畢業(yè)設(shè)計開題報告 - 副本

基于單片機(jī)的煤氣泄漏報警系統(tǒng)設(shè)計一、課題研究的背景及意義隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展人民生活水平生活質(zhì)量的不斷提高公寓式客房高級住宅小區(qū)越來越多，使煤氣的使用更為普遍，煤氣的開發(fā)利用大大造福于家庭生活同時也帶來了更多的爆炸或火災(zāi)隱患由于使用不當(dāng)或設(shè)備不完善老化等問題引起煤氣泄漏爆炸的事故也在增多極大地威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。本課題是要研發(fā)設(shè)計一種基于單片機(jī)的煤氣泄漏報警系統(tǒng)，以某一小區(qū)其中一戶為研究對象，具體實現(xiàn)功能有：系統(tǒng)能對室內(nèi)煤氣濃度進(jìn)行采集和顯示；當(dāng)濃度過高時系統(tǒng)能通過打開換氣扇進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)室內(nèi)濃度參數(shù)超過所設(shè)定的上下限值時系統(tǒng)可以通過聲光報警系統(tǒng)向小區(qū)物業(yè)發(fā)出求救信號以保證住戶生命財產(chǎn)安全。及時反應(yīng)室內(nèi)煤氣濃度煤氣泄漏報警系統(tǒng)能夠檢測室內(nèi)煤氣濃度及時反應(yīng)室內(nèi)煤氣濃度，當(dāng)煤氣濃度超過所設(shè)定的上下限時產(chǎn)生報警在減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失方面起到至關(guān)重要的作用。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)1.煤氣泄漏報警系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀近年來隨著人民生活水平的提高，管道煤氣和罐裝煤氣已深入到尋常百姓家。但由于使用不當(dāng)或設(shè)備老化等原因?qū)е碌拿簹庑孤O大地威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。目前，一般的煤氣報警器功能單一，或是必須手動復(fù)位閥門系統(tǒng)，性能穩(wěn)定性低；而大型的監(jiān)控系統(tǒng)又價格不菲，需專門的技術(shù)人員來管理，不適用于中小企業(yè)和家庭。家用煤氣泄漏報警器是非常重要的燃?xì)獍踩O(shè)備，它是安全使用城市燃?xì)獾淖詈笠坏辣Ｗo(hù)。燃?xì)庑孤﹫缶魍ㄟ^氣體傳感器探測周圍環(huán)境中的低濃度可燃?xì)怏w，通過采樣電路，將探測信號用模擬量或數(shù)字量傳遞給控制器或控制電路，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過控制器或控制電路中設(shè)定的值時，控制器通過執(zhí)行器或執(zhí)行電路發(fā)出報警信號或執(zhí)行關(guān)閉燃?xì)忾y門等動作?？扇?xì)怏w報警器的探測可燃?xì)怏w的傳感器主要有氧化物半導(dǎo)體型、催化燃燒型、熱線型氣體傳感器，還有少量的其他類型，如化學(xué)電池類傳感器。這些傳感器都是通過對周圍環(huán)境中的可燃?xì)怏w的吸附，在傳感器表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，造成傳感器的電物理特性的改變。燃?xì)庑孤﹫缶鲝V泛應(yīng)用在城市安防、小區(qū)、工廠、公司、學(xué)校、家庭、別墅、倉庫、資源、石油、化工、燃?xì)廨斉涞缺姸囝I(lǐng)域。2.煤氣泄漏報警系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀民用可燃?xì)怏w報警器為居民家庭用的燃?xì)鈭缶?，一般安裝在廚房，遇燃?xì)庑孤r，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數(shù)字顯示，同時聯(lián)動外部設(shè)備。有的報警器可自動開啟排風(fēng)扇，把燃?xì)馀懦鍪彝?；有的報警器在報警時可自動關(guān)閉燃?xì)忾y門，以防燃?xì)饫^續(xù)泄漏。在應(yīng)用方面，目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。