現(xiàn)代測控電子技術(shù)第六章課件

第六章

測控電子技術(shù)綜合應(yīng)用6.1.1光電傳感器應(yīng)用電路1.分光光度計測量電路分光光度計的理論基礎(chǔ)是郎伯-比爾定律，也稱為光的吸收定律。當(dāng)一束平行單色光照射到均勻的非散射的溶液上時，光的一部分被吸收，一部分透過溶液，還有一部分被反射。6.1傳感器應(yīng)用電路

定義透過光的強度與入射光的強度之比為透光度TIt為透過樣品的光強，I0為透過空白參考溶液的光強。T越大，說明溶液的透光程度越大。由于透光度T與溶液的濃度C之間沒有線性關(guān)系，定義吸光度A為透光度T的負對數(shù)。

分光光度計的組成框圖如圖6.1.1所示。光源燈發(fā)出的光經(jīng)單色器色散后，變?yōu)閱紊?。此單色光透過比色皿內(nèi)的待比色溶液，照射到光電管上。光電管將這一隨溶液濃度不同而變化的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并顯示。圖6.1.1分光光度計的組成框圖測量放大電路如圖6.1.2所示。圖中A1構(gòu)成微電流放大器，輸入是光電管經(jīng)透射光照射后產(chǎn)生的光電流，光電流經(jīng)電阻R1轉(zhuǎn)換成電壓。該電壓經(jīng)同相放大后輸出VOT，VOT是與透光度成正比的電壓，其值為式中Io是光電管產(chǎn)生的光電流，微電流放大器的增益變化范圍為3～10，用以調(diào)節(jié)透光度的滿度值100%T。當(dāng)光電管受白光照射時，調(diào)節(jié)電位器RP2，使VOT=1000mV，即代表此時透光度為滿度值100%T。穩(wěn)壓管D1、D2，電阻R2、R12、R13及電位器RP1組成調(diào)零電路，用以補償光電管的暗電流，在無光照射光電管時調(diào)節(jié)RP1，使VOT=0，即0%T。由于吸光度與透光度成負對數(shù)關(guān)系，因此將VOT進行對數(shù)放大后即可得到與吸光度成比例的電壓VOA，其值為由于對數(shù)放大器LOG101的電流輸入范圍是100pA～3.5mA，因此對應(yīng)的吸光度測量也有相應(yīng)的范圍。本電路吸光度的測量范圍是0～1.999(A)，對應(yīng)的透光度是100%～1%(T)。當(dāng)透光度是100%時，調(diào)節(jié)電位器RP3，使VOA=0V；當(dāng)透光度是1%時，VOT=10mV，此時LOG101輸出為－3V，調(diào)節(jié)電位器RP4，使VOA=1.999V。至此，實現(xiàn)了吸光度的測量。圖6.1.3分光光度計A/D轉(zhuǎn)換電路根據(jù)ICL7106的轉(zhuǎn)換關(guān)系有：測量透光度時Vin=0～1000mV，讀數(shù)N為0～1000，將小數(shù)點設(shè)置在十位即可實現(xiàn)透光度的直讀。測量吸光度時Vin=0～1.999V，讀數(shù)N為0～1999，將小數(shù)點設(shè)置在千位即可實現(xiàn)吸光度的直讀。測量濃度時Vin=0～1.999V，讀數(shù)N為0～1999，將小數(shù)點設(shè)置在個位即可實現(xiàn)濃度的直讀。2.光電心率檢測器測量電路光電心率檢測器由光電脈搏傳感器、測量放大電路及頻率測量電路構(gòu)成。光電脈搏傳感器見圖6.1.4。使用時拇指完全蓋住透光窗口，光源XD的光經(jīng)血液反射，由光敏電阻RG接收，被轉(zhuǎn)換成電脈沖，心臟每搏動一次傳感器發(fā)出一個脈沖。圖6.1.5光電心率檢測器測量電路圖6.1.5是測量電路，上半部分電路將脈搏信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，下半部分是計數(shù)電路，把脈沖信號變換成心率。當(dāng)脈搏波到來時，拇指充血，由此產(chǎn)生的反射光照射到光敏電阻RG上時，其電阻變小，使T2的基極電位上升，射極輸出高電位。在脈搏波的間歇，無反射光照射到光敏電阻RG上，其電阻變大，使T2的基極電位下降，射極輸出低電位。T2的射極輸出端獲得的是與脈搏波相應(yīng)的正向脈動信號輸出。該信號經(jīng)隔直電容C1隔離直流后由運算放大器A1和電壓比較器A2整形成與脈搏波同頻率的方波信號。由于心率是每分鐘心臟搏動的次數(shù)，為了提高測量速度縮短測量時間，將脈搏脈沖倍頻60倍，然后在1秒鐘內(nèi)對脈搏脈沖計數(shù)，所計脈搏數(shù)即為要求測量的心率。圖6.1.6甲烷氣體CH4濃度檢測電路

