傳感器與檢測技術(shù)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　傳感器與檢測技術(shù)</b></p><p>　　【摘要】： 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一。傳感器的性能對自動化系統(tǒng)的功能起決定作用，在一般運(yùn)用場合中傳感器測量主要采用開環(huán)測量方式，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，能滿足一般精度的需求。但在高精度測量條件下，如電子分析天平，則必需采用閉環(huán)控制引入反饋環(huán)節(jié)，提高測量精度。本論文設(shè)計(jì)了一種用于高精度測量的反饋式力傳感器。通過

2、對位移量的處理輸出反饋控制信號，使系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由前向通道和反饋控制兩部分組成。本文給出了反饋控制模塊設(shè)計(jì)制作方案，主要完成了單片機(jī)控制系統(tǒng)、1602顯示模塊、PID控制算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)，并給出了具體參數(shù)、分析過程和調(diào)試結(jié)果及相應(yīng)的實(shí)物圖。整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔，集成度較高，控制效果較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】：傳感器，設(shè)計(jì)  </p>&l

3、t;p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章  傳感器的基本知識  1.1.傳感器的定義5</p><p>　　1.2.傳感器的分類5</p><p>　　1.3.傳感器的特性5</p><p>　　1.4.傳感器的線性度，靈敏度，分辨力6</p>&

4、lt;p>　　1.5.電阻式，電阻應(yīng)變式，壓阻式，熱電阻傳感器，傳感器的遲滯特性介紹6</p><p>　　第2章 對溫度傳感器的設(shè)計(jì)7</p><p>　　2．1 模擬輸出IC傳感器和數(shù)字輸出IC傳感器之間有什么差別？8</p><p>　　2.2 使用溫度傳感器時(shí)必須考慮哪些因素？9</p><p>　　2.3 IC溫度傳

5、感器與熱敏電阻有何不同？9</p><p>　　2.4 什么是自動風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制？10</p><p>　　第3章 光纖光柵傳感器的應(yīng)用11</p><p>　　3.1 光纖光柵傳感器的優(yōu)勢11</p><p>　　3.2 光纖光柵的傳感應(yīng)用12</p><p>　　3.3 傳感器設(shè)計(jì)方案：15&l

6、t;/p><p>　　第4章 對霍爾傳感器的設(shè)計(jì)15</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：24</b></p><p>　　第1章  傳感器的基本知識 1.1.傳感器的定義</p><p>　　國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信

7、號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。</p><p>　　1.2.傳感器的分類</p><p>　　目前對傳感器尚無一個(gè)統(tǒng)一的分類方法，但比較常用的有如下三種：</

8、p><p>　　1、按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器</p><p>　　2、按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。</p><p>　　3、按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類，可分為：輸出為開關(guān)量（“1”和"0”或“開”和“關(guān)”）的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代

9、碼的數(shù)字型傳感器。</p><p>　　1.3.傳感器的特性</p><p>　　傳感器的特征包括靜態(tài)特征和動態(tài)特征。</p><p>　　傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對應(yīng)的輸出量作縱

10、坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。</p><p>　　所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信

11、號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。</p><p>　　1.4.傳感器的線性度，靈敏度，分辨力</p><p>　　通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點(diǎn)

12、相連的理論直線作為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。</p><p>　　靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，

13、輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。</p><p>　　分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)輸入變化值未超過某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。

14、只有當(dāng)輸入量的變化超過分辨力時(shí)，其輸出才會發(fā)生變化。通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。上述指標(biāo)若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。</p><p>　　1.5.電阻式，電阻應(yīng)變式，壓阻式，熱電阻傳感器，傳感器的遲滯特性介紹</p><p>　　電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕

15、度、溫度等這些物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。</p><p>　　傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。</p><

16、;p>　　壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。</p><p>　　用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器

17、應(yīng)用最為普遍。</p><p>　　熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測量-200℃～+500℃范圍內(nèi)的溫度。</p><p>　　遲滯特性表征傳感器在正向（輸入量增大）和反

18、向（輸入量減?。┬谐涕g輸出-一輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的最大差值△MAX與滿量程輸出F·S的百分比表示。</p><p>　　第2章 對溫度傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器(見下表)。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。 </p><p&g

