設計一種感測器檢測的裝置

① 如何利用壓電式感測器設計一個測量軸承支座受力情況的裝置。

基於壓電效應的感測器。是一種自發電式和機電轉換式感測器。它的敏感專元件由壓電材屬料製成。壓電材料受力後表面產生電荷。此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗後就成為正比於所受外力的電量輸出。壓電式感測器用於測量力和能變換為力的非電物理量。它的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要採用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。
軸承是當代機械設備中一種重要零部件。它的主要功能是支撐機械旋轉體，降低其運動過程中的摩擦系數，並保證其回轉精度。
按運動元件摩擦性質的不同，軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。其中滾動軸承已經標准化、系列化，但與滑動軸承相比它的徑向尺寸、振動和雜訊較大，價格也較高。
滾動軸承一般由外圈、內圈、滾動體和保持架四部分組成，嚴格的說是由外圈、內圈、滾動體、保持架、密封、潤滑油 六大件組成。主要具備外圈、內圈、滾動體就可定意為滾動軸承。按滾動體的形狀，滾動軸承分為球軸承和滾子軸承兩大類。

② 運用數字通信知識設計一個測距系統

安全避障是移動機器人研究的一個基本問題。障礙物與機器人之間距離的獲得是研究安全避障的前提，超聲波感測器以 其信息處理簡單、價格低廉、硬體容易實現等優點，被廣泛用作測距感測器。本超聲波測距系統選用了SensComp公司生產的Polaroid 6500系列超聲波距離模塊和600系列感測器，微處理器採用了ATMEL公司的AT89C51。本文對此超聲波測距系統進行了詳細的分析與介紹。

1、 超聲波感測器及其測距原理

超聲波是指頻率高於20KHz的機械波[1]。為了以超聲波作為檢測手段，必須產生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波感測器，習慣上稱為 超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波感測器有發送器和接收器，但一個超聲波感測器也可具有發送和接收聲波的雙重作用。超聲波感測器是利用壓電效應[1]的原 理將電能和超聲波相互轉

化，即在發射超聲波的時候，將電能轉換，發射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。

超聲波測距的原理一般採用渡越時間法TOF（time of flight）[2]。首先測出超聲波從發射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即

1、 硬體電路設計

我們設計的超聲波測距系統由Polaroid 600系列感測器、Polaroid 6500系列超聲波距離模塊和AT89C51單片機構成。

2.1 Polaroid 600系列感測器

此超聲波感測器是集發送與接收一體的一種感測器。感測器裡面有一個圓形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面塗了一層金屬薄膜，在其背面有一個鋁制的後板。 薄片和後板構成了一個電容器，當給薄片加上頻率為49.4kHz、電壓為300VAC pk-pk的方波電壓時，薄片以同樣的頻率震動，從而產生頻率為49.4kHz的超聲波。當接收回波時，Polaroid 6500內有一個調諧電路，使得只有頻率接近49.4kHz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾。

Polaroid 600超聲感測器發送的超聲波具有角度為30度的波束角[3]，如圖1所示：

圖1 波束角

超聲波感測器既可以作為發射器又可以作為接收器，感測器用一段時間發射一串超聲波束，只有待發送結束後才能啟動接收，設發送波束的時間為D，則在D時間內 從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波感測器有一定的慣性，發送結束後還留有一定的余振，這種余振經換能器同樣產生電壓信號，擾亂了系統捕捉返回信 號的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動系統進行回波接收，以上兩個原因造成了超聲感測器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量37cm。

2.2 Polaroid 6500系列超聲波距離模塊

Polaroid 6500系列超聲波距離模塊的硬體電路如圖2所示：

圖2 Polaroid 6500系列超聲波距離模塊的硬體電路

TL851是一個經濟的數字12步測距控制集成電路。內部有一個420KHz的陶瓷晶振，6500系列超聲波距離模塊開始工作時，在發送的前16個周期，陶

瓷晶振被8.5分頻，形成49.4KHz的超聲波信號，然後通過三極體Q1和變壓器T1輸送至超聲波感測器。發送之後陶瓷晶振被4.5分頻，以供單片機定時用。TL852是專門為接收超聲波而設計的晶元。因為返回的超聲波信號比較微弱，需要進行放大才能被單片機接收，TL852主要提供了放大電路，當TL852接收到4個脈沖信號時，就通過REC給TL851發送高電平表明超聲波已經接收。

