光照强度传感器及其变送电路设计(范文)复习过程
光照强度传感器及其变送电路设计(范文)
重庆工业职业技术学院
毕业设计
课题名称：单片机流水灯设计
专业班级： 09电子301
学生姓名：魏玉玺
指导教师：王雪萍
二零一二年四月
光照强度传感器及其变送电路设计
【摘要】光照强度传感器是现代工业和日常生活中经常出现的一种基于光强变化的
检测器件，它可以检测出其接收到的光强的变化，主要使用各种光电元件来将光信
号转换成电信号，再经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示光
照度的数字信号，再交由微处理器或ＤＳＰ处理。光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。本设计利用传感器设计的基本方法，设计
制作一个可以感知外界光照度变化的传感器，以实现对光照度信号的测量。
【关键词】：光照强度；传感器；变送电路
目录
第一章绪论 (4)
1.1引言 (4)
1.2传感器的概述 (4)
第二章系统设计 (5)
2.1光电传感器及敏感元件 (5)
2.1.1光敏电阻器…………………………………………………………………….......
5
2.1.2光敏二极管.............................................................. . (5)
2.1.3光敏晶体管 (6)
2.2光电传感器概述 (6)
2.3光电传感器工作原理 (6)
2.4光照传感器的设计 (8)
2.4.1设计方案一 (8)
2.4.2设计方案二 (9)
2.5方案比较 (10)
第三章变送电路硬件设计 (10)
3.1变送电路简介................................................................................ (10)
3.2热电阻二线制变送器的设计 (12)
3.2.1信号采集电路 (13)
3.2.2一级放大电路和线性化调整电路 (13)
3.2.3调零、电源平衡及二级放大电路………………………………………
13
3.2.4调满电路和V/I转换电路……………………………………………………
14
3．3 热电偶二线制变送器电路设计 (14)
3.3.1信号采集和一级放大电路 (14)
3.3.2 线性化调整电路和二级放大电路 (15)
第四章软件设计 (17)
4.1设计概述 (17)
4.1.1热电阻二线制变送器 (17)
4.1.2热电偶二线制变送器…………………………………………………………………. .18
4.2电阻计算的VB界面设计 (18)
4.3电路类型选择设计 (19)
第五章总结与收获……………………………………………………………….
20
结束语 (21)
参考文献 (21)
致谢 (22)
第一章绪论
1.1引言
人类处于信息时代，信息技术的三大支柱是测控技术、通信技术和计算机技术，而传感器技术是测控技术的基础。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已为全世界公认。传感器技术是等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，应用十分广泛。光照强度传感器是把光信号转换为电信号的一种传感器，它广泛应用于自动控制、宇航、广播电视等各个领域
1.2 传感器的概述
传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换器件组成。它获取的信息可以是各种物理量、化学量和生物量，通常是将非电量或电量转换成易于计算机处理和传输的电量。从信息技术的角度来看，传感器是获取和转换信息的一种工具，这些信息包括电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量、湿度、浓度、成分等。传感器的核心部件是敏感元件，它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件。传感技术是关于传感器及其敏感元件与材料的一门综合性技术。
第二章系统设计
2.1光电传感器及敏感元件
光电传感器是基于光电效应、将光信号转换为电信号的传感器，其敏感元件是光电器件。光照传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。市场出售的有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池等。
2.1.1光敏电阻器
１．光敏电阻原理
光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻（硫化镉晶体）、红外光光敏电阻（砷化镓晶体）、和紫外光光敏电阻（硫化锌晶体）。当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率增加（即电阻减小）。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
２．光敏电阻的应用
光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。
2.1.2光敏二极管
光敏二极管是一种将光能变换为电能的器件，它利用了半导体的光生伏特效应的原理。光敏二极管的种类很多，就材料来分，有用硅及各种化合物制成的光敏二极管；从对光的响应来分，有用于紫外、红外及可见光区域的光敏二极管等等。不
同种类的光敏二极管，其特性也不尽相同。在使用中应对光敏二极管的类型和性能
进行合理的选择。光电二极管的优点是线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具
有较高的灵敏度，噪声低；缺点是单独使用输出电流（或电压）很小，需要加放大
电路。适用于通讯及光电控制等电路。
2．1.3光敏晶体管
光敏晶体管是光敏传感器中响应特性良好、测光范围最广、利用价值最高的一
种传感器，唯一的缺点是输出电压较小，几乎不单个使用，一般要与放大器组合使
用
2.2光电传感器概述
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感
器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号
（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起
光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检
测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振
动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非
接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应
用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。
2.3光电传感器工作原理
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换
光电传感器
成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被
测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体
在光路位置有关.