19、t;　　熱電偶應(yīng)用很廣泛，因?yàn)樗鼈兎浅?jiān)固而且不太貴。熱電偶有多種類型，它們覆蓋非常寬的溫度范圍，從?C200℃到2000℃。它們的特點(diǎn)是：低靈敏度、低穩(wěn)定性、中等精度、響應(yīng)速度慢、高溫下容易老化和有漂移，以及非線性。另外，熱電偶需要外部參考端。 </p><p>　　RTD精度極高且具有中等線性度。它們特別穩(wěn)定，并有許多種配置。但它們的最高工作溫度只能達(dá)到400℃左右。它們也有很大的TC，且價(jià)格昂貴(是熱電偶的

20、4～10倍)，并且需要一個(gè)外部參考源。 </p><p>　　模擬輸出IC溫度傳感器具有很高的線性度 (如果配合一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器或ADC可產(chǎn)生數(shù)字輸出)、低成本、高精度(大約1%)、小尺寸和高分辨率。它們的不足之處在于溫度范圍有限(?C55℃～＋150℃)，并且需要一個(gè)外部參考源。 </p><p>　　數(shù)字輸出IC溫度傳感器帶有一個(gè)內(nèi)置參考源，它們的響應(yīng)速度也相當(dāng)慢(100 ms數(shù)量級)。

21、雖然它們固有地會自身發(fā)熱，但可以采用自動關(guān)閉和單次轉(zhuǎn)換模式使其在需要測量之前將IC設(shè)置為低功耗狀態(tài)，從而將自身發(fā)熱降到最低。 與熱敏電阻、RTD和熱電偶傳感器相比，IC溫度傳感器具有很高的線性，低系統(tǒng)成本，集成復(fù)雜的功能，能夠提供一個(gè)數(shù)字輸出，并能夠在一個(gè)相當(dāng)有用的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量。 </p><p>　　2．1 模擬輸出IC傳感器和數(shù)字輸出IC傳感器之間有什么差別？ </p><p>

22、　　模擬輸出IC傳感器輸出與溫度成正比的電壓或電流，而數(shù)字輸出IC傳感器通過其內(nèi)置的ADC將將傳感器的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 </p><p>　　IC溫度傳感器的實(shí)際檢測是采用一個(gè)簡單的晶體管p-n結(jié)，通過測量其基極-發(fā)射極結(jié)電壓(VBE)檢測溫度變化。p-n結(jié)兩端的電壓具有大約2 mV/℃的固有溫度依賴關(guān)系(見圖1)。這也被稱為二極管溫度傳感器。通過內(nèi)置ADC對傳感器的模擬輸出進(jìn)行數(shù)字化，可以得到其數(shù)字輸出

23、。 </p><p>　　2.2 使用溫度傳感器時(shí)必須考慮哪些因素？ </p><p>　　有兩個(gè)主要考慮因素：需要測量什么和必須以多高的精度進(jìn)行測量。這兩個(gè)因素受使用的傳感器類型和它與溫度測量點(diǎn)的相對位置 (即傳感器的安裝位置) 的影響。這一點(diǎn)對于像IC傳感器這樣的固有自身發(fā)熱傳感器很重要，因?yàn)樗鼫y量的溫度實(shí)質(zhì)上是晶體管p-n結(jié)二極管本身的溫度。 </p><p>

24、;　　對于IC溫度測量，如CPU本地溫度，溫度測量并不那么直接。精確的測量方法是使用一個(gè)集成在CPU之內(nèi)的溫度二極管監(jiān)測器(見圖2)。 </p><p>　　2.3 IC溫度傳感器與熱敏電阻有何不同？ </p><p>　　盡管這兩種傳感器都具備小外形尺寸并且提供模擬輸出，但I(xiàn)C傳感器具有更高的線性和更寬的工作溫度范圍。它可以集成其它的內(nèi)置功能，例如提供數(shù)字輸出的ADC，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC

25、)、參考電壓源和風(fēng)扇控制電路。IC傳感器集成復(fù)雜電路的能力意味著比熱敏電阻的總系統(tǒng)成本低(熱敏電阻需要許多附加的外部元件)，并且隨著IC制造線寬的進(jìn)一步縮小，IC傳感器的封裝尺寸也將減小。 </p><p>　　數(shù)字輸出溫度傳感器比模擬輸出溫度傳感器有哪些優(yōu)勢？ </p><p>　　與其它三種主要類型溫度傳感器(熱電偶、RTD和熱敏電阻)不同，數(shù)字輸出IC溫度傳感器不需要外部線性化電路轉(zhuǎn)

