信号变换综合设计课程设计指导书

1、辽 宁 工 业 大 学 课 程 指 导 书辽宁工业大学课 程 设 计 指 导 书题目： 信号变换综合设计 学院（系）： 电气工程学院 指导教师： 教师职称： 起止时间： 2016.01.042016.01.15 目 录1 课程设计目的与要求11.1 课程设计目的11.2 课程设计的内容与要求11.3 设计步骤11.4 课程设计的进度计划22 设计内容22.2 传感器与测控系统22.3典型参数测量方法与常见的传感器3参考资料9附录10101 课程设计目的与要求1.1 课程设计目的本课设是在学生已经完成传感器与检测技术、测控电路、模拟电路数字电路等课程教学之后所进行的信号变换综合设计课程设计。其意

2、义在于进一步巩固、加强传感器与检测技术、测控电路等课程的教学效果，通过该课程设计使学生达到设计自动测试系统的能力。通过课设，使学生对前续课程所学过的专业基础知识与专业知识进行综合运用和实践。掌握几种典型参数的测试方法以及测试系统的设计方法，熟悉各种传感器的选型，学会对实际应用中常见的参数进行测量并实现到标准信号的转换。1.2 课程设计的内容与要求信号变换综合设计课程设计内容为针对某一测量范围的被测对象，采用适宜的测量方法，选取恰当的传感器，并设计测量电路，完成参数检测，并实现显示和报警。变化到标准信号。根据具体某一设计题目给出的设计任务、性能指标及工艺要求，确定测试系统的组成方案，独立完成该课

3、程设计，要求在课设结束时提交课程设计说明书（论文），并参加答辩及考核。课程设计说明书要求：1.课程设计说明书应书写在学院统一印制的课程设计（论文）说明书上（可以打印），书写应认真，字迹工整，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。2.论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。3.课程设计说明书应有按设计步骤进行设计的分析、思考内容和引用的相关知识、主要结论和参考书。其中应包括： 综述； 测量方案设计； 传感器部分设计，包括传感器选型选择及测量电路连接； 测控电路设计，包括测量电路设计及参数设计； 课程设计总结。1.3 设计步骤1、针对设计任务，查阅资料，学习了

4、解传感器应用、常用的参数检测方法，设计总体方案并进行详尽的方案论证，并画出测试系统前向通道的总体结构图； 2、传感器选型、转换电路设计；3、要求给出传感器具体型号，测量电路的设计与参数选择、器件选型；4、绘制Protel电路图，并编写课程设计说明书。1.4 课程设计的进度计划 教学内容学时地点备注了解设计任务、明确设计指标要求半天教室周一查阅资料、确定设计方案1.5天图书馆、实验室周一、二传感器部分设计2天教室周三，四测量电路设计4天教室周五、周一三编写设计说明书、答辩2天教室周四、五2 设计内容2.2 传感器与测控系统1. 测量系统构成 测量系统应具有对被测对象的特征量进行检测、传输、处理及

5、显示等功能，一个测量系统是传感器、变送器（变换器）和其它变换装置等的有机组合。图2-1表示测量系统组成结构框图。 图 2 - 1 测量系统组成框图 2. 传感器的概念传感器是能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。传感器直接接触被测对象，感受被测对象参数的变化，其输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。 通常，传感器由敏感元件和转换元件组成（如图2 -2所示）。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传

6、输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等， 此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源， 因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。 图 2 - 2 传感器组成方框图 传感器的原理有各种各样，目前一般采用两种分类方法：一种是按被测参数分类，如温度、压力、位移、速度等；另一种是按传感器的工作原理分类， 如应变式、电容式、压电式、磁电式等。 3. 传感器的选用原则传感器的选用一般先从工作原理

7、出发，了解各种各样传感器，而对工程上的被测参数，依据传感器的特性指标和测试环境要求，合理选择和使用传感器。传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、 迟滞、线性度、重复性和漂移等；动态特性指标有超调量、时间常数、调节时间，频域指标有工作频带0.95、固有频率n等。传感器的选用主要考虑以下几个方面。1. 测量范围：根据被测量的变化范围，在满足要求的条件下，选用量程较小的传感器。2. 测量精度：测量精度应与系统其他部分精度合理匹配，选择要适当。3. 测量灵敏度：主要取决于外界信号的最小变化量和后部接口电路线性范围。灵敏度越大，后部放大电路所需放大倍数则越小。4. 动态特性：通常考虑频率响