2.3 AT89C51單片機

本系統採用AT89C51來實現對Polaroid 600系列感測器和Polaroid 6500系列超聲波距離模塊的控制。單片機通過P1.0引腳經反相器來控制超聲波的發送，然後單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電 平變為低電平時就認為超聲波已經返回。計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，通過換算就可以得到感測器與障礙物之間的距離。 超聲波測距的硬體示意圖如圖3所示：

圖3 超聲波測距的硬體示意圖

3、系統軟體設計

系統程序流程圖如圖4所示：

圖4超聲波測距程序流程圖

工作時，微處理器AT89C51先把P1.0置0，啟動超聲波感測器發射超聲波，同時啟動內部定時器T0開始計時。由於我們採用的超聲波感測器是收發一體 的，所以在發送完16個脈沖後超聲波感測器還有餘震，為了從返回信號識別消除超聲波感測器的發送信號，要檢測返回信號必須在啟動發射信號後2.38ms才 可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變為低電平，此時表明信號已經返回，微處理器進入中斷關閉定時器。再把定時器中的數據經過換算就可以得出超聲波感測器與障礙物之間的距離。

4、實驗數據處理

由於受環境溫度、濕度的影響，超聲感測器的測量值與實際值總有一些偏差，表1列出了本超聲測距系統測量值與對應的實際值：

表1超聲測距系統測量值與實際值 單位：cm

從表中的數據可以看出，測量值總是比實際值大出大約7cm，經過分析原因主要有三個方面：第一方面，超聲波感測器測得的數據受環境溫度的影響；第二方面，指令運行需佔用一定的時間而使得測量的數據偏大；第三方面，為了防止其他信號的干擾，單片機開始計數時，驅動電路發送16個脈沖串。對於單個回聲的方式，當

驅動電路接收到碰到障礙物返回的第四個脈沖時就停止計數，所以最終測得的時間比實際距離所對應的時間多出四個脈沖發送的時間。為了減小測量值與實際值的偏差，我們採用最小二乘法[4~5]對表1的數據進行修正。經過擬合，我們得到下面的方程：

y=1.0145x-9.3354 （其中：y為實際值，x為測量值）

修正後本超聲波測距系統測量值與實際值的對應關系如表2所示：

表2 修正後超聲測距系統測量值與實際值 單位：cm

從修正後的數據我們可以看出，系統的測量誤差在±2%以內，滿足我們的測量要求。

5、結論

利用超聲波感測器進行測距，其中主要的就是要保證在電路設計上一定要滿足電路工作的可靠性、穩定性。經過實驗與分析，我們認為用6500系列距離模塊和600系列超聲波感測器進行距離的測量簡單、經濟、可靠，測得數據的誤差比較小。

③ 霍爾感測器是如何實現測量的

霍爾感測器是根據霍爾效應製作的一種磁場感測器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）於1879年在研究金屬的導電機構時發現的。後來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象製成的各種霍爾元件，廣泛地應用於工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。

霍爾效應

在半導體薄片兩端通以控制電流I，並在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直於電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓

霍爾元件

霍爾感測器根據霍爾效應，人們用半導體材料製成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。

霍爾感測器的分類

霍爾感測器分為線性型霍爾感測器和開關型霍爾感測器兩種。
（一）線性型霍爾感測器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。
（二）開關型霍爾感測器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。
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理論基礎