26、換。此外，由于其IC集成特性，它們自然會降低成本。它們可與常見的計(jì)算機(jī)總線(例如I2C總線、SPI總線和SMBus等)連接。而且，它們允許與遠(yuǎn)端其它傳感器進(jìn)行通信，以完成一些控制任務(wù)(例如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制和總體系統(tǒng)溫度控制)。 </p><p>　　2.4 什么是自動風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制？ </p><p>　　自動風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制實(shí)際上是使用一個(gè)本地?cái)?shù)字輸出溫度傳感器來檢測CPU的實(shí)際管芯溫度。將傳感器

27、的輸出饋送給一個(gè)控制CUP散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的脈沖寬度調(diào)制器(PWM)或DAC。這樣可將CPU的溫度保持在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)(見圖3)。風(fēng)扇轉(zhuǎn)度控制在消費(fèi)電子產(chǎn)品中正變得越來越重要，在此類應(yīng)用中，減小風(fēng)扇聲學(xué)噪音、降低功耗和提高可靠性都是重要改進(jìn)因素。 </p><p>　　第3章 光纖光柵傳感器的應(yīng)用</p><p>　　3.1 光纖光柵傳感器的優(yōu)勢</p><p>

28、;　　與傳統(tǒng)的傳感器相比,光纖Bragg光柵傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　(1) 傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、外形可變, 適合埋入大型結(jié)構(gòu)中, 可測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等, 穩(wěn)定性、重復(fù)性好;</p><p>　　(2) 與光纖之間存在天然的兼容性, 易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高;</p><p>　　(3) 具有非傳

29、導(dǎo)性, 對被測介質(zhì)影響小, 又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn), 適合在惡劣環(huán)境中工作;</p><p>　　(4) 輕巧柔軟, 可以在一根光纖中寫入多個(gè)光柵, 構(gòu)成傳感陣列, 與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)分布式傳感;</p><p>　　(5) 測量信息是波長編碼的, 所以, 光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響, 有較強(qiáng)的抗干擾能

30、力;</p><p>　　(6) 高靈敏度、高分辯力。</p><p>　　正是由于具有這么多的優(yōu)點(diǎn),近年來,光纖光柵傳感器在大型土木工程結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域的健康監(jiān)測,以及能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　光纖Bragg光柵傳感器無疑是一種優(yōu)秀的光纖傳感器，尤其在測量應(yīng)力和應(yīng)變的場合，具有其它一些傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是智能結(jié)構(gòu)中最有希望

31、集成在材料內(nèi)部，作為監(jiān)測材料和結(jié)構(gòu)的載荷，探測其損傷的傳感器。</p><p>　　3.2 光纖光柵的傳感應(yīng)用</p><p>　　土木及水利工程中的應(yīng)用</p><p>　　土木工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。</p><p>　　力學(xué)參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和健康狀況監(jiān)測是非常重要的.通過測量

32、上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布,可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及健康狀況.。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中,對結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等,以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況.。</p><p>　　另外,多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò),對結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測,可以用計(jì)算機(jī)對傳感信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。</p><p>　　(1)在橋梁安全監(jiān)測中的應(yīng)用</p>

33、<p>　　目前, 應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。</p><p>　　斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊桿和系桿拱橋系桿等是這些橋梁體系的關(guān)鍵受力構(gòu)件,其他土木工程結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力錨固體系,如結(jié)構(gòu)加固采用的錨索、錨桿也是關(guān)鍵的受力構(gòu)件。上述受力構(gòu)件的受力大小及分布變化最直接地反映結(jié)構(gòu)的健康狀況,因此對這些構(gòu)件的受力狀況監(jiān)測及在此基礎(chǔ)上的安全分析評估具有重大意義。</p><

34、;p>　　加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測量的橋梁之一(1993 年), 16 個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)合材料筋上,對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期監(jiān)測, 而這在以前被認(rèn)為是不可能。德國德累斯頓附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的預(yù)應(yīng)力混凝土橋, 德累斯頓大學(xué)的Meis-sner 等人將布拉格光柵埋入橋的混凝土棱柱中, 測量荷載下的基本線性響應(yīng), 并且用