光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只
是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，
PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电
阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜
µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电
子-空穴，称为光电光电传感器
载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向
电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电
阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还
有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三
极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸
收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流
Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度
2.4光照传感器的设计
2．4.1设计方案一
该光照传感器是采用光敏电阻进行设计的，设计电路如下图所示
图１光照传感器设计方案（一）
如图所示该电路是由两部分组成的，第一部分是由光敏电阻，二极管和５５５
定时器构成的多谐振荡电路，第二部分是由逻辑门和发光二极管构成的显示电路。
由于多谐振荡电路利用电容器的充放电来代替外加触发信号，所以，电容器上
的电压信号应该在两个阈值之间按指数规律转换。充电回路是Ｒｄ、Ｗ１、Ｒ１、
Ｄ１、Ｃ１。此时相当输入是低电平，输出是高电平；当电容器充电达到２／３Ｖ
ｃｃ时，即输入达到高电平时，电路的状态发生翻转，输出为低电平，电容器开
始放电。当电容器放电达到１／３Ｖｃｃ时，电路的状态又开始翻转。如此不断循环。电容器之所以能够放电，是由于有放电端７脚的作用，因７脚的状态
与输出端一致，７脚为低电平电容器放电。
多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容
Ｃ上电压ＵＣ略低于１／３Ｖｃｃ，Ｕｏ输出高电平，Ｖ１截止，电源ＵＣＣ通过Ｒ１、Ｒ２给电容Ｃ充电。随着充电的进行ＵＣ逐渐增高，但只要１／３Ｖｃｃ＜Ｖｃ＜２／３Ｖｃｃ，输出电压Ｕｏ就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容Ｃ上的电压ＵＣ略微超过２／３Ｖｃｃ时（即Ｕ
６和Ｕ２均大于等于２／３Ｖｃｃ时），ＲＳ触发器置０，使输出电压Ｕｏ
从原来的高电平翻转到低电平，即Ｕｏ＝０，Ｖ１导通饱和，此时电容Ｃ通过Ｒ２和Ｖ１放电。随着电容Ｃ放电，ＵＣ下降，但只要２／３Ｖｃｃ＞Ｖｃ＞１／３Ｖｃｃ，Ｕｏ就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当ＵＣ
下降到略微
低于１／３Ｖｃｃ时，ＲＳ触发器置１，电路输出又变为Ｕｏ＝１，Ｖ１截止，电容Ｃ再次充电，又重复上述过程，电路输
出便得到周期性的矩形脉冲。
由上可知，当Ｖｃ＝２／３Ｖｃｃ时，Ｕｏ输出为低电平；当Ｖｃ＝１／３Ｖｃｃ时，Ｕｏ输出为高电平；
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个端口均接高电平；
Ｄ１正向导通，反向截止。它在电路中的作用是决定电容充放电流经电阻的路径，在本电路中Ｖｃｃ通过Ｒｄ、Ｗ１、Ｒ１、Ｄ１向电容Ｃ１充电，电容通过Ｒ２放电
Ｃ１的作用是，电路通过它的充放电改变５５５定时器Ｕｏ输出的电压。
Ｃ２起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考点评的稳定。
由于外部元件的稳定性决定了电路的稳定性，Ｗ１、Ｒ１可以提高振荡频率的精度。
发光二极管ＬＥＤ在接收到低电平时放光。
光敏电阻的阻值随着光照强度的增加而减少，由于Ｒｄ的减小，整个多谐振荡电路的周期变小，频率变大，从而发光二极管闪烁的频率加快。
2.4.2设计方案二
图２光照强度传感器设计方案（二）
方案二是利用放大器和光敏电阻进行设计的，光敏电阻输出的电压经放大器放大。Ｒｄ随光照强度的改变而改变，光照增强时Ｒｄ减小，电路的电压增益变大，从而使输出的电压变大。
2.5方案比较
两种设计方案都都选用了光敏电阻，都实现了将光信号转换为电信号。方案一是
基于多谐振荡电路设计的，选用了５５５定时器，二极管，电容等器件。光敏电阻的阻值随着光照强度的增加而减少，由于Ｒｄ的减小，整个多谐振荡电路的周期变小，频率变大，从而发光二极管闪烁的频率加快。方案二是基于放大电路设计的，光照增强时Ｒｄ减小，电路的电压增益增强，输出电压改变。
两种方案都可以检测出其接收到的光强的变化，但是方案一与方案二相比较灵敏度更高一些，稳定性更好一些。方案一有显示电路，我们可以直观的观察光照对整个电路的影响，但是电路比较复杂，比较难实现。方案二的电路相对比较简单，在现实中相对容易实现，但方案二与方案一相比较不够直观，需要有辅助器件的检测才能观察出结果。
第三章变送电路硬件设计
3.1变送电路简介
二线制温度变送器分别与热电偶和热电阻相配合，可以将温度信号线性地转换
成4~20mA直流标准输出信号。二线制温度变送器应具有如下主要特点：
(1)二根线完成电源的输入及4~20mA直流电流输出, 即二根线既是电源线
也是4~20mA标准信号输出线。
（2）由于二线制一体化变送器安装在传感器接线盒中, 所以必须有良好的可靠性、稳定性及较宽温度工作范围(0~85°C) 和较小的温漂，同时要求体积尽可能小。
(3)在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的
4~20mA输出信号和被测温度呈线性关系。
(4)在热电偶温度变送器中，要进行冷端补偿，冷补范围0~100°Ｃ。变送器在线路结构上分为量程单元和放大单元两个部分，其中放大单元是通用的，而量
程单元，则随品种、测量范围的不同而不同。设计电路结构如图1所示。
图中粗线为电源线，细线为信号流程，两根外接导线既是电源线也是信号线。
4~20mA信号体制为二线制设计提供了可能性，当被测信号从下量程到上量程（0％
~100％）变化时，二根传输线上电流对应４~20mA变化； 4mA作为变送器电路工作
损耗电流，也易于识别断线断电故障。RL为信号采样负载电阻(RL≤250Ω) 。V(AB) 须大于12V以保证系统的正常工作。在电源正常(17~30V) 的前提下, 回路4~20mA 电流I由输入热电阻R或热电偶mV信号确定。