圖中7805用于給傳感器加熱，當(dāng)溫度穩(wěn)定后開始工作，基準電壓模塊為REF-03，其在電位器Rp1的兩端產(chǎn)生2.5V的基準電壓，從而產(chǎn)生傳感器的恒定供電電流I，I約為0.5mA，電流的大小可通過調(diào)節(jié)Rp1的大小調(diào)節(jié)。

運放A2用于隔離傳感器與后續(xù)線性化電路，其輸出為IRs，表示CH4的濃度，與濃度的變化趨勢相反。

為了使電路的輸出與濃度成正比，采用AD538線性化，根據(jù)圖的接法及AD538的運算關(guān)系有電路的輸出為6.1.3熱敏電阻應(yīng)用電路熱敏電阻是溫度測量的常用傳感器，以NTC型MF58-104-3990熱敏電阻作為溫度測量的傳感元件，其溫度測量范圍為-55℃～+200℃，測量精度±1％，并具有耐高溫焊接,穩(wěn)定性好，漂移小,體積小，便于貼片安裝等特點。該熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系為：式中R0是熱力學(xué)溫度為T0時的阻值，T0為基準溫度，通常以298.15°K（25℃）為基準溫度；β為熱敏電阻常數(shù)。R0=100kΩ，β=3990。熱敏電阻的溫度與電阻的關(guān)系是非線性的，作為溫度測量元件其輸出信號必須進行線性化處理。電路見圖6.1.7所示。圖6.1.7基于熱敏電阻的溫度測量信號電路再對Vo1作倒數(shù)運算即可實現(xiàn)溫度與電壓的線性關(guān)系。令Vo=kT，即這樣，Vo與被測溫度成線性關(guān)系，根據(jù)AD534的運算關(guān)系，由圖中連線可得分別調(diào)節(jié)電位器Rp1與Rp2使VX1=-5.82V，VZ1=173.47mV，故有電路的實際測試結(jié)果見下表。被測溫度(℃)絕對溫度(°K)輸出電壓Vo(mV)-10263.15263.200273.15273.1810283.15327.9620293.15293.0630303.15303.0440313.15313.0250323.15322.99

結(jié)果顯示，電路的非線性誤差小于0.5%，較好地消除了熱敏電阻測溫時的非線性。6.1.4力敏傳感器應(yīng)用電路1.壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用電路

壓阻傳感器是利用晶體的壓阻效應(yīng)制成的傳感器，其構(gòu)造是在硅彈性膜片上，用集成電路的擴散技術(shù)在一定晶向上制作四個壓力敏感電阻，將它們連接成惠斯登電橋的形式,就構(gòu)成了基本的壓阻全橋傳感器。壓阻式壓力傳感器受溫度的影響表現(xiàn)在零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移兩個方面。在具體的應(yīng)用電路當(dāng)中，必須采取措施進行溫度補償。圖6.1.8是壓阻式壓力傳感器的典型應(yīng)用電路，圖中FPM-05PG為壓阻式壓力傳感器，電路輸出以大氣壓為基準，輸出電壓在1個標準大氣壓時為0mV，1mmHg時輸出10mV。圖6.1.8壓阻式壓力傳感器的典型應(yīng)用電路A1、D1、T1和R2構(gòu)成恒流源電路對電路供電。D1的輸出電壓VD1加在R1上，恒流源電流I由VD1/R2決定，其值為I=1.5mA。傳感器的溫度特性包括由于溫度變化使零位輸出移動的零位溫度特性，以及壓力靈敏度隨溫度變化的靈敏度溫度特性。FPM-05PG的靈敏度隨溫度變化非常小，故測量電路中僅設(shè)置了由D3和A2構(gòu)成的零點溫度補償電路，其原理是利用硅二極管的負溫度系數(shù)補償傳感器的正溫度系數(shù)。實驗表明，傳感器FPM-05PG的零位溫度特性為0.25mV/℃，故選用溫度特性為-2.0～-2.5mV/℃的二極管作為溫度補償元件。A2輸出經(jīng)過調(diào)節(jié)RP1可獲得具有正溫度系數(shù)的電壓，該電壓加至輸出運算放大器A4的同相輸入端，傳感器FPM-05PG的輸出經(jīng)AD620差動放大10倍后得到具有正溫度系數(shù)的電壓，該電壓加至輸出運算放大器A4的反相輸入端，兩個具有正溫度系數(shù)的電壓經(jīng)輸出級相減后輸出。只要調(diào)節(jié)RP1即可使傳感器FPM-05PG的零位溫度特性被補償。當(dāng)傳感器加上1.5mA恒定電流時，其輸出約為0.17mV/1mmHg，為了使電路的輸出電壓與壓力的關(guān)系為10mV/1mmHg，后續(xù)放大電路的增益應(yīng)為60。該增益由運放A3和A4構(gòu)成的兩級差動放大電路實現(xiàn)。電路中RP2用于傳感器在零壓力時測量電路的輸出調(diào)零，RP3用于調(diào)節(jié)電路的滿度輸出。2）4～20mA壓力變送器