僅以用于安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫缶鳛槔毡驹缭?980年1月開始實行安裝城市煤氣、液化石油氣報警器法規(guī)，1986年5月日本通產(chǎn)省又實施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。美國目前已有6個州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝CO報警器。報警器種類也相當(dāng)繁多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學(xué)校、工廠的各種氣體報警器和系統(tǒng)，有單體分離型報警器、外部報警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動系統(tǒng)、防止中毒報警防護(hù)系統(tǒng)等。結(jié)構(gòu)型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報警等；工業(yè)用固定式報警又有壁掛式、臺放式、單臺監(jiān)控式、多路巡檢式等。氣體檢測技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了智能化、多功能化。美國工業(yè)科學(xué)公司（ISC）一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實現(xiàn)4種氣體監(jiān)測，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術(shù)（IST）公司應(yīng)用一種“MegaCas"傳感器和微程序控制單元，可檢測100種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過其“氣體檢索”功能掃描，能很快確定是哪一種氣體。而我國在這方面的普及相對西方發(fā)達(dá)國家來說很薄弱，近年來我國也有意識的在氣體泄漏檢測和監(jiān)控方面下功夫，國內(nèi)相繼出現(xiàn)多款類似的產(chǎn)品?？偟目磥恚覈鴼饷粼鞲衅骷捌鋺?yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國外先進(jìn)水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距，與日本比較仍要落后10年。三、系統(tǒng)方案選擇方案一，通過傳感器感受到可燃性氣體，降低自身的阻值，來增大電流，并且驅(qū)動蜂鳴器報警。電路簡單、可靠但是靈活性和實用性差；方案二，可以通過傳感器感知信號多級放大電路，并用電位器調(diào)節(jié)得到固定的電壓值，當(dāng)?shù)玫娇扇夹詺怏w信號時，電阻值立刻變小，放大器的放大倍數(shù)增加，電壓也就隨著增加，驅(qū)動三極管導(dǎo)通報警電路。該方案有一定的靈活性和可執(zhí)性，但是電路比較復(fù)雜，智能性差；方案三，通過51系列單片機(jī)作為主控單元，并且能夠通過傳感器把模擬信號通過A/D信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且讀取和顯示出來。鍵盤可以通過不同的應(yīng)用場合和針對不同氣體做出不同的濃度設(shè)定，并且儲存報警的上限，方便查詢和日后的工作調(diào)查[3]。綜合考慮，由于使用單片機(jī)設(shè)計靈活性更強(qiáng)、用途更寬廣，所以本設(shè)計采用方案三。3.1.2系統(tǒng)設(shè)計基本內(nèi)容本論文在硬件設(shè)計方面主要研究組成家用煤氣泄漏報警控制系統(tǒng)的單片機(jī)芯片、氣體傳感器的使用方法，同時研究電路設(shè)計思路、電路組成，包括控制芯片、氣體傳感器、單片機(jī)、顯示電路等的選用和設(shè)計，最后給出結(jié)構(gòu)框圖、電路原理圖。軟件設(shè)計部分主要是報警系統(tǒng)控制程序和LCD顯示程序。至此本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)，用單片機(jī)實現(xiàn)定時控制，電路簡單、價格便宜、可靠性好。3.1.3系統(tǒng)總體框架單片機(jī)控制系統(tǒng)由于系統(tǒng)對實時性、精確性和可靠性要求非常高，系統(tǒng)采用單片機(jī)作為現(xiàn)場控制器，完成對煤氣濃度信號采集、運(yùn)算、控制LCD顯示濃度數(shù)據(jù)。