通过框图我们可以看到，首先，需要对信号源所产生的信号进行采集，然后将
采集到的信号进行放大、线性化调整、调零调满，最后通过V/I转换把线性反映温
度大小的电压信号转化为电流信号I1（0~16mA），加上电路的4mA静态工作电流
I2形成4~20mA电流信号通过二线制电源线输出。对于热电偶变送器，采用一个小
型CU50热电阻来测量冷端的温度，进行冷端补偿。两种变送器都采用了LM124集
成运放，它是四组独立的高增益的内部频率补偿运算放大器。它可以适应本电路单
电源工作的要求，电源电压范围大，温度特性很好，性价比高，在后面电路中所用
运放全都是LM124。
3.2热电阻二线制变送器的设计
热电阻二线制变送器详细电路图如图2(Pt100为例)所示, 下面就各部分工作
原理作一下介绍。
3.2.1信号采集电路
热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度, 常用的有铂电阻Pt100、Pt10铜电阻Cu50、Cu100等。其阻值与温度关系可通过分度号表查询。
图中是以Pt100热电阻为例（在这里，可以采用其他的热电阻，如Cu50、Cu100等），TL431是2.5V稳压二极管，D2是一个保护二极管，防止输入电压反
接可能带来的对电路的影响或者破坏。R1是限流电阻，R2、R3、R4与R5(Pt100)配合使用，组成一个电阻测量电桥。由于一体化二线制热电阻变送器安装在接线盒
内，引线电阻忽略不计。R1、R2、R3、R4可以确定下来（其值见图2），其中热电阻R5随着温度变化而变化。R4根据采用的热电阻分度号不同而取不同的值。如
Pt100测量时R4取100Ω，Cu50测量时R4取50Ω。电桥中间两点电压作为后续差动放大器的输入信号。分别为：
因R2=R3>>R4及R5, 故：
3.2.2一级放大电路和线性化调整电路
该电路功能之一是把采集到的微弱信号放大,在本级电路中采取了差动放大。
同时，与该放大电路连接在一起的还有一个正反馈非线性调整电路，它的主要功能
是对热电阻与温度电阻间的非线性进行修正,保证放大器的输出电压被测温度成线
性关系。
R7、R8、R9以及LM124构成了放大电路。对于该局部电路，输入信号来自
采集到的信号V和V￠，输入信号分别各自经过R7、R8进入LM124的第一组运算放大器, 得到输出电压V1 （在这里没考虑非线性调整电路即反馈回路R6对电路输入的影响）。
V1=V￠+ R9 (V-V￠)/R8
此外，在该电路中还有一个非常重要的部分，那就是线性化调节电路，即
本电路中的R6。对于线性化调节的过程以及原理，我们可以用图3加以解释。
图中虚线表示没有进行线性化调节时输出电压随源温度变化时的曲线，图
中实曲线则表示进行R6非线性化调节的具体过程，随着温度升高，输出电压随之
提高，正反馈影响增强，只要R6阻值合适可刚好抵消热电阻本身非线性的影响，
使得输出电压和温度为线性关系，即图3中直线所示。根据线性化调整原理，线性调整电阻R6的反馈电压V反为：
则实际输出：
由于热电阻线性较好, 经计算调校本电路中R6=8.2kΩ，热电阻非线性修正可以达到千分之二的精度。
3.2.3调零、电源平衡及二级放大电路
对零点进行调节的电路，实质上就是调节本级放大电压输出的大小, 保证在信号源零度（R5=100Ω, 第一级放大器输出为零）时整个回路电流I1=4mA。它由
R10、R16、R13、W1组成，实质上就是在本级电压输入正端叠加一个调零电压，使
不足4mA的静态工作电流达到4mA。此外，在该电路中，还有一个部分，那就是减
小电源波动对电路输出的影响，即电路中的R15,它可以抑制电源波动带来的影响。当外界电压源发生较大的波动时(或负载电阻RL变化)，电路静态工作电流会发生微小变化,我们可以利用R15来稳定输出电流。其工作原理一方面是电源增大带来
静态电流增加, 另一方面电源的增大通过R15加到本级放大器的负端起到减法作用, 使本级输出电压下降, 选择合适的R15阻值, 可以保证电源在允许范围内波动时输
出电流的稳定。R17决定二级放大倍数。
3.2.4调满电路和V/I转换电路
调满电路是由R18、R20、W2组成的对上一级电压输出V2分压构成。通过对W2的调节，使得最后输出（信号源最高输入时整个电路的输出）达到要求的输出结果
V(W2中间抽头电压)。R21、R22、R23、R24、R25及运放组成一个V/I转换电路,
由于R22、R23、R24均为200kΩ的大电阻，R25为100Ω的小电阻，整个电路电流
输出I2≈V/R25。R26是一个负载电阻。
3．3 热电偶二线制变送器电路设计
热电偶二线制变送器电路和热电阻二线制变送器主要区别在于信号采集和
非线性修正部分, 下面我们就这两部分别作介绍。
3.3.1信号采集和一级放大电路
热电偶的输出是随被测温度变化的mV信号。该局部电路设计如图4所示。在
电路中，TL431的作用是输出稳定的 2.5V。D0是一个保护二极管，它可以保护电源
输入正负反相对电路的危害。通过R3和TL431分压，使TL431两端的工作电压保
持在2.5V，并为后面的冷端补偿，为修正电路和调零电路提供直流电源。在此电路
中，铜线绕制的热电阻Cu50起冷端补偿作用。当热电偶的热电势E12随冷端温度
的变化而变化时，铜电阻 Cu50两端的电压也随之反方向变化，如果分压电阻R2的阻值选择适当，则Cu50两端电压的变化能自动的补偿冷端温度变化对热电偶热电
势的影响。根据冷端补偿的定义，应使50°Ｃ与0°Ｃ时Cu50两端的电压差等于热
电偶在50°Ｃ时的热电动势，当冷端温度为零度时存在的电压mV通过后面的调零电路解决，以镍铬-镍硅（镍铝）热电偶（分度号K）测量变送范围
0~1300℃为例， K分度50°Ｃ时输出热电势等于 2.022mV即：
由此可求得：R2=13kΩ。
电路中，热电偶mV信号和冷补铜电阻两端电压相加，经过R4输入到LM124的第一级放大器，根据放大器工作原理，我们可以得出输出电压（设包括热电偶及
冷补之和的输入信号为V）。设计考虑使得当热电偶的温度达到最大
值(1300℃对应热电势为52.398mV)，放大器的输出电压为 2.5V。也就是说，热电
偶冷端温度为0°Ｃ时的电压加上热电偶的最大热电势，再乘以放大倍数应等于
2.5V，即：其中，K为LM324的放大倍数,由此可计算出
K=40，如果取R4=R5=5.1kΩ，则R6应为180kΩ。
3.3.2 线性化调整电路和二级放大电路
该局部电路（这一级输出V2）是本电路中十分重要的环节，同时也是比较难的
环节。因为它涉及到整个电路的线性调节。放大部分在前面已经叙述，现在就线性
调节问题加以阐述。具体电路如图5所示（图中几个二极管连接的电路就是线性修
正电路）。电路中的R9、R10、R11、R13、R14、R15、R16均为断开，只有在需要时，我们才加上该电阻。
本电路是用一非线性放大电路去校正被测参数的非线性特性, 其原理就是由二极管补偿电阻组成的折线并联支路在输入信号的不同位置相续起作用, 使放大器在信号大小不同位置放大倍数不同, 其非线性特性刚好和被测热电偶非线性特性相反。在本电路中采用六个折点(三个为正三个为负), 折点的位置可改变支路二极管导通电压调整, 调整折线支路电阻大小可改变折线补偿斜率。在实际设计过程