將壓力傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出是工業(yè)領(lǐng)域中遠距離測量壓力的常用方法，將壓力傳感器與4～20mA轉(zhuǎn)換電路集即構(gòu)成4～20mA壓力變送器。圖6.1.9即是4～20mA壓力變送器的典型電路。圖6.1.94～20mA壓力變送器電路

電路中壓力傳感器是MPX2100，4～20mA轉(zhuǎn)換電路采用集成芯片XTR101實現(xiàn)。電路中，4mA電流對應(yīng)于零壓力，20mA電流對應(yīng)于滿量程壓力。XTR101的引腳10和11是兩個1mA的參考恒流源輸出，兩個電流并行流入帶溫度補償?shù)姆€(wěn)壓管LM129和壓力傳感器中，LM129的穩(wěn)定電壓是6.9V，該電壓即作為壓力傳感器的供電電源。根據(jù)傳感器的特性，在該電壓下傳感器的滿量程輸出電壓為傳感器的輸出電壓直接加至XTR101的輸入端（引腳3和4），引腳5和6之間的電阻R1和電位器RP1用于確定并調(diào)節(jié)輸出電流的滿度值，輸出電流Io由引腳7輸出，其值為式中Vin為芯片的輸入電壓，也即傳感器的輸出電壓。當(dāng)傳感器輸出為零時，電路的輸出電流為4mA，若有誤差可調(diào)節(jié)電位器RP2消除。當(dāng)傳感器滿量程輸出時，Vin=27.6mV，調(diào)節(jié)電位器RP1使輸出電流為20mA。

XTR101要求兩個1mA的參考恒流源的電流應(yīng)流入引腳7，引腳3和引腳4的電位應(yīng)大于引腳7的電位4V～6V，也即芯片的共模輸入電壓為4V～6V，由于傳感器的共模電壓為電源電壓的一半即3.45V，為此串入一電阻R2，提高芯片的共模輸入電壓，使之滿足要求。

為降低芯片的功耗，在芯片的外部需要并聯(lián)一晶體管T1，T1與芯片內(nèi)部的晶體管并聯(lián)，分流內(nèi)部晶體管的電流，保證了芯片內(nèi)部的熱穩(wěn)定性。二極管D1用于在引腳7和8之間的出現(xiàn)反極性電壓時保護芯片不受損壞。在壓力的測量端，接入負載電阻RL，電阻的數(shù)值可根據(jù)采樣A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求確定，如要求輸入的滿量程電壓為5V，則應(yīng)取RL=250Ω，此時A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍是1V～5V。6.1.4濕度傳感器應(yīng)用電路1.土壤濕度測量

土壤濕度測量電路見圖6.1.10，傳感器RH是硅濕敏電阻，它在25℃時響應(yīng)時間小于5秒，檢測土壤含水量范圍為0～100%。圖6.1.10土壤濕度測量電路

濕敏電阻具有負濕度系數(shù)，濕度下降，其電阻加大，濕度上升，其電阻減小。電路中濕敏電阻接在晶體管T1的集電極與基極之間，其電阻值的變化將改變基極電流，從而改變發(fā)射極的電流，進而改變電阻R2上的壓降，也即改變了后續(xù)同相放大電路的輸入電壓，電路的輸出電壓也因此改變。因此，電路的輸出與濕度成比例關(guān)系。

當(dāng)濕度下降時，RH升高，T1的基極電流減小，射極電流減小，R2上的壓降下降，經(jīng)R5和R7分壓后，放大器的同相輸入電壓下降，Vo下降。當(dāng)濕度上升時，RH減小，T1的基極電流加大，射極電流加大，R2上的壓降上升，經(jīng)R5和R7分壓后，放大器的同相輸入電壓上升，Vo上升。只要電路參數(shù)設(shè)置合理，輸出電壓即可表示濕度。

電路中電位器RP1的作用是調(diào)零，當(dāng)濕度為零時，調(diào)節(jié)RP1使輸出Vo=0；RP2的作用是調(diào)節(jié)滿度，當(dāng)濕度為100%時，調(diào)節(jié)RP2使輸出電壓Vo=10V，即完成了電路的調(diào)節(jié)。