8、应特性，应根据输入信号的特征进行选择。5. 机械特性：主要考虑结构形式、安装尺寸；电器接插件类型及位置；所测流体的物理和化学性质；密封或壳体(如密封、防爆、防水)等。6. 电特性：主要考虑正常的和最大的电激励(电压或电流)；输出阻抗；输入阻抗；绝缘电阻或额定击穿电压等。7. 环境特性：主要考虑环境因素(如温度、加速度、冲击、振动等)对工作性能的影响程度。8. 可靠性：主要考虑工作与循环寿命；长时间的储存后的误差与故障以及稳定性。2.3典型参数测量方法与常见的传感器1.压力检测在测量上所称的压力就是物理学中的压强，它是反映物质状态的一个参数；在工业自动化生产过程中是重要工艺参数之一。常见的压力传

9、感器有应变式压力计、压电式压力传感器、电容式压力传感器和霍尔式压力计等的测量原理及测压方法。（1）应变式压力计 应变式压力计有膜式应变传感器、测力式应变传感器、扩散硅型压力传感器，常见的应变片有电阻应变片和半导体应变片，使用时将应变片接入双臂测量电桥电路，一般接成差动电桥。当图 2 - 2 测量电桥图 RL=时，其输出电压为 （2-1）电桥四臂同时接入工作应变片，则构成全桥电路。其输出电压为 （2-2）（2）压电式压力传感器 压电式压力传感器依据压电晶体和压电陶瓷的压电效应原理制成，它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成

10、。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再将压电元件输出接入电压放大器或电荷放大器，将压电式压力传感器中的压电元件由被测压力产生的电荷转换为成一定关系的电压信号。压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。常见的压电传感器有压电式三维测力传感器、压电式单向测力传感器、压电式测量均匀压力传感器和消除振动加速度影响的压电传感器等。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优

11、异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。（2）电容式压力传感器图 2 - 3 差动电容传感器 电容式压力传感器常见的有电容式差压传感器、变面积式

12、压力传感器、荷重传感器，依据原理有有变极距型、变面积型、变介电常数型。在实际压力测量中，常使用差动的电容传感器，不但提高了灵敏度，也改善了非线性，工作时将其接入电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路和运算放大器式电路等。 差动电容式压力传感器如图示，它的受压膜片电极位于两个固定电极之间,构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工

13、作在有腐蚀性或杂质的流体中。 电容式压力传感器应用于液压、空气、压铸系统；石化、环保、冶金；食品、医药、卫生行业；其他自动控制和检测场合。图 2 - 3 霍尔压力计 （2）霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器依据霍尔效应工作，则当霍尔元件沿X方向移动时霍尔电势的变化将上式积分得利用霍尔元件测量位移惯性小、反应速度快，可用来测量力、压力、压差、液位、流量等。2.温度检测温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。温度单位是国际单位制中七个基本单位之一。常见的测温方法有接触测量法和非接触测量法。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温

14、度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。 非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。常见有膨胀式温度测量、电阻式温度传感与测试、热电偶温度计、辐射式温度计、光导纤维温度计、集成温度传感技术等测温原理及方法。（1）膨胀式温度计膨胀式温度计分为液体膨胀式温度计和固体膨胀式温度计两大类。常见有双金属温度计和压力式温度计，双金属温度计的突出特点是：抗震性能好，

15、结构简单，牢固可靠，读数方便，但它的精度不高，测量范围也不大。（2）电阻式温度传感器 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的，实现了将温度的变化转化为元件电阻的变化。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。金属热电阻主要有铂电阻、铜电阻和镍电阻等,其中铂电阻和铜电阻最为常见。金属热电阻为减小引线电阻的影响一般采用三线制和四线制的测量电路。热电阻测量范围：-200850，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。铂热电阻：测温范围：-20

16、0850；优点：精度高、稳定性好、性能可靠。铂热电阻分度号分别为Pt10和Pt100（Pt100常用）。Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) （ -2000 ） Rt = R0(1+At+Bt2) （0850）其中A=3.9083×10-13/，B=-5.775×10-7/2， C=-4.183×10-12/4。 铜热电阻：测温范围：-50150；铜热电阻优点：线性好，价格便宜，但它测温范围窄，易氧化，不适宜在有水分和腐蚀性介质或高温下工作。铜热电阻分度号：Cu50(R0=50)和 Cu10（R0=100）。铜热电阻的特性方程近似为： Rt=R0（1+