中，可取几个点进行修正，对于K分度（检测范围0~1300°Ｃ）,首先可以假定在0~100°Ｃ范围近似线性，非线性误差忽略不计，另外再取500 °Ｃ、900°Ｃ、1300°Ｃ作为修正检测点，当检测点值在要求线性值以上，则表示输出值偏大，这
就需要降低输出，具体措施就是连接D7~D12中某一级调整电路；反之则连接
D1~D6中某一级调整电路。电路中拐点选择二极管可根据修正的需要选用硅管或锗
管。调整方式如下：首先以0°Ｃ调零1000°Ｃ调满, 然后按以下顺序反复调校：
A 、对100°C~500 °Ｃ段非线性调整时，我们可以连接D1或者D12这一级，然后调整R9或者R16电阻大小来改变放大器的放大倍数，使其达到规定输出值。如果检测到输出值偏小，要选择R9 D1，计算调整R9的阻值, 促使本段运放放大倍数上升，直到输出电压增大到要求线性值。如果我们检测到输出值偏大，则需
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传感器电路设计 摘要：溶解氧数字化传感器是应用单片机控制的智能化传感器，它可以对液体中溶解氧 的含量进行准确的测量。本设计从总体上介绍了溶解氧数字化传感器的工作原理，着重介 绍了电路元器件的选取以及输入信号的放大和P89LPC925芯片的工作原理，利用P89LPC925 芯片实现对溶解氧浓度的准确测量。 关键词：溶解氧传感器；P89LPC925;AD623 The design of the dissolved oxygen sensor (College of Physics and Electronic Engineering, Electrical Engineering and Its Automation, Class2 Grade2003, 0323110235) Abstract:Dissolved oxygen digital sensor is a king of intelligent sensor which use single-chip computer to control, it could measure the oxygen dissolved in liquid accurately. This design introduces the work principle of dissolved oxygen digital sensor, it introduces the selection of the circuit components and amplification of input signals and the work principle of P89LPC925 chip, P89LPC925 chip using the dissolved oxygen concentration on the measurement accuracy. Key Words: dissolved oxygen sensor; P89LPC925; AD623 1 引言 氧是维持人类生命活动必不可少的物质，它与人类的生存息息相关。氧也是与化学、生化反应、物理现象最密切的一种化学元素，无论是在工业、农业、能源、交通、医疗、生态环境等各个方面都有重要作用。特别是在水产养殖中，水体溶解氧对水中生物如鱼类的生存有着至关重要的影响。缺溶氧（溶解氧低于4mg/L）时将导致水生物窒息死亡；低溶氧导致水生物生长缓慢,增重率低而饵料系数高，对疾病的抵抗能力发病率高,生物的生长受到限制；高溶氧时某些鱼类幼体可能会出现气泡病。因此溶解氧浓度的精确测量显得尤为重要。 2 溶解氧传感器简介 溶解氧是溶解在水中的分子态氧，该定义是可查资料[1]-[4]，随着科技和经济的发展，溶解氧测量已从水介质延伸到了非水液体介质，如丙酮、苯、氯苯、环乙烷、甲醇、正辛烷。分布方式有水平分布和垂直分布两种.溶解氧的一个来源是水中溶解氧未饱和时，大气中的氧气向水体渗入；另一个来源是水中植物通过光合作用释放出的氧。溶解氧随着温度、气压、盐分的变化而变化，一般说来，温度越高，溶解的盐分越大，水中的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。
常见光纤传感器比较
法布利-比罗特(简称FP)、布拉格光栅(简称FBG)和荧光式光纤传感器都是当前流行，技术上也比较先进的传感器。 精度 应该说它们都具有很高的精度，都可以满足绝大多数需求。但如果进行深入的探讨，从理论上，光纤光栅传感器所能达到的精度要为高。从加工的角度来说FP的传感精度主要决定于腔长的加工精度，而FBG的精度主要决定于光栅周期间距与有效折射率的控制。当加工精度都得到保证的时候，FBG将凭借其本身测量机理中优异线性度取胜。从传感原理可以看出，FP的腔长变化转化为Δλ是通过相位变化和干涉实现的，这是一个非线性过程，而FBG直接通过公式λB= 2neffΛ 实现有效折射率和光栅周期关于Δλ的转化，完全线性，理论上说将能提供更好的精度。除此以外，光纤光栅反射光在频域内较之FP干涉极大波包更为尖锐，因此对其中心谱线的测量也应当更为精确。荧光式测温精度主要取决于荧光物质受激发出荧光的特性和对荧光光强度变化的检测，目前的技术工艺水平，使其测量精度与前两种技术相当，其成本会随精度和测量范围而变化。但在实际产品中，测量精度受到具体厂家对产品本身的材料、工艺加工水平、信号解调器分辨率等客观因素的影响，还需要针对具体的产品进行具体对比。 集成度与组网 在这方面，FBG无疑有着很明显的优势。光纤光栅其本身的特点使得每个探点仅利用相当少的光源分量，绝大部分光都透过并继续传播。根据上文介绍，一根光纤上可以最多同时使用30个光栅，传输距离超过45km。这一特点无疑为组网带来巨大便利。同时波分复用等技术的使用，也提高了这一技术的可行性。总得来说FBG非常适合做大范围多节点的分布式测量。至于FP和荧光式，则对于小规模的网络将更容易实现。 复杂度 FP和荧光式系统的复杂度应当远低于FBG，其中荧光式最简单。正如原理部分所阐述，前两种传感器技术最终都归结到对Δλ的测量，明显的，因为FBG的信号弱，并且多伴有解复用要求，其系统要远复杂于FP。而荧光式属于光强检测，相对更加简单。 响应频率 响应频率更多的取决于网络的设计与滤波解调设备的响应速度。FBG需要一个高性能的解调解复用接收端，接收端的处理能力往往会影响到其响应频率。FP和荧光式因其相对简单，响应频率一般可以得到保证。 光源 根据上文的讨论，FBG对光源的要求相当高，需要大功率宽带光源或可调谐光源。而FP和荧光式的要求则要低得多，这得益于FP有较强的反射信号，及荧光式的光源仅需起到激发荧光的作用即可。 灵活性与适用范围 三者的探头都是相当小巧与灵活的，但是FBG显然要受制于其复杂的波长移位检测技术。在温度较高的环境中(300 °C) 左右，光栅将有可能被擦去。所以FBG不适用于较大的温度范围。
传感器应用电路设计.