為了提高檢測靈敏度，T1管應(yīng)選擇高β管。

2.濕度控制儀

圖6.1.11是濕度控制儀電路，非門G1、G2，電阻R1電容C1構(gòu)成阻容RC多諧振蕩器，其振蕩頻率為圖6.1.11濕度控制儀電路

振蕩器輸出的4V電壓經(jīng)RP1、RH分壓，D1整流，再經(jīng)R2、RP2分壓后連接至T3的基極。RH為具有負濕度系數(shù)的濕敏電阻，當(dāng)濕度下降時，RH阻值增大，其分壓也增大,T3的基極電位升高，T3導(dǎo)通，集電極電位下降，T4截止，繼電器J2釋放，LED2熄滅，J2控制的抽濕設(shè)備斷電，停止工作。此時T1、T2導(dǎo)通，LED1點亮，繼電器J1吸合,使加濕設(shè)備通電工作，開始加濕。隨著加濕的進行，濕度逐漸增大，RH阻值下降，其分壓也下降,T3的基極電位下降，T3過渡至截止,集電極電位上升，T4導(dǎo)通，繼電器J2吸合，LED2點亮，J2控制的抽濕設(shè)備通電，開始抽濕。此時T1、T2截止，LED1熄滅，繼電器J1釋放，使加濕設(shè)備斷電，停止工作。上述過程自動重復(fù)進行，使?jié)穸瓤刂圃谝蟮姆秶鷥?nèi)。電路中設(shè)置兩級電位器(RP1、RP2)分壓的目的是：操作人員可以根據(jù)要求的被控制濕度的濕度值，調(diào)節(jié)分壓系數(shù)，改變T3的基極電位，使儀器根據(jù)設(shè)定的濕度值啟停加濕或除濕設(shè)備，確保濕度控制在要求的數(shù)值范圍內(nèi)。6.1.5PSD距離測量應(yīng)用電路1.PSD的工作原理以一維PSD說明其工作原理，圖6.1.12是一維PSD結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)入射光點照射到PSD光敏面上某一點時，將產(chǎn)生一總的光生電流I0。由于入射光點到信號電極間存在橫向電勢，光電流將分別流向兩個信號電極，從而從信號電極上分別得到光電流I1和I2。

圖6.1.12一維PSD結(jié)構(gòu)圖

顯然，I0=I1+I2，而I1、I2的大小取決于入射光點的位置到兩個信號電極間的等效電阻與電極負載電阻RL之和，當(dāng)RL遠小于等效電阻時，I1、I2與等效電阻成反比,因此也與入射光點到兩個信號電極的距離成反比，則有由于I0=I1+I2聯(lián)立，可得由上兩式可知，只要檢測出兩個信號電極的電流，即可確定入射光點的位置。2.一維PSD在檢測距離中的應(yīng)用用一維PSD檢測距離時可利用三角測距的原理，如圖6.1.13所示，設(shè)測距范圍為L1(mm)到L2(mm)，投光透鏡與聚光透鏡的光軸間距離為B(mm)，聚光透鏡與PSD受光面間距離為f(mm)，則有圖6.1.13一維PSD測距原理圖結(jié)合I2的表達式可得因此，只要測量出I0與I2的比值即可測得距離Lx，據(jù)此可以設(shè)計出相應(yīng)的測量電路，實際電路見圖6.1.14所示。PSD的反向偏置電壓由兩個2k的電阻組成的1/2分壓器組成，反向偏置電壓為2.5V。圖6.1.14一維PSD測距實際電路電極電流I1、I2分別經(jīng)2MΩ的反饋回路電阻轉(zhuǎn)換成電壓V1和V2，V1直接接至差分放大器的同相輸入端，V2經(jīng)反相后接至差分放大器的反相輸入端，差分放大器實現(xiàn)了兩路信號的相加由電流I2轉(zhuǎn)換而得的電壓V2經(jīng)兩次反相后得到Vo1，其值為式中K是由A5構(gòu)成的反相放大器的閉環(huán)增益。兩路信號經(jīng)采樣/保持器采樣后接至除法器，除法器由集成乘法器AD534構(gòu)成，輸出電壓為將Lx的表達式代入得式中B、L、f為已知量，分別是B=50mm，L=2mm，f=12mm。故只要使K=33.33即可實現(xiàn)距離的直讀，調(diào)節(jié)圖中的電位器RP1和RP2即可實現(xiàn)K=33.33，RP1用于調(diào)節(jié)測量距離的下限，RP2用于調(diào)節(jié)測量距離的上限，這樣圖示電路便實現(xiàn)了距離的測量。

紅外LED發(fā)光控制電路的工作原理是：經(jīng)電極電流轉(zhuǎn)換得到的Vo2加至電壓比較器A6的同相比較端，比較器的反相端接一比較電平，電平值應(yīng)保證V–<V+使A6輸出高電平，其值與–I0×2MΩ有關(guān)，應(yīng)根據(jù)PSD的指標及I/V電路參數(shù)確定。定時脈沖控制T3和T4的通斷，當(dāng)脈沖為低電平時T3截止，A6輸出的高電平先使T2導(dǎo)通,進而使T1導(dǎo)通，紅外LED獲得電流發(fā)光，PSD即產(chǎn)生電極電流。與此同時，T4也截止，LF398的采樣/保持控制端為高電平，S/H處于采樣狀態(tài)，采樣與電極電流成比例的電壓信號，并輸出至后續(xù)除法電路輸出距離信號。當(dāng)脈沖為高電平時T3導(dǎo)通，短路了A6輸出的高電平，使T2截止，進而使T1截止，紅外LED無法獲得電流而發(fā)光，PSD不產(chǎn)生電極電流。與此同時，T4也導(dǎo)通，LF398的采樣/保持控制端為低電平，S/H處于保持狀態(tài)，后續(xù)除法電路輸出原先的距離信號，以保持輸出的連續(xù)性。6.1.6超聲傳感器測距應(yīng)用電路