35、常規(guī)的應(yīng)變測量儀器作了對比試驗(yàn), 證實(shí)了光纖光柵傳感器的應(yīng)用可行性。瑞士應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)室和美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架橋的建造過程中, 使用了32個(gè)光纖光柵傳感器對箱形梁被推拉時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測, 32個(gè)光纖光柵分布于箱形梁的不同位置、用掃描法- 泊系統(tǒng)進(jìn)行信號解調(diào)。</p><p>　　2003年6月，同濟(jì)大學(xué)橋梁系史家均老師主持的盧浦大橋健康檢測項(xiàng)目中，采用了上海紫珊光電的

36、光纖光柵傳感器，用于檢測大橋在各種情況下的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況。</p><p>　　整個(gè)檢測項(xiàng)目的實(shí)施主要包括傳感器布設(shè)、數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)分析三大步。</p><p>　　在盧浦大橋選定的端面上布設(shè)了8個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和4個(gè)光纖光柵溫度傳感器，其中8個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器串接為1路，4個(gè)溫度傳感器串接為1路，然后通過光纖傳輸?shù)綐蚬芩?，?shí)現(xiàn)大橋的集中管理。</p><

37、p>　　數(shù)據(jù)測量的周期根據(jù)業(yè)主的要求來確定，通過在橋面加載的方式，利用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀，完成橋梁的動態(tài)應(yīng)變測試。</p><p>　　(2)在混凝土梁應(yīng)變監(jiān)測中的應(yīng)用</p><p>　　1989年, 美國Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纖傳感器埋入混凝土建筑和結(jié)構(gòu)中, 并描述了實(shí)際應(yīng)用中這一研究領(lǐng)域的一些基本設(shè)想。此后, 美國、英國、加拿大、

38、日本等國家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)投入了很大力量研究光纖傳感器在智能混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。</p><p>　　在混凝土結(jié)構(gòu)澆注時(shí)所遇到的一個(gè)非常棘手的問題是: 如何才能在混凝土澆搗時(shí)避免破壞傳感器及光纜。光纖Bragg光柵通常寫于普通單模通訊光纖上, 其質(zhì)地脆, 易斷裂, 為適應(yīng)土木工程施工粗放性的特點(diǎn), 在將其作為傳感器測量建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí),應(yīng)采取適當(dāng)保護(hù)措施。</p><p>　　一種可行的方案

39、是：在鋼筋籠中布置好混凝土應(yīng)變傳感器的光纖線路后, 將混凝土應(yīng)變傳感器用鐵絲等按照預(yù)定位置固定在鋼筋籠中, 然后將中間段用紗布纏繞并用膠帶固定。而對粘貼式鋼筋應(yīng)變傳感器一般則用外涂膠層進(jìn)行保護(hù)。</p><p>　　2003年9月，上海紫珊光電技術(shù)有限公司自主研發(fā)的光纖光柵傳感應(yīng)變計(jì)埋設(shè)于混凝土中對北京中關(guān)村某標(biāo)志性建筑進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)變測量。上海紫珊光電技術(shù)有限公司自主研發(fā)的光線光柵應(yīng)變計(jì)具有精度高(一般為1με，如

40、果是小量程的應(yīng)變測量，可以達(dá)到0.5με)、可靠性高、安裝方式多樣、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，成功應(yīng)用于北京中關(guān)村某標(biāo)志性建筑中，布設(shè)在鋼梁上并埋設(shè)在混凝土中對支柱鋼梁進(jìn)行施工過程監(jiān)測。</p><p>　　(3)在水位遙測中的應(yīng)用</p><p>　　在光纖光柵技術(shù)平臺上研制出的高精度光學(xué)水位傳感器專門用于江河、湖泊以及排污系統(tǒng)水位的測量。傳感器的精度可以到達(dá)±0.1%F·S。

41、光纖安裝在傳感器內(nèi)部，由于光纖纖芯折射率的周期性變化形成了FBG，并反射符合布拉格條件的某一波長的光信號。當(dāng)FBG與彈性膜片或其它設(shè)備連接在一起時(shí)，水位的變化會拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長會隨著折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據(jù)反射波長的偏移就可以監(jiān)測出水位的變化。</p><p>　　(4)在公路健康檢測中的應(yīng)用</p><p>　　公路健康監(jiān)測必要性：</p>&