传感器应用电路设计 电子温度计 学校：贵州航天职业技术学院 班级：2011级应用电子技术 指导老师： 姓名： 组员：
摘要 传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计。在件方面介绍单片机温度控制系统的设计,对硬件原理图做简洁的描述。系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序。软硬件分别调试完成以后，将程序下载入单片机中，电路板接上电源，电源指示灯亮，按下开关按钮，数码管显示当前温度。由于采用了智能温度传感器DS18B20，所以本文所介绍的数字温度计与传统的温度计相比它的转换速率极快，进行读、写操作非常简便。它具有数字化输出，可测量远距离的点温度。系统具有微型化、微功耗、测量精度高、功能强大等特点，加之DS18B20内部的差错检验，所以它的抗干扰能力强，性能可靠，结构简单。 随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。 测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：①传统的分立式温度传感器②模拟集成温度传感器③智能集成温度传感器。 目前的智能温度传感器(亦称数字温度传器)是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对
角度传感器应用电路设计
磁阻式传感器KMZ41的特点： 内部包含有两个有磁阻构成的、位置成正交的、独立的电桥（Wheatstone Bridge）。其内部结构如下图所示： 将KMZ41置于有X轴、Y轴构成的平面上，当旋转磁场强度变化时，KMZ41就会产生两路正弦输出的信号，两信号的相位差就代表芯片轴向与磁场方向的夹角a，输出信号波形如下图所示： 图1 图2 图1为KMZ41产生的两路正弦输出信号；图2为芯片轴向与磁场方向的夹角。UZZ9001的内部结构与工作原理： UZZ9001的芯片内部包括A/D转换器1和A/D转换器2、滤波器、算法逻辑、SPI接口、时钟振荡器、；逻辑控制及复位等。UZZ9001Y与KMZ41连接，能够将磁阻式传感器KMZ41输出的两个有相位差的正弦信号转换成数字信号输出，与微控制器配套构成一个角度测量系统。 *
角度传感器部分设计： 方案一 由UZZ9000和KMZ41构成的角度检测电路： UZZ9000为线性电压输出式角度传感器调理器电路，输出电压与被测角度信号成正比；测量角度的范围是0~180°，且在0~100°范围内；测量误差小于±0.45°分辨力达0.1°；测量范围和输出零点均可调节；电源电压范围为+4.5~+5.5V；电源电流为10mA；工作温度范围是-40~+150℃。 由UZZ9000和KMZ41构成的电压输出式角度检测电路如图所示。改变R2和R3的比值，可以调节传感器1的偏移量；改变R4和R5的阻值，可以调节传感器2的偏移量；改变R6和R7的比值，可以调节零点偏移；改变R8和R9的比值；可以调节测量角度范围。电阻R2~R9可以采用电位器代替。电路输出电压送至数字电压表或者微控制器系统，即可显示出被测角度值。该电路可广泛用于发动机凸轮/曲轴速度及位置检测、节流阀控制、转向操作控制、汽车中的ABS系统等领域。 注：1.设置角度范围。在UZZ9000的引脚端13加上不同的外部电压可以选择0~30到0~180共16个不同的角度范围。
霍尔传感器转速测量电路设计
课程设计报告书
2.概述 2.1系统组成框图 系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。处理器采用AT89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。本课题采用的是以8051系列的A T89C51单片机为核心开发的霍尔传感器测转速的系统。系统硬件原理框图如图1所示： 图1 系统框图 2.2系统工作原理 转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 r／min。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机AT89C51的计数器 T0进行计数，用T1定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机CPU将该数据处理后，通过LED显示出来。
2.2.1霍尔传感器 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感器选用SiKO 的 NJK-8002D 的霍尔传感器，其响应频率为100KHz ，额定电压为5-30（V ）、检测距离为10（mm ）。其在大电流磁场或磁钢磁场的作用下，能测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有测量精度高、电压范围宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用在高速计数、测频率、测转速等领域。输出电压4～25V ，直流电源要有足够的滤波电容，测量极性为N 极。安装时将一非磁性圆盘固定在电动机的转轴上，将磁钢粘贴在圆盘边缘，磁钢采用永久磁铁，其磁力较强，霍尔元件固定在距圆盘1-10mm 处。当磁钢与霍尔元件相对位置发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁钢靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。 2.2.2转速测量原理 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l 、b 、d 。若在垂直于薄片平面（沿厚度 d ）方向施加外磁场B ，在沿l 方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：qVB f = 式中：f —洛仑磁力， q —载流子电荷， V —载流子运动速度， B —磁感应强度。 这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差H U 称为霍尔电压。 霍尔电压大小为： H U H R =d B I /??(mV) 式中：H R —霍尔常数， d —元件厚度，B —磁感应强度， I —控制电流 设 H K H R =d /, 则H U =H K d B I /??(mV) H K 为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和 单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B 反向时，霍尔电动势也反向。图2为霍耳元件的原理结构图。
国内外光纤传感器的发展现状
国内外光纤传感器的发展现状 2011-6-29 8:25:44 讯石光通讯咨询网作者：iccsz 摘要:本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。 本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。前者报道了光纤光栅、分布式光纤传感技术以及光纤传感网的发展，这些是目前的研究热点；后者介绍了光层析成像技术、智能材料、光纤陀螺及惯性导航系统、工业工程类传感器（其中包括电力工业用高电压、大电流传感器，利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器等）。最后介绍了新型光纤材料与器件、氟化物玻璃光纤，碳涂覆光纤、以及正在研究中的蜂窝型波导光纤、液晶光纤等。 一、引言 随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。 FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。 对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光（纤）层析成像技术（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纤陀螺与惯导系统（IFOG，IMIU ）和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。 目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北京航空航天大学与总装合作研制的光纤陀螺系统，目前指标为0.2°/hr ；中国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂
一文深度了解光纤传感器的应用场景
一文深度了解光纤传感器的应用场景 文| 传感器技术（WW_CGQJS）光纤传感器与测量技术是当今传感器技术领域新的发展引应用，其测量用的光纤传感器有很多种类，有很多种工作方式。国内市场上光纤传感器应用主要在以下四种：光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器和光纤水听器。下面对这四种产品分别介绍一下。光纤传感器应用种类一、光纤陀螺。 光纤陀螺按原理可分为干涉型、谐振型和布里渊型，这是三代光纤陀螺的代表。第一代干涉型光纤陀螺，目前该项技术已经成熟，适合进行批量生产和商品化；第二代谐振型光纤陀螺，暂时还处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；第三代布里渊型，它还处于理论研究阶段。 光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件技术已经基本退出，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺由于其工艺简单、总体重复性好、成本低，所以在高精度光纤陀螺很受欢迎，是其主要实现方法。 二、光纤光栅传感器 目前国内外传感器领域的研究热点之一光纤布拉格光栅传感器。传统光纤传感器基本上可分为两种类型：光强型和干
涉型。光强型传感器的缺点在于光源不稳定，而且光纤损耗和探测器容易老化；干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等，所以需要固定参考点而导致应用不方便。 目前开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器可以避免出现上面两种情况，其传感信号为波长调制、复用能力强。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用中，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、电力工业和化学传感中有广泛的应用。三、光纤电流传感器 电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，电流也越来越大，这样测量起来就非常困难，这就显现出光纤电流传感器的优点了。在电力系统中，传统的用来测量电流的传感器是以电磁感应为基础，这就存在以下缺点：它容易爆炸以至引起灾难性事故；大故障电流会造成铁芯磁饱和；铁芯发生共振效应；频率响应慢；测量精度低；信号易受干扰；体积重量大、价格昂贵等等，已经很难满足新一代数字电力网的发展需要。这个时候光纤电流传感器应运而生。 四、光纤水听器 光纤水听器主要用来测量水下声信号，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统进行识别。与传统水听器相比，光纤水听器具有
传感器与测控电路设计说明书
传感器与测控电路课程设计 说明书 设计题目电感式（螺管型）位移传感器的设计 学校湖南科技大学学院机电工程学院 班级 07级测控一班学号 0703030116 设计人李广 指导教师余以道杨书仪 完成日期 2010 年 6 月 22 日
目录 一、设计题目与要求 (2) 二、基本原理简述 (2) 三、设计总体方案拟定 (7) 四、传感器的结构设计 (8) 五、结构设计CAD图 (12) 六、测控电路的设计与计算 (12) 七、电路框图及电路CAD图 (14) 八、精度误差分析 (14) 九、参考文献 (16)
一、设计题目与要求 1、设计题目：电感式（螺管型）位移传感器的设计 2、设计要求： 采用差动变压器原理设计一个测量位移的传感器，并设计一测控电路对传感器的输出量进行处理，使信号能输入到A/D 转换器，进行一系列的测量与控制。 二、基本原理简述 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。 自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。 一、 螺管型自感传感器 有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。 铁芯在开始插入（x =0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。 1、工作原理 设线圈长度为l 、线圈的平均半径为r 、线圈的匝数为N 、衔铁进入线圈的长度la 、衔铁的半径为ra 、铁心的有效磁导率为μm ，则线圈的电感量L 与衔铁进入线圈的长度la 的关系可表示为 [] 2222 2)1(4a a m r l lr l N L -+=μπ
粮仓智能传感器设计
用于粮仓领域的智能温度传感器的设计 摘要： 近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入， 同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应 根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 系统以AT89C51 单片机为控制核心，利用新型一线制温度传感器DS18B20 测量温度值，实现粮仓环境温度的检测和报警。本文给出了由AT89C51 单片机和 DS18B20 构成的单总线温度测量系统的硬件电路及软件流程图。该系统具有测点多、精度高、速度快、稳定性好、报警及时等特点,也可应用于其它相关的温度控制系统，通用性较强。 关键词：一线总线；DS18B20；AT89C51；数字温度传感器 Abstract：The system for the control of the core is AT89C51,the temperature sensors DS18B20 is used to measure temperature and this system can realize ambient temperature measurement and alarm. This article introduces the hardware circuit which the software flow chart constitutes by AT89C51 monolithic integrated circuit and DS18B20. This system has many measuring point, high-precision, wide range of temperature monitoring, good stability and alarms timely, it may also be applied in other related temperature control system and the versatility is strong. Keywords：1-Wire TM；DS18B20；AT89C51；Digit Temperature Densor
常用的五类光纤传感器基本原理解析