超聲波測距的原理是檢測超聲波發(fā)送時刻與接收時刻之間的時間差，再依據(jù)超聲波的傳播速度得到距離。圖6.1.15是超聲波測距電路的例子。檢測電路由超聲發(fā)射電路和超聲接收電路兩部分組成。電路的上半部分為超聲發(fā)射電路，下半部分為超聲接收電路。圖6.1.15超聲波測距應(yīng)用電路振蕩器由555電路組成，輸出受引腳4電平控制，為高時振蕩器振蕩，為低時停振，其輸出頻率為調(diào)整RP1可使振蕩頻率為40kHz。該振蕩信號經(jīng)功率晶體管T1驅(qū)動脈沖變壓器T放大后驅(qū)動超聲發(fā)射器發(fā)出超聲波。調(diào)整RP1可使振蕩頻率為40kHz。振蕩器的復(fù)位信號由雙穩(wěn)電路控制，雙穩(wěn)電路的R、S端分別受六分頻器的輸出及低頻脈沖發(fā)生器的輸出控制。低頻脈沖發(fā)生器是在典型的阻容式振蕩電路的基礎(chǔ)上加了一個電阻R4和二極管D1構(gòu)成,它們使電路處于高電平的時間縮短，因此其輸出是一系列短促的窄正脈沖，其振蕩頻率是

六分頻器由CD4017構(gòu)成，其時鐘輸入端接555電路的輸出，即時鐘頻率為40kHz，復(fù)位端R與Q5輸出端短路,并作為分頻器的輸出及雙穩(wěn)電路的R輸入。在R=“0”時，CD4017在時鐘脈沖的作用下Q0～Q9依次輸出高電平，當(dāng)R=“1”時全部輸出清零。這里當(dāng)Q5=“1”時R=“1”，下一個時鐘到來時輸出又從Q0開始依次輸出“1”，因此每輸入6個時鐘脈沖，Q5端輸出一個高電平，實現(xiàn)了6分頻。這樣雙穩(wěn)電路的R輸入脈沖頻率6.67kHz的脈沖波，S輸入是9Hz的窄脈沖波，S脈沖使雙穩(wěn)電路置位輸出“1”,R脈沖使雙穩(wěn)電路復(fù)位輸出“0”。當(dāng)雙穩(wěn)電路置位后，555輸出的第6個脈沖復(fù)位雙穩(wěn)電路，使555振蕩，直到下一個置位脈沖到來后再輸出5個脈沖。由于置位脈沖頻率遠低于復(fù)位脈沖頻率，因此555振蕩器間歇性地輸出40kHz的脈沖波，每組5個脈沖，脈沖經(jīng)脈沖變壓器放大提升功率后驅(qū)動超聲波發(fā)射器工作。超聲接收電路由交流放大器，比較器、6分頻電路,以及時間間隔與脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路組成。交流放大器為兩極反相交流放大器級聯(lián)構(gòu)成總增益為80dB，將微弱的接收信號放大10000倍輸出給電壓比較器進行脈沖整形，將脈沖波整形成CMOS電平的40kHz的超聲波接收脈沖，該脈沖波輸入給6分頻器分頻，作為時間間隔與脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路RS雙穩(wěn)電路的復(fù)位信號。RS雙穩(wěn)電路的置位信號來自發(fā)射電路的6分頻器輸出，發(fā)射電路每發(fā)出5個脈沖串的最后一個脈沖后將其置位。接收電路每接收5個脈沖串的最后一個脈沖后將其復(fù)位，由此Vo是脈沖波，其高電平寬度等于發(fā)射波與接收波傳輸?shù)臅r間間隔。因此本電路實現(xiàn)了超聲波傳輸時間至脈沖寬度的轉(zhuǎn)換，只要測量電路的輸出脈沖寬度就測量得到了超聲波從發(fā)射到接收的傳輸時間。

脈沖寬度的測量采用在脈沖高電平的時間內(nèi)用已知頻率的時鐘計數(shù)的方式即可實現(xiàn)，其原理框圖見圖6.1.16所示。圖6.1.16脈沖寬度測量原理框圖設(shè)時鐘頻率為fck，計數(shù)器計數(shù)值為Nx，則所測量的時間間隔為若超聲波的傳輸介質(zhì)是空氣，溫度為常溫，則所測量的距離為6.1.7轉(zhuǎn)速、流量測量電路1.轉(zhuǎn)速的測量