硬件電路組成框圖如圖2-1所示。傳感器傳感器濾波器A/D單片機(jī)顯示濾波器A/D單片機(jī)顯示聲光報警聲光報警電源模塊電源模塊按鍵設(shè)置參數(shù)按鍵設(shè)置參數(shù)圖2—1單片機(jī)控制系統(tǒng)組成四、煤氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)4.1檢測模塊的實現(xiàn)本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體氣敏傳感器的氣體檢測部件檢測氣體濃度時用恒定電流對氣敏傳感器進(jìn)行間接加熱由于其氣體濃度等效電阻RS隨著氣體濃度增加而成非線性減少需要對電路進(jìn)行線性化校正538是美I公司出品HYPERLINK/word/246540.aspx的實時HYPERLINK/word/246541.aspx模擬HYPERLINK/word/246542.aspx計算器件能提供精確的模擬乘、除和冪運(yùn)算功能。該集成電路有三個輸入電壓，Y，，轉(zhuǎn)換函數(shù)為T=×（/）m可以通過連接特定管腳來實現(xiàn)特定函數(shù)通過外接12個阻可以實現(xiàn)不同的m值的指數(shù)運(yùn)算，利用芯片上的對數(shù)比例和輸出部分可以直接實現(xiàn)對書比例運(yùn)算。半導(dǎo)體氣敏傳感器將煤氣濃度轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，然后經(jīng)線性化電路，將濃度與電壓成比例。這一與煤氣濃度成比例，且經(jīng)放大后的模擬電壓信號送入后面的A/D轉(zhuǎn)換中。這樣就完成了煤氣泄漏的檢測。4.2控制模塊的實現(xiàn)控制部分首先完成濃度信息的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析去控制各部分電路工作。1、A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換采用089逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它具有8個模擬量輸入通道。本設(shè)計采用程序查詢方式需要將EOC過三態(tài)門接至系統(tǒng)的一根數(shù)據(jù)總線上CPU查詢該總線的位是否為低電平若為低電平則再查詢它是否為高電平若是則表明轉(zhuǎn)換結(jié)束CPU再執(zhí)行讀09端的指令即可。在設(shè)計中僅僅用到一個模擬量輸入通道，則只需將模擬量輸入通道地址選擇線、B、C端接地?fù)裢ǖ?P2.1與C接用來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟停2與E端連，用來打開輸出鎖存器緩沖器，將其中的數(shù)據(jù)放到外部的數(shù)據(jù)線上。P2.0與EOC連，采用查詢方式，通過P2.0收到的數(shù)據(jù)來判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束。2、系統(tǒng)的心控制部件T8951一種低功耗高性能的8位單片機(jī)片內(nèi)帶有一個K字節(jié)的Flash可編程可擦除只讀存儲器，它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器（M）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容。片的Flash存器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此T8951一種功能強(qiáng)靈活性高且價格合理的單片機(jī)它可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域經(jīng)過分析比較根據(jù)本課題的特點(diǎn)，選用ATMEL公司的89系列的準(zhǔn)型單片機(jī)T8951。我們將0口作為A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入端，1和P2.2控制A/D轉(zhuǎn)換的啟停，P2.0與C0809的C相連，判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。P2.6控制聲光報警，P2.7控制執(zhí)行電路。P1口接數(shù)碼管顯示電路P3.P3.P3.2為數(shù)碼的片選信號輸出I/口分配如下圖所示：數(shù)碼管顯示電路LED位選線