42、lt;p>　　交通是與人們息息相關(guān)的事情，同樣也是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說交通的好壞可以直接決定一個(gè)城市的發(fā)展命運(yùn)。每年國家都要投入大量資金用在公路修建以及維護(hù)上，其中維護(hù)費(fèi)用占據(jù)了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。，而破壞一般都是因?yàn)槠嚦d，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質(zhì)量有很大關(guān)系。所以在公路施工過程以及使用過程中進(jìn)

43、行健康檢測是非常有必要的?，F(xiàn)在的公路一般分三層進(jìn)行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過程中埋入溫度以及應(yīng)變傳感器可以及時(shí)得到溫度以及應(yīng)變的變化情況，對公路質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。詳細(xì)了解施工材料的特點(diǎn)以及影響施工質(zhì)量的因素。</p><p>　　3.3 傳感器設(shè)計(jì)方案：</p><p>　　由于公路施工過程中條件比較惡劣，主要問題有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1

44、. 在瀝青層鋪設(shè)過程中溫度可達(dá)160℃。</p><p>　　2. 在施工過程中，每層受到的壓力達(dá)20t 以上。</p><p>　　3. 由于瀝青層隨著環(huán)境溫度變化，其強(qiáng)度變化明顯。傳感器需要能真實(shí)反映瀝青層應(yīng)變。所以傳感器在埋入過程中的成活率是最關(guān)鍵的問題。</p><p>　　首先為了解決高溫的問題，傳感器本身采用不銹鋼材料封裝，尾纖采用抗高溫鎧裝光纜。為了使

45、傳感器在強(qiáng)壓力下仍然能繼續(xù)工作，并且和瀝青層比較好的配合，能真實(shí)反映瀝青層撓度，設(shè)計(jì)傳感器外形的時(shí)候可以采用增加瀝青層與傳感器的接觸面積。</p><p>　　這樣，在城市交通要道以及高速公路監(jiān)測點(diǎn)埋入傳感器，組建公路監(jiān)測系統(tǒng)，統(tǒng)一監(jiān)控。在數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行研究，除了能監(jiān)測公路健康狀況，還可實(shí)現(xiàn)車流量統(tǒng)計(jì)，對公路上超速超載情況進(jìn)行監(jiān)測等功能。</p><p>　　第4章 對霍爾傳感

46、器的設(shè)計(jì)</p><p>　　等離子自動高低調(diào)節(jié)器是切割機(jī)中必不可少的配套設(shè)備，廣泛應(yīng)用于大型裝備制造、造船和切割等領(lǐng)域，其主要功能是保證切割割炬與被切割工件保持最佳切割距離，消除由被切割工件的不平度變化引起的加工精度誤差。切割機(jī)在工作過程中不能準(zhǔn)確獲取切割割炬與鋼板的距離，這就必然影響鋼板的切割質(zhì)量。切割的弧電流強(qiáng)光會給操作人員造成視覺疲勞。因此，給出了一種基于霍爾傳感器的設(shè)計(jì)方案，保證切割過程中割縫寬度均勻，

47、切割精度提高。       該設(shè)計(jì)方案利用霍爾效應(yīng)原理產(chǎn)生隨磁場變化而產(chǎn)生變化的電壓，把變化的電壓送到自動高低調(diào)節(jié)器，控制割炬的上升與下降，形成一個(gè)閉環(huán)的自動高低調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖1所示。該閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由霍爾傳感器、自檢器、高頻濾波器、運(yùn)算放大器、比較器、斷弧提升器、模擬開關(guān)手動自動轉(zhuǎn)換器、光電耦合器、三態(tài)門互鎖器、電機(jī)驅(qū)動器以及機(jī)械絲桿傳遞定位系統(tǒng)組成。圖2所示是系統(tǒng)控制電

48、路圖，從而能在切割過程中實(shí)時(shí)控制割炬與鋼板的距離，有效保證鋼板的切割質(zhì)量。</p><p>　　1 .霍爾傳感器      將一塊導(dǎo)體板置于磁場，使磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與板垂直，當(dāng)導(dǎo)體板中流經(jīng)一定電流時(shí)，垂直于磁場和電流方向的導(dǎo)體板的橫向兩側(cè)會產(chǎn)生一定的電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。霍爾傳感器是根據(jù)該原理制成的。圖3是一個(gè)霍爾傳感器，它共