機械轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量對轉(zhuǎn)動機械的設(shè)計、安全提供了重要數(shù)據(jù)，如航空發(fā)動機、離心壓縮機、鼓風(fēng)機、電動機等轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，都需要進行精確測量。測量轉(zhuǎn)速行之有效的方法是用測試轉(zhuǎn)盤法或光電轉(zhuǎn)換法。測試轉(zhuǎn)盤法是將有60個齒的鐵磁圓盤固定在被測轉(zhuǎn)軸上，磁電式傳感器（或渦流傳感器、霍爾傳感器等）固定在測盤的外緣，當(dāng)鐵磁圓盤跟隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，傳感器的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，每轉(zhuǎn)過一個齒產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢的峰波，通過測量感應(yīng)電動勢的頻率就可以測量轉(zhuǎn)速。光電轉(zhuǎn)換法是在轉(zhuǎn)軸上面畫60個白條或在轉(zhuǎn)軸的測盤上由圓心畫出60條白色的半徑，將光源發(fā)出的光照射到條紋上，用光敏元件接收由條紋反射的反射光并轉(zhuǎn)換電脈沖，通過測量電脈沖的頻率就可以測量轉(zhuǎn)速。圖6.1.17磁電式轉(zhuǎn)速傳感器示意圖

測量系統(tǒng)由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、前置放大整形電路、頻率測量電路組成。傳感器是由安裝在機軸上的60個齒的齒輪和安放在齒緣的鐵心線圈組成，鐵心由永磁材料制成。鐵心線圈的永久磁體應(yīng)盡量與齒輪靠近。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時靠近永久磁體的齒被磁化，使固定的線圈相對切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的大小與永久磁體的磁感應(yīng)強度，線圈的匝數(shù)，永久磁體靠近齒的距離和轉(zhuǎn)速有關(guān)。感應(yīng)電動勢經(jīng)放大整形后成為同頻率的方波脈沖，由頻率計測量其頻率。設(shè)齒數(shù)為z，被測量轉(zhuǎn)速為n（周/分），則感應(yīng)電動勢頻率為由于z=60，故被測轉(zhuǎn)速為因此只要測量感應(yīng)電動勢的頻率f，就可以測量得到轉(zhuǎn)速。圖6.1.18基于ICM7216B芯片的轉(zhuǎn)速測量電路

圖中A1構(gòu)成隔直放大電路，A2為比較器用于將放大后的脈動波形整形成標準電平的方波。ICM7216B構(gòu)成頻率測量電路。自轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈動信號，由電容C1隔離掉脈動信號中的直流分量，并輸至運算放大器的同相輸入端，放大1+R2/R1倍后輸至過零比較器A2的同相輸入端，比較器的輸出即為TTL電平或5VCMOS電平的標準脈沖信號，其頻率與轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖的頻率相同。

2）渦輪式流量傳感器測量電路渦輪式流量傳感器是利用放在流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)速度進行流量測量的一種傳感器。當(dāng)葉輪置于流體中時，由于漿葉的迎流面和背流面流速不同，因此在流向方向形成壓差，所產(chǎn)生的推力使旋漿轉(zhuǎn)動。如果選擇摩擦力小的軸承來支撐葉輪，且葉輪采用輕型材料制作，那么可使流速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系接近線性，只要測得葉輪的轉(zhuǎn)速，便可測量流體的流速，從而測量流量。葉輪的葉片可以用導(dǎo)磁材料制作，然后由永久磁鐵、鐵芯及線圈與葉片形成磁路。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時，磁阻將發(fā)生周期性的變化，從而使線圈感應(yīng)出脈沖電壓，此脈沖電壓的頻率f即與葉片轉(zhuǎn)速或流過管道的瞬時流量Q成正比，瞬時流量Q的單位是升/秒（L/s），于是有關(guān)系式f=KQ，即式中，K是渦輪式流量傳感器的流量系數(shù)，其單位是脈沖數(shù)/升。K值一般為小數(shù)點后帶兩位小數(shù)的4位數(shù)，在一定的流量范圍、黏度、溫度和壓力下，每個傳感器的K值為一常數(shù)，由廠家標定后向用戶提供。單位時間內(nèi)傳感器輸出的電脈沖數(shù)中含有的K值數(shù)，就是所測量的流量。由于K為具有小數(shù)位的實數(shù)，如果直接采用分頻器實現(xiàn)除K運算，只能先對K取整（小數(shù)點以下四舍五入），然后再進行除法，這樣將會引起較大測量誤差，且分辨力僅為1L/s。為了實現(xiàn)小數(shù)除法，可以將計數(shù)的電脈沖值輸出給微處理器，由微處理器進行軟件除法，從而實現(xiàn)流量測量。此法可以在一定程度上提高測量測量精度，但是，由于計數(shù)器無法實現(xiàn)小數(shù)計數(shù)，因此計數(shù)過程舍去的小數(shù)脈沖，并不能由微處理器補償，所以測量精度不能從本質(zhì)上得到提高；另一方面，測量分辨力也無法提高。解決上述問題的方法是，先根據(jù)流量系數(shù)K小數(shù)點以下的數(shù)據(jù)位數(shù)n，對傳感器輸出的電脈沖進行10n倍頻，然后再由計數(shù)器對倍頻后的脈沖進行計數(shù)，其結(jié)果等效為實現(xiàn)了小數(shù)計數(shù)。綜上所述，基于渦輪式流量傳感器精確測量流量的方法是，首先將傳感器輸出的電脈沖倍頻10n倍（n是流量系數(shù)K小數(shù)點以下的數(shù)據(jù)位數(shù)，一般取n=2），然后由計數(shù)器在單位時間內(nèi)計數(shù)倍頻后的電脈沖，得到原脈沖頻率100倍的頻率值，將該值除以100K即可得到所測流量。圖6.1.19基于渦輪式流量傳感器的流量測量原理框圖