1 03.0 2.0P3.13.2 2.12.2RESET2.6

A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號輸入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號ADC089?？刂茝?fù)位電路

XAL2 2.7

聲光報警時鐘電路

執(zhí)行電路圖2單片接口配置4.3顯示、報警與執(zhí)行電路的實現(xiàn)1、顯示電的實現(xiàn)LE顯示器具有耗電少成本低廉配置簡單靈活安裝方便耐振動使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)本著經(jīng)濟(jì)實用的原則系統(tǒng)采用LE顯示器本設(shè)計采用共陰極七段數(shù)碼管顯示室內(nèi)煤氣濃度采用動態(tài)顯示方法這種方法中所有數(shù)碼管共用同一個段碼輸出口分時輪流通電從而大大簡化硬件線路降低成本由單片機(jī)的1口向LE數(shù)碼管送入顯示碼由P3.、P3.12來片選數(shù)碼管當(dāng)P3.2“0時選通第一片數(shù)碼管然后單片機(jī)將要顯示數(shù)送至1口，則顯示出要顯示的數(shù)字；同樣，當(dāng)?shù)诙瑪?shù)碼管被選通后，顯示另外數(shù)字。2、聲光報警的實現(xiàn)在該設(shè)計中光報警電路采用發(fā)光二極管LE（LigtngittingDid來實現(xiàn)聲音報警電路是采用蜂鳴器來實現(xiàn)的當(dāng)單片機(jī)檢測到煤氣泄漏信號后將通過軟件使LE點(diǎn)亮，同時使蜂鳴器發(fā)出報警信號設(shè)計中是由單片機(jī)的P2.6口成聲光報警的當(dāng)報警時將該位置位，打開三極管接通電路，使發(fā)光二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出報警信號。五、軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件采用匯編語言編制，包括系統(tǒng)主程序、A/轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序等。系統(tǒng)主程序的功能是完成系統(tǒng)的初始化信號采集及處理濃度信息顯示濃度超限報警、閥門關(guān)閉和啟動排氣裝置等，根據(jù)系統(tǒng)工作特點(diǎn)，程序采用結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計方法。A/轉(zhuǎn)換子程序完成對A/轉(zhuǎn)換器的查詢，首先啟動A/轉(zhuǎn)換器，然后通過查詢方式，檢測是否A/轉(zhuǎn)換結(jié)束如果沒有結(jié)束則延時后再次查詢等待轉(zhuǎn)換結(jié)束如果轉(zhuǎn)換結(jié)束，則將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)單元。顯示子程序完成濃度信號的顯示首先將從A/轉(zhuǎn)換器中得到的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成要顯示的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后控制顯示電路，選通相應(yīng)的數(shù)碼管，完成動態(tài)顯示六、結(jié)束語本文設(shè)計的煤氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)，也可作為家庭智能化系統(tǒng)里的一部分，為保護(hù)人們生命財產(chǎn)安全起著重要的作用結(jié)合了單片機(jī)檢測工控等知識總的來說本設(shè)計已經(jīng)在原理上實現(xiàn)了要求的功能。在智能控制方面，選用了技術(shù)成熟的TMEL司推出的T8951片機(jī)作為主控單元最大限度的將其具備的資源應(yīng)用到設(shè)計中既體現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用的靈活性又實現(xiàn)功能多樣的智能控制半導(dǎo)體氣敏傳感器作為煤氣泄漏檢測部件具有很高的靈敏度使用方便費(fèi)用低在系統(tǒng)的硬件設(shè)計上充分借鑒了已有的經(jīng)典的電路設(shè)計并做了適當(dāng)?shù)男薷能浖O(shè)計上編程盡可能模塊化為了降功耗在選用器件時盡量采用低功耗的元件。參考資料[1] 何立民單片機(jī)實驗與實踐教程.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003[2] 戴佳,龍,陳斌.51片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例.北京:國電力出版社,205[3] 常健生檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù).北京:械工業(yè)出版社,203[4] 何希才傳感器及其應(yīng)用.北京:防工業(yè)出版社,201[5] 曾建唐電工電子基礎(chǔ)實踐教程實習(xí)·課程計.北京:機(jī)工業(yè)出版社,03[6] 劉修文實用電子電路設(shè)計制作00.北京:國電力出版社,205[]楊邦文實用電子小制作10例北京:人民郵電出版社,1995[]姚豐,念聰.一種單片機(jī)智能煤氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計.天津職業(yè)大學(xué)學(xué)報[]曾令國鄭淑清.智能煤氣泄漏檢測及自動呼救系統(tǒng).電腦開發(fā)及應(yīng)用,03[0]王化祥一種新型可燃性氣體檢測儀.自動化儀表,201[1]徐超漢住宅小區(qū)智能化系統(tǒng).北京:電子工業(yè)出版社,2002[2]馬鴻雁李惠升.智能住宅小區(qū).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2003[3]潘忠躍適用的家用防盜報警器和住宅小區(qū)報警系統(tǒng),當(dāng)代建設(shè),1999工作計劃：

2.27-3.2布置課題和任務(wù)