17、t） 为铜热电阻的电阻温度系数（=4.28×10-3/）。 半导体热敏电阻传感器是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。按温度特性，常见热敏电阻有随温度上升，电阻增加的为正温度系数热敏电阻即PTC型，反之为负温度系数热敏电阻即NTC型，同时有临界温度系数热敏电阻即CTR型三类热敏电阻。正温度系数热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结而成。纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，电阻值较小；当温度升高到居里点

18、温度（即临界温度，此元件的温度控制点 一般钛酸钡的居里点为120）时，内电场受到破坏，表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。 负温度系数热敏电阻的是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，温度低时，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型

19、很多，使用区分低温（-60300）、中温（300600）、高温（>600）三种，有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温控系统。热敏电阻与简单的放大电路结合，就可检测千分之一度的温度变化，所以和电子仪表组成测温计，能完成高精度的温度测量。普通用途热敏电阻工作温度为-55+315，特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55，可达-273。（3）热电偶传感器热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，一般用于工业生产，测量出的信号能较远传输。其主要特点就是测温范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4-20

20、mA电信号，便于自动控制和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，热电势有两种电势组成：温差电势和接触电势。目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范,国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为B、R、S、K、N、E、J和T，其测量温度的最低可测零下270摄氏度，最高可达1800摄氏度，其中B、R、S属于铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属，所以其又被称为贵金属热电偶，而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电偶的结构有两种：普通型和铠装型。普通性热电偶一般由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成，而铠装型热电偶

21、则是将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。但是热电偶的电信号却需要一种补偿导线。不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作用就是与热电偶连接，使热电偶的参比端远离电源，从而使参比端温度稳定。铂铑10-铂热电偶（S型）的正极（SP）为铂铑合金，负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600。优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。铂铑3

22、0-铂铑6（B型）的正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。长期最高使用温度为1600，短期最高使用温度为1800。优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在050范围内热电势小于3µV。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。镍铬-镍硅热电偶（K型）是使用量最大的廉金属热电偶，用量为其他热电偶的总和。其使用温度为-2001300。优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较

23、高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。（4）集成温度传感器集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流与电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。一般只用来测150以下的温度。AD590是一种典型的集成温度传感器，是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K T热力学温度，单位为K。 、AD590的测温范围为-

24、55+150。 、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。、输出电阻为710MW。 、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为±0.3。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。3. 流量检测流量是指单位时间内流过管道某截面流体的体

25、积或质量。前者称为体积流量，后者称为质量流量。在一段时间内流过的流体的量称总量，即瞬时流量对时间的累积。测量总量的仪表叫作流体计量表或流量计。常见的流量测量方法有：节流差压法、容积法、速度法、流体阻力法、流体振动法与质量流量测量方法，常见的流量传感器有孔板流量计、膜片式差压计、双波纹管差压计、椭圆齿轮流量计、刮板式流量计、叶轮式流量计、涡轮式流量计、旋涡流量计、旋涡流量计、电磁流量计、超声波流量计等。超声波流量计的基本原理及类型超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、

26、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。涡街流量计，主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小、量程范围大、精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高、维护量小。4.位移检测 位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感器、霍尔式位移传感器等。差动变压器是感应式位移传感器中应用最广的一种。它是一个其原边有一个绕组，副边有两个按差动方式联接的绕组的开口变压器。变压器开口

27、上有一活动铁芯，该铁芯产生位移时使磁路改变，从而使输出差动电压随之改变。其输出电压Es与铁芯位移x成线性关系且十分灵敏。位移变送器由同心分布在线圈骨架上一初级线圈P，二个级线圈S1 和S2 组成， 线圈组件内有一个可自由移动的杆装磁芯（铁芯），当铁芯在线圈内移动时，改变了空间的磁场分布,从而改变了初次级线圈之间的互感量M，当初级线圈供给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生了感应电动势， 随着铁芯的位置不同， 次级产生的感应电动势也不同， 这样， 就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。霍尔式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。本章主要介绍自感式位移计、差动变压式位移计、电位器式位移计、感应同步器、光栅、光电码盘、电涡流位移计、电容式位移计、磁电式速度计、 光电转速计、电磁式转速计和测速发电机等的原理、结构、特性及应用。 另外，还有许多种