流量傳感器輸出的電脈沖信號首先需要進行放大整形，變換成標準電平的方波信號，該信號的頻率與流量傳感器的輸出電脈沖的頻率相等。整形后的信號由后續(xù)的100倍頻電路倍頻100倍（這里假設(shè)傳感器的流量系數(shù)具有兩位小數(shù)），并輸出至控制與門。時基電路為由晶體振蕩器構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器，其輸出占空比50%的方波，周期為2s，高低電平的寬度均為1s，該信號一方面經(jīng)由R1、C1和與門構(gòu)成的移相電路移相后作為控制與門的門控信號；另一方面經(jīng)由R2、C2和與門組成的上升沿提取電路提取出上升沿，利用該上升沿作為輸出鎖存器的選通信號，同時該信號作為中斷請求信號，通知計算機本次測量完成可以取走測量結(jié)果。計算機接收到中斷請求信號后，通過接口電路獲取測量計數(shù)值，將計數(shù)值除以100K便得到所測量的流量值，單位取決于流量系數(shù)K的單位，如果流量系數(shù)的單位是脈沖數(shù)/L，則測得的流量單位是L/s。而如果流量系數(shù)的單位是脈沖數(shù)/mL，則測得的流量單位是mL/s。

6.1.8編碼器及其應(yīng)用

轉(zhuǎn)角通常采用轉(zhuǎn)角編碼器進行測量，其基本原理是將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成光脈沖或電脈沖，通過對脈沖進行計數(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)角測量。轉(zhuǎn)角編碼器又稱碼盤，是一種分辨力與精度都較高的測角傳感器。轉(zhuǎn)角編碼器有兩種類型：一是絕對式編碼器，另一種為增量式編碼器。

增量式編碼器則是一種轉(zhuǎn)角/脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出的脈沖可由計數(shù)器進行計數(shù)，并可根據(jù)轉(zhuǎn)動的方向輸出方向信息，因此它可以在測量轉(zhuǎn)角的同時，確定轉(zhuǎn)向，據(jù)此可以測量相對角度。

增量式轉(zhuǎn)角編碼器包括：一個結(jié)構(gòu)較為簡單的光脈沖調(diào)制盤，光脈沖讀出裝置（光電轉(zhuǎn)換裝置）以及一組邏輯與計數(shù)電路，測量原理框圖如圖6.1.20。圖6.1.20增量式轉(zhuǎn)角編碼器測量轉(zhuǎn)角原理框圖光脈沖調(diào)制盤的原理圖如圖6.1.21所示。它由三個圓環(huán)組成。兩個外圓環(huán)上均勻分布著相同數(shù)量的透光與不透光的柵格，并在空間上錯開半格。其中一個圓環(huán)用來產(chǎn)生計數(shù)脈沖，另一個圓環(huán)產(chǎn)生辯向脈沖。因為系統(tǒng)的最小計數(shù)單位是一個脈沖，所以柵格的總數(shù)決定轉(zhuǎn)角測量的分辨力。第三個圓環(huán)上只有一條透光的狹縫，由它產(chǎn)生調(diào)制盤的參考點位置（轉(zhuǎn)角的測量零點）。圖6.1.21光脈沖調(diào)制盤的原理圖如果將調(diào)制盤作正向或反向旋轉(zhuǎn)，光脈沖讀出裝置（光電轉(zhuǎn)換裝置）可產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖輸出。正轉(zhuǎn)時，計數(shù)脈沖波形滯后90°于辯向脈沖波形；反轉(zhuǎn)時，計數(shù)脈沖波形超前90°于辯向脈沖波形。調(diào)制盤轉(zhuǎn)過的角度大小與計數(shù)脈沖的個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)向的辨別則要靠相位上超前還是滯后的區(qū)別。辨向邏輯與計數(shù)電路如圖6.1.22所示。圖6.1.22辨向邏輯與計數(shù)電路光敏元件輸出的計數(shù)脈沖信號和辯向脈沖信號經(jīng)放大整形后變成了方波脈沖Pl和P2，兩者相位上的關(guān)系與轉(zhuǎn)向有關(guān)，如圖6.1.23(a)、(b)所示。(a)(b)圖6.1.23計數(shù)脈沖信號和辯向脈沖信號(a)正轉(zhuǎn)時；(b)反轉(zhuǎn)時6.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6.2.1基于嵌入式PC的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1.結(jié)構(gòu)形式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)采用分時多通道數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)，輸入為16通道，計算機總線為PC104總線，控制方式采用程序控制I/O查詢方式。2.輸入通道及A/D轉(zhuǎn)換接口電路見圖6.2.1。輸入16個通道，采用2片CD4051并聯(lián)構(gòu)成，通道選通和芯片選通由74LS173鎖存的控制碼控制，控制碼為0000B～0111B時，U1被選通，從而選通CH0～CH7，控制碼為1000B～1111B時，U2被選通，從而選通CH8～CH15，控制碼由輸出指令向0340H口寫入。圖6.2.1數(shù)據(jù)采集輸入通道及ADC接口