3.3-3.10查閱資料，熟悉課題，思考具體實現(xiàn)技術(shù)途徑3.11-3.26看老師給的資料以及自己查閱的資料

3.27-4.4查閱資料，撰寫開題報告

3.14-3.20硬件電路總體方案設(shè)計

3.21-3.27硬件電路總體方案設(shè)計

3.28-4.3硬件電路總體方案設(shè)計

4.4-4.10軟件功能分析

4.11-4.17軟件模塊的確立

4.18-4.24軟件代碼的閱讀和編寫

4.25-5.1軟件代碼的修改

5.2-5.8軟硬件調(diào)試

5.9-5.15繼續(xù)調(diào)試，修改硬件電路和軟件代碼

5.16-5.22實現(xiàn)基本功能

5.23-5.29各種材料的總結(jié)，實驗結(jié)果的分析

5.30-6.5畢業(yè)論文的撰寫

6.6-6.12畢業(yè)論文的撰寫

6.13-6.19畢業(yè)論文的修改

6.20-6.26準(zhǔn)備答辯引用的外文文獻(xiàn)Basicknowledgeoftransducers(/view/24d941c09ec3d5bbfd0a74e6.html)Atransducerisadevicewhichconvertsthequantitybeingmeasuredintoanoptical,mechanical,or-morecommonly-electricalsignal.

Theenergy-conversionprocessthattakesplaceisreferredtoastransduction.

Transducersareclassifiedaccordingtothetransductionprincipleinvolvedandtheformofthemeasured.Thusaresistancetransducerformeasuringdisplacementisclassifiedasaresistancedisplacementtransducer.Otherclassificationexamplesarepressurebellows,forcediaphragm,pressureflapper-nozzle,andsoon.1、TransducerElements

Althoughthereareexception,mosttransducersconsistofasensingelementandaconversionorcontrolelement.Forexample,diaphragms,bellows,straintubesandrings,bourdontubes,andcantileversaresensingelementswhichrespondtochangesinpressureorforceandconvertthesephysicalquantitiesintoadisplacement.Thisdisplacementmaythenbeusedtochangeanelectricalparametersuchasvoltage,resistance,capacitance,orinductance.Suchcombinationofmechanicalandelectricalelementsformelectromechanicaltransducingdevicesortransducers.Similarcombinationcanbemadeforotherenergyinputsuchasthermal.Photo,magneticandchemical,givingthermoelectric,photoelectric,electromaanetic,andelectrochemicaltransducersrespectively.

2、TransducerSensitivity

TherelationshipbetweenthemeasuredandthetransduceroutputsignalisusuallyobtainedbycalibrationtestsandisreferredtoasthetransducersensitivityK1=output-signalincrement/measuredincrement.Inpractice,thetransducersensitivityisusuallyknown,and,bymeasuringtheoutputsignal,theinputquantityisdeterminedfrominput=output-signalincrement/K1.

3、CharacteristicsofanIdealTransducer

Thehightransducershouldexhibitthefollowingcharacteristics

a)

highfidelity-thetransduceroutputwaveformshapebeafaithfulreproductionofthemeasured;thereshouldbeminimumdistortion.

b)

Thereshouldbeminimuminterferencewiththequantitybeingmeasured;thepresenceofthetransducershouldnotalterthemeasuredinanyway.

c)

Size.Thetransducermustbecapableofbeingplacedexactlywhereitisneeded.

d)

Thereshouldbealinearrelationshipbetweenthemeasuredandthetransducersignal.

e)

Thetransducershouldhaveminimumsensitivitytoexternaleffects,pressuretransducers,forexample,areoftensubjectedtoexternaleffectssuchvibrationandtemperature.

f)

Thenaturalfrequencyofthetransducershouldbewellseparatedfromthefrequencyandharmonicsofthemeasurand.

4、ElectricalTransducers

Electricaltransducersexhibitmanyoftheidealcharacteristics.Inadditiontheyofferhighsensitivityaswellaspromotingthepossibleofremoteindicationormesdurement.

Electricaltransducerscanbedividedintotwodistinctgroups:

a)

variable-control-parametertypes,whichinclude:

i)resistance

ii)

capacitance

iii)

inductance

iv)

mutual-inductancetypes

Thesetransducersallrelyonexternalexcitationvoltagefortheiroperation.

b)

self-generatingtypes,whichinclude

i)

electromagnetic

ii)thermoelectric

iii)photoemissive

iv)piezo-electrictypes

Theseallthemselvesproduceanoutputvoltageinresponsetothemeasurandinputandtheireffectsarereversible.Forexample,apiezo-electrictransducernormallyproducesanoutputvoltageinresponsetothedeformationofacrystallinematerial;however,ifanalternatingvoltageisappliedacrossthematerial,thetransducerexhibitsthereversibleeffectbydeformingorvibratingatthefrequencyofthealternatingvoltage.