常用的五类光纤传感器基本原理解析 根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。 1）强度调制型光纤传感器 基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。恒定光源发出的强度为I的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。 这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。 2）相位调制型光纤传感器 基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。 目前主要的应用领域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。
传感器设计和计算题
设计题（20分，每个10分） 1．依据已学知识设计一光纤位移传感器（要求画出框架图，并解释位移与输出信号的关系） 2．依据已学知识设计一种加速度传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件） 3．用所学知识设计出一种压力传感器，说明他的工作原理？ P103 图4.10 光纤测压传感器或者P151 图6.26 对中套管 光纤 厚的膜片 0.254 mm 膜片管 2 . 7 6 9 3 . 9 3 7 4 . 8 2 6 4．光纤干涉仪有较高的灵敏度，具有非常大的动态范围等优势。利用集成
电路技术和目前的电光技术起来，请画出集成的迈克尔逊(Michelson)干涉仪，并写出具体部件。 激光器光探测器3 dB耦合器 反射的光纤端面 换能器 5．依据已学知识设计一硒蒸发膜湿度传感器（标明电极） 图见书本P187 页 6．用热释电传感器设计一个热释电报警器? 7．CCD图像传感器的工作原理？ 8．依据已学知识设计一容器内液体重量传感器 9．依据已学知识设计一种热释电传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）
10． 画出你所认知的一种光电式传感器，要求注明结构 如图是光电管 11． 设计微弯光纤传感器104页 12． 依据已学知识设计一种筒式压力传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件） 13． 依据已学知识设计一应变式感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件） 补偿片 工作片
应变电阻1和4沉积在杆的凹面处 应变电阻2和3沉积在杆的凸面处 14．依据已学知识，设计一个用差动变压式加速度传感器来测量某测试台平台振动的加速度（只画出原理图） 15．依据所学知识，设计一种实现自相关检测传感器（只画出原理图） 16．依据已学知识设计一种零差法检测的光纤相位传感器（要求只画出框架图）
半导体传感器应用电路设计
东北石油大学 课程设计 2012年6 月25
任务书 课程传感器课程设计 题目半导体传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器姓名学号 主要内容： 利用温度传感器和热电偶设计制作一个温度测量系统。参考利用半导体温度传感器AD590和单片机技术设计制作一个显示室温的数字温度计的设计提示与分析。进一步了解有关温度传感器的工作原理，制定设计方案，确定温度传感器的型号等参数，掌握温度的检测方法。 基本要求： 1、详细了解所选用的温度传感器的工作原理，工作特性等 2、设计合理的信号调理电路，并列出制作该装置的元器件。 主要参考资料： [1]刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2006.45-48. [2]王雪文，张志勇.传感器原理及应用[M].北京：航空大学出版社，2004.27-34. [3]张福学.现代实用传感器电路[M].北京：中国计量出版社，1997.16-24. [4]缪家鼎，徐文娟，牟同升.光电技术[M].杭州：浙江大学出版社，1987.22-27. 完成期限2012.6.25—2012.6.29 指导教师 专业负责人 2012年6 月25 日
摘要 传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。半导体传感器是利用某些半导体的电阻随温度变化而变化的特性制成的。半导体具有很宽的温度反应特性,各种半导体的温度反应区段不同。利用半导体温度传感器AD590 设计制作一个温度测量系统,AD590是一种集成温度传感器，其实质是一种半导体集成电路。集成温度传感器的线性度好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。 关键词：关键词传感器；半导体；温度传感器；AD590
光纤传感器
光纤传感器 ①光纤传感器的基本原理 光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。光纤传感器的测量原理有两种。 (1) 物性型光纤传感器原理 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。 激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。 (2) 结构型光纤传感器原理 结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。 图2 结构型光纤传感器工作原理示意图 (3) 拾光型光纤传感器原理 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图 ②光纤传感器的优点 与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。 (1) 电绝缘性能好。 (2) 抗电磁干扰能力强。 (3) 非侵入性。 (4) 高灵敏度。 (5) 容易实现对被测信号的远距离监控。 (6) 耐腐蚀，防爆。 (7) 光路有可挠曲性，便于与计算机联接。 (8) 结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。 光纤传感器在军事、航空、医学、环境监测、土木工程、电子系统等很多领域都有广泛的应用，尤其适用于以下特殊环境： (1) 在高压、电磁感应噪音条件下的测试； (2) 在危险和环境恶劣条件下的测试； (3) 在机器设备内部的狭小间隙中的测试； (4) 在远距离的传输中的测试。
光电传感器电路
光电传感器电路设计 1、设计要求 利用光电传感器（光电对管）将机械旋转转化为电脉冲，光电对管实物如图1所示。 图1 光电对管实物图 2、电路设计 电路原理图如图2所示。 图2 光电传感器电路原理图 电路由四部分组成。 光电对管U1、电阻R1、电阻R2构成发射接收电路；比较器U2A、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6构成反相输入的滞回比较器；比较器U2B、电阻R7、电阻R8构成反相器；发光二极管D1、电阻R9构成输出电路。 3、电路测试 测试电路如图3所示。 由变频器带动电机工作，将光电对管对准旋转的电机（电机上贴有反光带），处理电路由12V直流电源供电。
图3 测试电路 测试波形如图4所示（测试距离为4cm）。 (a)发射接收电路的输出信号(b)滞回比较器比较电压波形 (c)滞回比较器输出波形(d)反相器输出波形 图4 测试波形 4、PCB板绘制（板子大小限定为62mm*18mm） PCB图如图5所示。其中电阻采用0805封装，LM358采用DIP8封装。