霍爾感測器流體中的霍爾效應是研究「磁流體發電」的理論基礎。
1）電流感測器必須根據被測電流的額定有效值適當選用不同的規格的產品。被測電流長時間超額，會損壞末極功放管（指磁補償式），一般情況下，2倍的過載電流持續時間不得超過1分鍾。
（2）電壓感測器必須按產品說明在原邊串入一個限流電阻R1，以使原邊得到額定電流，在一般情況下，2倍的過壓持續時間不得超過1分鍾。
（3）電流電壓感測器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的，所以當被測電流高於電流感測器的額定值時，應選用相應大的感測器；當被測電壓高於電壓感測器的額定值時，應重新調整限流電阻。當被測電流低於額定值1/2以下時，為了得到最佳精度，可以使用多繞圈數的辦法。
（4）絕緣耐壓為3KV的感測器可以長期正常工作在1KV及以下交流系統和1.5KV及以下直流系統中，6KV的感測器可以長期正常工作在2KV及以下交流系統和2.5KV及以下直流系統中，注意不要超壓使用。
（5）在要求得到良好動態特性的裝置上使用時，最好用單根銅鋁母排並與孔徑吻合，以大代小或多繞圈數，均會影響動態特性。
（6）在 霍爾感測器大電流直流系統中使用時，因某種原因造成工作電源開路或故障，則鐵心產生較大剩磁，是值得注意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源，在原邊通一交流並逐漸減小其值。
（7）感測器抗外磁場能力為：距離感測器5～10cm一個超過感測器原邊電流值2倍的電流，所產生的磁場干擾可以抵抗。三相大電流布線時，相間距離應大於5～10cm。
（8）為了使感測器工作在最佳測量狀態，應使用圖1－10介紹的簡易典型穩壓電源。
（9）感測器的磁飽和點和電路飽和點，使其有很強的過載能力，但過載能力是有時間限制的，試驗過載能力時，2倍以上的過載電流不得超過1分鍾。
（10）原邊電流母線溫度不得超過85℃，這是ABS工程塑料的特性決定的，用戶有特殊要求，可選高溫塑料做外殼。
霍爾器件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。
霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達－55℃～150℃。
按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關器件 。前者輸出模擬量，後者輸出數字量。
按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，後者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。

霍爾感測器的特性

（一）線性型霍爾感測器的特性
輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如圖3所示，可見，在B1～B2的磁[1]感應強度范圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現飽和狀態。
（二）開關型霍爾感測器的特性
如圖4所示，其中BOP為工作點「開」的磁感應強度，BRP為釋放點「關」的磁感應強度。
當外加的磁感應強度超過動作點Bop時，感測器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bop以下時，感測器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，感測器才由低電平躍變為高電平。Bop與BRP之間的滯後使開關動作更為可靠。
另外還有一種「鎖鍵型」（或稱「鎖存型」）開關型霍爾感測器，其特性如圖5所示。
當磁感應強度超過動作點Bop時，感測器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消後，其輸出狀態保持不變（即鎖存狀態），必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平產生變化。

霍爾感測器的應用

按被檢測對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，後者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，這個磁場是被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電學量來進行檢測和控制。
（一）線性型霍爾感測器主要用於一些物理量的測量。例如：
1．電流感測器
由於通電螺線管內部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾感測器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計製成霍爾電流感測器。其優點是不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合於大電流感測。 霍爾電流感測器工作原理如圖6所示，標准圓環鐵芯有一個缺口，將霍爾感測器插入缺口中，圓環上繞有線圈，當電流通過線圈時產生磁場，則霍爾感測器有信號輸出。
2．位移測量
如圖7所示，兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾感測器置於中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾感測器在Z軸上作△Z位移時，感測器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。
如果把拉力、壓力等參數變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，如圖8所示，是按這一原理製成的力感測器。
二）開關型霍爾感測器主要用於測轉數、轉速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。
1．測轉速或轉數
如圖9所示，，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾感測器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉一周，霍爾感測器就輸出一個脈沖，從而可測出轉數（計數器），若接入頻率計，便可測出轉速。
如果把開關型霍爾感測器按預定位置有規律地布置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據脈沖信號的分布可以測出車輛的運動速度。

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⑤ 試用電渦流式感測器設計一在線檢測的鋼球計數裝置,請畫出檢測原理框圖和電路原框圖。

工作原理摘要：電渦流式感測器將光信號轉換成電信號從而檢測被測目標的版一種裝置。光權電感測器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高，反應快，非接觸等優點，而且可測參數多，感測器的結構簡單，形式靈活多樣，體積小。

它可用於檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫和氣體成分等；也可用來檢測能轉換成光量的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度和加速度，以及物體形狀、工作狀態等。

缺點是有些壓電材料需要防潮措施，輸出直流響應差。為了克服這一缺點，需要高輸入阻抗電路或電荷放大器。

(5)設計一種感測器檢測的裝置擴展閱讀：

壓電式感測器的主要參數：

（1）壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接影響壓電輸出的靈敏度。

（2）壓電材料的彈性常數、剛度決定了壓電器件的固有頻率和動態特性。

（3）對於一定形狀和尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關，固有電容影響壓電感測器的頻率下限。

（4）在壓電效應中，機械耦合系數等於轉換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機械能）之比的平方根，是衡量機電能轉換效率的重要參數。壓電材料。