5、ResistanceTransducers

Resistancetransducersmaybedividedintotwogroups,asfollows:

i)

Thosewhichexperiencealargeresistancechange,measuredbyusingpotential-dividermethods.Potentiometersareinthisgroup.

ii)Thosewhichexperienceasmallresistancechange,measuredbybridge-circuitmethods.Examplesofthisgroupincludestraingaugesandresistancethermometers.

5.1Potentiometers

Alinearwire-woundpotentiometerconsistsofanumberofturnsresistancewirewoundaroundanon-conductingformer,togetherwithawipingcontactwhichtravelsoverthebarwires.Theconstructionprinciplesareshowninfigurewhichindicatethatthewiperdisplacementcanberotary,translational,oracombinationofbothtogiveahelical-typemotion.Theexcitationvoltagemaybeeithera.c.or

d.c.andtheoutputvoltageisproportionaltotheinputmotion,providedthemeasuringdevicehasaresistancewhichismuchgreaterthanthepotentiometerresistance.

Suchpotentiometerssufferfromthelinkedproblemofresolutionandelectricalnoise.Resolutionisdefinedasthesmallestdetectablechangeininputandisdependentonthecross-sectionalareaofthewindingsandtheareaoftheslidingcontact.Theoutputvoltageisthusaserialsofstepsasthecontactmovesfromonewiretonext.

Electricalnoisemaybegeneratedbyvariationincontactresistance,bymechanicalwearduetocontactfriction,andbycontactvibrationtransmittedfromthesensingelement.Inaddition,themotionbeingmeasuredmayexperiencesignificantmechanicalloadingbytheinertiaandfrictionofthemovingpartsofthepotentiometer.Thewearonthecontactingsurfacelimitsthelifeofapotentiometertoafinitenumberoffullstrokesorrotationsusuallyreferredtointhemanufacture’sspecificationasthe‘numberofcyclesoflifeexpectancy’,atypicalvaluebeing20*1000000cycles.

TheoutputvoltageV0oftheunloadpotentiometercircuitisdeterminedasfollows.LetresistanceR1=xi/xt*Rtwherexi=inputdisplacement,xt=maximumpossibledisplacement,Rttotalresistanceofthepotentiometer.ThenoutputvoltageV0=V*R1/(R1+(Rt-R1))=V*R1/Rt=V*xi/xt*Rt/Rt=V*xi/xt.Thisshowsthatthereisastraight-linerelationshipbetweenoutputvoltageandinputdisplacementfortheunloadedpotentiometer.

ItwouldseenthathighsensitivitycouldbeachievedsimplybyincreasingtheexcitationvoltageV.however,themaximumvalueofVisdeterminedbythemaximumpowerdissipationPofthefinewiresofthepotentiometerwindingandisgivenbyV=(PRt)1/2.

5.2ResistanceStrainGauges

Resistancestraingaugesaretransducerswhichexhibitachangeinelectricalresistanceinresponsetomechanicalstrain.Theymaybeofthebondedorunbondedvariety.

a)bondedstraingauges

Usinganadhesive,thesegaugesarebonded,orcemented,directlyontothesurfaceofthebodyorstructurewhichisbeingexamined.

Examplesofbondedgaugesare

i)

finewiregaugescementedtopaperbacking

ii)

photo-etchedgridsofconductingfoilonanepoxy-resinbacking

iii)asinglesemiconductorfilamentmountedonanepoxy-resinbackingwithcopperornickelleads.

Resistancegaugescanbemadeupassingleelementstomeasuringstraininonedirectiononly,oracombinationofelementssuchasrosetteswillpermitsimultaneousmeasurementsinmorethanonedirection.

b)unbondedstraingauges

Atypicalunbonded-strain-gaugearrangementshowsfineresistancewiresstretchedaroundsupportsinsuchawaythatthedeflectionofthecantileverspringsystemchangesthetensioninthewiresandthusalterstheresistanceofwire.Suchanarrangementmaybefoundincommerciallyavailableforce,load,orpressuretransducers.

