R24、LED3中选择）任务评价工作任务2综合报警器安装与调试就综合报警器电路的安装与调试，参考单元二“分级评价步骤及内容”，填写任务评价表。相关知识一、气敏元件QM-J3气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R-11、R-12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。各类气敏传感器外形见图6-13。相关知识QM-J3型半导体气敏元件（其实物外形见图6-13a）是以金属氧化物ZnSnO3为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。其技术指标见表6-7。特点：①

用于乙醇、酒精等有机液体蒸汽的检测；②对汽油蒸汽有抗干扰能力；③灵敏度高；