图5 光电传感器电路PCB图 5、完成实物图 实物图如图6所示。 (a)未焊接的PCB板 (b)焊接好的PCB板 (c)板子的外加塑料壳 图6 实物图 6、小结 在本次电路设计中，主要的难点有两个。 一是参数的整定，主要是滞回比较器上下门限的选择。滞回比较器上下门限的选择跟发射接收电路的输出波形有关，而光电对管与旋转面的距离、旋转面的反光度、反光带所在位置、可能遇到的干扰等都会影响输出波形。 二是PCB板的绘制。本次绘制采用的是Altium Designer Summer 09软件（Protel99SE的升级版）。首先画好原理图，然后再导入到PCB中，没有的元件
《传感器与检测技术》课程设计
课程设计任务书及指导书 一.设计题目 《压力测量仪的设计》 二.设计目的 （1）使同学们掌握金属箔应变片组成的称重传感器的正确使用方法；了解压力测量仪的工作原理及其在电子天平中的应用。 （2）通过设计、安装、调试电路等实践环节，提高学生的动手能力，提高分析问题、解决问题的能力。 三.设计任务 （1）学生根据设计要求完成设计与测试。 （2）在完成设计后书写课程设计报告。 四.时间安排2005年12月5日至2005年12月30日 五.设计内容 压力测量仪由以下五个部分组成：传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及 显示器等组成。其原理框图如图1所示： 图1 压力测量仪组成框图 (1) 传感器测量电路 称重传感器的测量电路通常使用电桥测量电路，它将应变电阻值的变化转换为电压的变化，这就是可用的输出信号。 电桥电路由四个电阻组成，如图2所示：桥臂电阻R 1，R 2 ，R 3 和R 4 ，其中两对角点AC接电源电 压U SL =E（+10V），另两个对角点BD为桥路的输出U SC ，桥臂电阻为应变电阻。 R 1R 4 =R 2 R 3 时，电桥平衡，则测量对角线上的输出U SC 为零。当传感器受到外界物体重量影响时， 电桥的桥臂阻值发生变化，电桥失去平衡，则测量对角线上有输出，U SC ≠0。
图2 传感器电桥测量电路 (2) 放大系统 压力测量仪的放大系统是把传感器输出的微弱信号进行放大，放大的信号应能满足模数转换的要求。该系统使用的模数转换是3位半A/D转换，所以放大器的输出应为0V ～ 1.999V。 为了准确测量，放大系统设计时应保证输入级是高阻，输出级是低阻，系统应具有很高的抑制共模干扰的能力。 (3) 模数转换及显示系统 传感器的输出信号放大后，通过模数转换器把模拟量转换成数字量，该数字量由显示器显示。显示器可以选用数码管或液晶显示器 (4) 传感器供电电源 有恒压源与恒流源 对于恒压源供电：参考图2，设四个桥臂的初始电阻相等且均为R，当有重力作用时，两个桥臂电阻增加△R，而另外两个桥臂的电阻减少，减小量也为△R。由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化△R T 。这里假设△R远小于R，并且电桥负载电阻为无穷大，则电桥的输出为： U SC = E*( R+△R+△R T )/( R-△R+△R T +R+△R+△R T )- E*( R-△R+△R T )/( R+△R+△R T +R-△R+△ R T )= E*△R/（R+△R T ） 即 U SC = E*△R/（R+△R T ）式(1) 说明电桥的输出与电桥的电源电压E的大小和精度有关，还与温度有关。 如果△R T =0，则电桥的电源电压E恒定时，电桥的输出与△R/R成正比。 当△R T ≠0时，即使电桥的电源电压E恒定，电桥的输出与△R/R也不成正比。这说明 恒压源供电不能消除温度影响。 对于恒流源供电：供电电流为I，设四个桥臂的电阻相等，则 I ABC =I ADC =0.5I 有重力作用时，仍有 I ABC =I ADC = 0.5I 则电桥的输出为： U SC = 0.5I*(R+△R+△R T )- 0.5I*(R-△R+△R T )=I*△R 即 U SC = I*△R 式(2) 因此，采用恒流源供电，电桥的输出与温度无关。因此，一般采用恒流源供电为好。 由于工艺过程不能使每个桥臂电阻完全相等，因此，在零压力时，仍有电压输出，用恒流源供电仍有一定的温度误差。 四、设计提示 (1) 放大电路设计 首先，由于传感器测量范围是0 ～ 2Kg，灵敏度为1mV/V，其输出信号只有0 ～10mV左右；而A/D转换的输入应为0V ～ 1.999V，对应显示0 ～ 1.999Kg，当量为1mV/g，因此要求放大器的放大倍数约为200倍，一般采用二级放大器组成。 其次，在电路设计过程中应考虑电路抗干扰环节、稳定性。选择低失调电压，低漂移，高稳定
光照强度传感器及其变送电路设计(范文)复习过程
光照强度传感器及其变送电路设计(范文)
重庆工业职业技术学院 毕业设计 课题名称：单片机流水灯设计 专业班级： 09电子301 学生姓名：魏玉玺 指导教师：王雪萍 二零一二年四月
光照强度传感器及其变送电路设计 【摘要】光照强度传感器是现代工业和日常生活中经常出现的一种基于光强变化的 检测器件，它可以检测出其接收到的光强的变化，主要使用各种光电元件来将光信 号转换成电信号，再经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示光 照度的数字信号，再交由微处理器或ＤＳＰ处理。光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。本设计利用传感器设计的基本方法，设计 制作一个可以感知外界光照度变化的传感器，以实现对光照度信号的测量。 【关键词】：光照强度；传感器；变送电路 目录
第一章绪论 (4) 1.1引言 (4) 1.2传感器的概述 (4) 第二章系统设计 (5) 2.1光电传感器及敏感元件 (5) 2.1.1光敏电阻器……………………………………………………………………....... 5 2.1.2光敏二极管.............................................................. . (5) 2.1.3光敏晶体管 (6) 2.2光电传感器概述 (6) 2.3光电传感器工作原理 (6) 2.4光照传感器的设计 (8) 2.4.1设计方案一 (8) 2.4.2设计方案二 (9) 2.5方案比较 (10) 第三章变送电路硬件设计 (10) 3.1变送电路简介................................................................................ (10) 3.2热电阻二线制变送器的设计 (12) 3.2.1信号采集电路 (13) 3.2.2一级放大电路和线性化调整电路 (13) 3.2.3调零、电源平衡及二级放大电路……………………………………… 13 3.2.4调满电路和V/I转换电路…………………………………………………… 14 3．3 热电偶二线制变送器电路设计 (14) 3.3.1信号采集和一级放大电路 (14) 3.3.2 线性化调整电路和二级放大电路 (15)
最新光纤传感器的应用研究
光纤传感器的应用研 究
光纤传感器的应用研究 孙义才 2011301510103 电科三班 摘要：光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。该技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。本课题主要了解光纤导光的基本原理及其在传感技术上应用的物理基础，重点研究光纤传感器敏感的物理量、光纤传感器的基本类型及其相关应用。 关键词：传感器；光纤通信；禁带宽度；光纤传感温度计；光纤传感压强计。 1.序言 光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 现阶段，光纤传感领域在世界中的发展大致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。 2.1光纤传感器的结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。 可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。