5.3ResistanceTemperatureTransducers

Thematerialsforthesecanbedividedintotwomaingroups:

a)metalssuchasplatinum,copper,tungsten,andnickelwhichexhibitandincreaseinresistanceasthetemperaturerises;theyhaveapositivetemperaturecoefficientofresistance.

b)semiconductors,suchasthermistorswhichuseoxidesofmanganese,cobalt,chromium,ornickel.Theseexhibitlargenon-linearresistancechangeswithtemperaturevariationandnormallyhaveanegativetemperaturecoefficientofresistance.

a)metalresistancetemperaturetransducers

Thesedepend,formanypracticalpurposeandwithinanarrowtemperaturerange,upontherelationshipR1=R0*[1+a*(b1-b2)]whereacoefficientofresistancein℃-1,andR0resistanceinohmsatthereferencetemperatureb0=0℃atthereferencetemperaturerange℃.

Theinternationalpracticaltemperaturescaleisbasedontheplatinumresistancethermometer,whichcoversthetemperaturerange-259.35℃to630.5℃.

b)thermistorresistancetemperaturetransducers

Thermistorsaretemperature-sensitiveresistorswhichexhibitlargenon-linerresistancechangeswithtemperaturevariation.Ingeneral,theyhaveanegativetemperaturecoefficient.

Forsmalltemperatureincrementsthevariationinresistanceisreasonablylinear;but,iflargetemperaturechangesareexperienced,speciallinearizingtechniquesareusedinthemeasuringcircuitstoproducealinearrelationshipofresistance

againsttemperature.

Thermistorsarenormallymadeintheformofsemiconductordiscsenclosedinglassvitreousenamel.Sincetheycanbemadeassmallas1mm,quiterapidresponsetimesarepossible.

5.4PhotoconductiveCells

Thephotoconductivecell,usesalight-sensitivesemiconductormaterial.Theresistancebetweenthemetalelectrodesdecreaseastheintensityofthelightstrikingthesemiconductorincreases.Commonsemiconductormaterialsusedforphoto-conductivecellsarecadmiumsulphide,lead

sulphide,andcopper-dopedgermanium.

Theusefulrangeoffrequenciesisdeterminedbymaterialused.Cadmiumsulphideismainlysuitableforvisiblelight,whereasleadsulphidehasitspeakresponseintheinfra-redregionandis,therefore,mostsuitableforflame-failuredetectionandtemperaturemeasurement.

5.5PhotoemissiveCells

Whenlightstrikesthecathodeofthephotoemissivecellaregivensufficientenergytoarrivethecathode.Thepositiveanodeattractstheseelectrons,producingacurrentwhichflowsthroughresistorRandresultinginanoutputvoltageV.

PhotoelectricallygeneratedvoltageV=Ip.Rl

WhereIp=photoelectriccurrent(A),andphotoelectriccurrentIp=Kt.B

WhereKt=sensitivity(A/im),andB=illuminationinput(lumen)

Althoughtheoutputvoltagedoesgiveagoodindicationofthemagnitudeofillumination,thecellsaremoreoftenusedforcountingorcontrolpurpose,wherethelightstrikingthecathodecanbeinterrupted.

6、CapacitiveTransducers

Thecapacitancecanthusmadetovarybychangingeithertherelativepermittivity,theeffectivearea,orthedistanceseparatingtheplates.Thecharacteristiccurvesindicatethatvariationsofareaandrelativepermittivitygivealinearrelationshiponlyoverasmallrangeofspacings.Thusthesensitivityishighforsmallvaluesofd.

Unlikethepotentionmeter,thevariable-distancecapacitivetransducerhasaninfiniteresolutionmakingitmostsuitableformeasuringsmallincrementsofdisplacementorquantitieswhichmaybechangedtoproduceadisplacement.

7、InductiveTransducers

Theinductancecanthusbemadetovarybychangingthereluctanceoftheinductivecircuit.