49、有4個(gè)接線端，分別為接地、+5 V，-5 V和電壓輸出，水電纜通過中間空心圓。</p><p>　　等離子發(fā)生器起弧后，霍爾傳感器采集割炬與鋼板之間的電流，水電纜中的電流穿過霍爾傳感器，在其周圍產(chǎn)生恒定磁場。向霍爾傳感器預(yù)先施加一恒壓，產(chǎn)生一恒定電流，霍爾傳感器則輸出霍爾電壓。如果切割電流有微小變化，則產(chǎn)生變化的磁場，而輸出的霍爾電壓也是變化的，這樣就把切割中的變化電流轉(zhuǎn)化為變化電壓，輸出的霍

50、爾電壓包含有干擾信號，其高頻信號的范圍較寬，這就需對信號電壓進(jìn)行高頻濾波，從而獲取有用信號，再將其信號送至等離子自動高低調(diào)節(jié)器。以運(yùn)算放大器C1的引腳1的輸出電壓作為自檢電壓，并通過調(diào)節(jié)VR1改變其輸出電壓，也可以模擬霍爾傳感器輸出電壓。</p><p>　　2． 高頻濾波電路      高頻濾波電路由C1，L1，R1組成。由于高頻信號經(jīng)LM

51、324運(yùn)算放大器后，還有部分雜散的高頻信號沒有濾除，電容C1用于濾除高頻信號，而電感L1阻礙高頻信號，只允許被檢波的低頻解調(diào)信號通過，這樣在負(fù)載R1上就建立了微弱的電壓信號。3. 差分運(yùn)算放大器      運(yùn)算差分放大器采用LM324。R1上的電壓輸入B1的引腳3，引腳3緩沖輸出，用于隔離信號源，提高負(fù)載驅(qū)動能力。D2和D3二極管具有箝位作用，正向?qū)?，信號電壓?/p>

52、耦合至R2，R2上的電壓隨R1變化，具有電壓跟隨器的作用，R2的電壓輸入至后續(xù)B2的12引腳，14引腳和8引腳分別輸出電壓V14和V8。采用雙端輸入、單端輸出放大信號，將B3的8引腳和B2的14引腳的輸出信號輸入至差分放大器B4的5引腳和6引腳，由B4的7引腳輸出放大后的信號。4. 比較器      控制系統(tǒng)中的比較器將差分運(yùn)算放大器B4輸出的電壓施加至LM339

53、比較器的E3和E4的5引腳和6引腳，而4引腳和7引腳被二極管D5箝位于0．3 V。當(dāng)差分運(yùn)算放大器輸出的電壓落在5引腳和6引腳中，即輸出電壓比E3的4引腳電壓低，而高于E4的</p><p>　　當(dāng)上升信號通過VLC1時(shí)。D36的發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)亮，并在R45上建立電壓。該電壓加在三態(tài)門S1的2引腳和三態(tài)門S4的12引腳端，與此同時(shí)，由于VLC3無信號，D37截止，在R47上無電壓，該低電平信號通過S2

54、，輸出給S1控制端，S1 三態(tài)門選通。S1導(dǎo)通的同時(shí)，選通的S4輸出信號加到S3三態(tài)門控制端，封鎖S3 三態(tài)門導(dǎo)通。      當(dāng)下降信號通過VLC3時(shí)，D37導(dǎo)通，并在R47上建立電壓，該電壓加到S3的9引腳和S2的5引腳。與此同時(shí)，由于VLC1無信號，D36截止，R45上無電壓，該低電平信號通過S4，輸出給S3的控制端，S3三態(tài)門選通；在S2導(dǎo)通的同時(shí)

55、，選通的S2輸出信號加到S1的三態(tài)門控制端，封鎖S1。      當(dāng)S1、S2、S4選通時(shí)，V1、V5、V6、V4、V10導(dǎo)通；V2、V7、V3、V8、V9截止。由于V6和V10導(dǎo)通，整流的直流110 V電壓直接加在電機(jī)兩端，電機(jī)正轉(zhuǎn)，電容探頭提升；當(dāng)S2、S3、S4選通時(shí)，V2、V7、V3、V8、V9導(dǎo)通；V1、V5、V6、V4、V10截止，由于V9和V7導(dǎo)通，整