A/D轉(zhuǎn)換器選用MAX196，為雙極性12位并行轉(zhuǎn)換并行輸出，A/D轉(zhuǎn)換器由軟件向0344H接口寫入控制字啟動。轉(zhuǎn)換狀態(tài)INT由0342H口輸入的D0位的高低電平判斷，為高時表示正在轉(zhuǎn)換，為低時表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)可以輸出。轉(zhuǎn)換結(jié)果，由輸入指令從0344H口讀取，由于是12位并行讀取，故需要在讀取的同時給PC104總線的線施加一低電平驅(qū)動信號，這里采用OC門加上拉電阻的方式實現(xiàn)，OC門的輸入為讀數(shù)負脈沖，經(jīng)OC門后產(chǎn)生負驅(qū)動信號，驅(qū)動線，實現(xiàn)12位轉(zhuǎn)換結(jié)果并行讀出。3.譯碼部分圖6.2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的譯碼電路譯碼器采用74LS154，因為數(shù)據(jù)輸入為16位并行，因此外設(shè)口均為偶地址。為了確保計算機在進行DMA操作時不影響本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的I/O操作，這里使AEN信號參與譯碼，且僅當(dāng)AEN=“0”時譯碼器工作，而當(dāng)計算機進行DMA操作時AEN=“1”，譯碼器不工作，以避免了I/O操作和DMA操作發(fā)生沖突。譯碼地址分配表譯碼地址分配對象Y0(0340H)通道選擇Y1(0342H)讀A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)標志Y2(0344H)寫A/D控制字及讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果Y3(0346H)未用Y4(0348H)未用Y5(034AH)未用Y6(034CH)未用Y7(034EH)未用4.調(diào)試軟件movdx,0340hmoval,xxh；XX為通道號outdx,al；選擇通道m(xù)ovdx,0344hmoval,48houtdx,al；寫入控制字啟動轉(zhuǎn)換

mov

dx,0342hstatus:inal,dxandal,01hjnzstatus；判INT的狀態(tài)movdx,0344hinax,dx；取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果6.2.2.基于通道表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與常規(guī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不同，基于通道表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣模式是可變的，各通道的采樣速率、增益可編程設(shè)定，原理結(jié)構(gòu)框圖見圖6.2.3。圖6.2.3通道表結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖

采集系統(tǒng)由輸入多路模擬開關(guān)、可編程增益放大器、通道表存儲器、地址計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器、采樣定時器以及接口電路組成。計算機總線為ISA總線，控制方式采用中斷方式。本采集系統(tǒng)共32個通道，模擬開關(guān)采用兩片CD4067級聯(lián)構(gòu)成，控制信號除4路通道地址線外，另需利用禁止（Inhabit）信號進行片選，因此模擬開關(guān)的控制信號有5個。

可編程增益放大器的增益共有1、2、4、8、16、32、64、128八擋，需要三個地址選擇信號經(jīng)3-8譯碼后選擇對應(yīng)的增益。由此可知，通道選擇及增益選擇的控制信號共需8個，正好構(gòu)成一個字節(jié)，這就是本采集系統(tǒng)的通道控制字節(jié)，通道控制字節(jié)就是通道表的存儲內(nèi)容。

D7D6D5D4D3D2D1D0InhabitA3A2A1A0A2A1A0通道表存儲器采用28C16E2PROM，地址計數(shù)器采用74LS161級聯(lián)構(gòu)成，由于28C16的存儲容量為2K，因此需要12Bits二進制地址線，故需采用3片74LS161級聯(lián)成12Bits地址計數(shù)器，A/D轉(zhuǎn)換器為MAX196。電路的工作過程為：（1）根據(jù)數(shù)據(jù)采集的要求編制通道表。（2）向存儲器寫入通道表，過程為：①向0340H口寫入任意數(shù)清零地址計數(shù)器；②向0346H口寫入00H，使數(shù)據(jù)總線三態(tài)隔離器處于導(dǎo)通狀態(tài)；③依次向0344H口寫入通道表中的控制字節(jié)，寫入的數(shù)量與通道表的長度相等。結(jié)束后即可開始進行數(shù)據(jù)采集。（3）向0346H口寫入01H，使數(shù)據(jù)總線三態(tài)隔離器處于隔離狀態(tài)，為采集作好準備。（4）當(dāng)采樣定時器的時鐘上升沿出現(xiàn)，經(jīng)反相后向CPU申請中斷，CPU響應(yīng)中斷后開始數(shù)據(jù)采集。每一個時鐘上升沿觸發(fā)一次中斷，并采集一次數(shù)據(jù)。（5）數(shù)據(jù)采集過程如下：①向0340H口寫入任意數(shù)清零地址計數(shù)器；②向