Measuringtechniquesusedwithcapacitiveandinductivetransducers:

a)A.C.excitedbridgesusingdifferentialcapacitorsinductors.

b)A.C.potentiometercircuitsfordynamicmeasurements.

c)

D.C.circuitstogiveavoltageproportionaltovelocityforacapacitor.

d)

Frequency-modulationmethods,wherethechangeofCorLvariesthefrequencyofanoscillationcircuit.

Importantfeaturesofcapacitiveandinductivetransducersareasfollows:

i)resolutioninfinite

ii)

accuracy+-0.1%offullscaleisquoted

iii)displacementranges25*10-6mto10-3m

iv)

risetimelessthan50uspossible

Typicalmeasurandsaredisplacement,pressure,vibration,sound,andliquidlevel.

8、LinearVariable-differentialTtransformer

9、Piezo-electricTransducers

10、ElectromagneticTransducers

11、ThermoelectricTransducers

12、PhotoelectricCells

13、MechanicalTransducersandSensingElements傳感器的基礎(chǔ)知識傳感器是一種把被測量轉(zhuǎn)換為光的、機(jī)械的或者更平常的電信號的裝置。能量轉(zhuǎn)換的過程稱之為換能。按照轉(zhuǎn)換原理和測量形式對傳感器進(jìn)行分類。用來測量位移的電阻式傳感器被歸為電阻式位移傳感器。分類如壓力波紋管、壓力膜和壓力閥等。1、傳感器元件除特例外，大多數(shù)的傳感器都由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件或控制元件組成。如振動膜、波紋管、應(yīng)力管和應(yīng)力環(huán)、低音管和懸臂都是敏感元件，它們對壓力和力作出響應(yīng)把物理量轉(zhuǎn)變成位移。然后位移可以改變電參數(shù)，如電壓、電阻、電容或者感應(yīng)系數(shù)。機(jī)械式和電子式元件合并形成機(jī)電式傳感設(shè)備或傳感器。這樣的組合可用來輸入能量信號。熱的，光的，磁的和化學(xué)的相互結(jié)合產(chǎn)生的熱電式、光電式、電磁式和電化學(xué)式傳感器。2、傳感器靈敏度通過校正測量系統(tǒng)獲得的被測物理量和傳感器輸出信號的關(guān)系叫做傳感器靈敏度K1，也就是K1=輸出信號增量/測量增量。實際中，傳感器的靈敏度是已知的，并且通過測量輸出信號，輸入量由下式?jīng)Q定，輸入量=輸出信號增量/K1。3、理想傳感器的特性

a）高保真性：傳感器輸出波形應(yīng)該真實可靠地再現(xiàn)被測量，并且失真很小。b）可測量最小的干擾，任何時候傳感器的出現(xiàn)不能改變被測量。c）尺寸：傳感器必須能正確地放在所需的地方。d）被測量和傳感器信號之間應(yīng)該有一個線性關(guān)系。e）傳感器對外部影響的靈敏度應(yīng)該小，例如壓力傳感器經(jīng)常受到外部振動和溫度的響。f）傳感器的固有頻率應(yīng)該避開被測量的頻率和諧波。4、電傳感器電傳感器具有許多理想特性。它們不僅實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量和顯示，還能提供高靈敏度。電傳感器可分為兩大類。a）變參數(shù)型，包括：i）電阻式；ii）電容式；iii自感應(yīng)式；

iv）互感應(yīng)式；這些傳感器的工作依靠外部電壓。

b）自激型，包括：i）電磁式；

ii）熱電式；

iii）光柵式；

iv）壓電式。

這些傳感器根據(jù)測量輸入值產(chǎn)生輸出電壓，而且這一過程是可逆的。比如，在一般情況下，壓電式傳感器可根據(jù)晶體材料的變形產(chǎn)生一個輸出電壓；但是，如果在材料上施加一個可變電壓，傳感器可以通過變形或與變電壓同頻率的振動來體現(xiàn)可逆效應(yīng)。5、電阻式傳感器

電阻式傳感器可以分為兩大類：

i）那些表現(xiàn)為大電阻變化的物理量可通過分壓方式進(jìn)行測量，電位器就屬于此類。

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