56、流的直流110 V電壓直接加在電機(jī)兩端，電機(jī)反轉(zhuǎn)，電容探頭下</p><p>　　割炬定位結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖      割炬定位機(jī)械結(jié)構(gòu)是由霍爾傳感器、水電纜、微動開關(guān)、觸頭、上夾緊盤、割炬夾、壓縮彈簧、下夾緊盤、信號線、絲桿、直流電機(jī)組成。上夾緊盤、下夾緊盤和壓縮彈簧夾緊割炬，割炬穿過割炬夾圓孔。割炬夾圓孔直徑比割炬直徑稍大一些，這樣可在夾圓孔中上

57、下活動。由于彈簧和重力的作用，割炬平穩(wěn)垂直地放在割炬夾圓盤上，水電纜穿過霍爾傳感器，霍爾傳感器采集切割變化的電流，如圖5所示。割炬定位時(shí)向下運(yùn)動，割炬碰到鋼板后，鋼板頂起割炬，這時(shí)割炬與割炬夾產(chǎn)生相對運(yùn)動，彈簧被壓縮，直到割炬觸頭碰到微動開關(guān)L1。L1閉合產(chǎn)生的觸發(fā)信號通過信號線傳給自動高低調(diào)節(jié)器，通過觸發(fā)單穩(wěn)延時(shí)電路，產(chǎn)生割炬上升定位時(shí)間，也是直流電動機(jī)反轉(zhuǎn)提升割炬時(shí)間。由于割炬的提升，壓縮彈簧逐漸恢復(fù)，如果事先通過自動高低調(diào)節(jié)器設(shè)定

58、割炬提升時(shí)間常數(shù)，從而確定割炬提升后割炬與鋼板的距離，獲到割炬與鋼板的最佳起弧距離。</p><p>　　系統(tǒng)使用前應(yīng)進(jìn)行電路自檢。首先打開電源開關(guān)，這時(shí)電機(jī)提升，D36點(diǎn)亮，說明D單穩(wěn)態(tài)3引腳輸出高電平；按下SB1和SB2，割炬上升或下降，說明F1和F2振蕩器和功率驅(qū)動正常：自動／手動開關(guān)K3置于自動狀態(tài)位，按下SB3按鈕，D36先點(diǎn)亮，瞬間熄滅后，D37點(diǎn)亮，接著熄滅，說明G1和G2定位系統(tǒng)正常；K1和K2分

59、別打在1和2位置，調(diào)節(jié)VR1電位器，如果三位半板表有電壓變化指示，說明運(yùn)算放大器C1和B正常；板表測到一個(gè)電壓值，再左右調(diào)節(jié)VR3電位器，如果D19和D20交替點(diǎn)亮，說明比較器E正常的。      K1打在1位置，K2打在2位置，K3在手動位置，啟動起弧測量。如果板表測量值在3 V和8 V之間，將K2設(shè)在3位置，并調(diào)節(jié)VR3，使電壓介于3 V和8

60、 V之間，然后把K3打在自動位置，就可以測量。      根據(jù)實(shí)際情況霍爾傳感器可選型為：40 A／4V，60 A／4V，80 A／4 V，100A／4 V，120A/4 V，160 A／4 V，200 A／4V，300 A／4 V?；魻杺鞲衅髋c高低調(diào)節(jié)器之

61、間連接，應(yīng)使用屏蔽電纜，屏蔽線接地，免等離子起弧時(shí)，空間的強(qiáng)大電磁干擾把霍爾傳感</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1．姜培剛編   機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)   機(jī)械工業(yè)出版社(2004年9月版) </p><p>　　2．黃筱調(diào)等編  機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)

62、及應(yīng)用   機(jī)械工業(yè)出版社(第一版)</p><p>　　3. 趙松年、張奇鵬主編《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》北京：機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　4.    張建民《機(jī)電一體化原理與應(yīng)用》北京：國防工業(yè)出版社</p><p>　　5.    魏俊民《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》北京：中國防織出版

63、社</p><p>　　6.    周祖德《機(jī)電一體化控制技術(shù)與系統(tǒng)》華中理工大學(xué)出版社</p><p>　　7.    胡泓，姚伯威主編《機(jī)電一體化原理及應(yīng)用》北京：國防工業(yè)出版社</p><p>　　8.    梁景凱主編《機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)》北京：機(jī)械工業(yè)出版社<