设计一种传感器检测的装置

① 如何利用压电式传感器设计一个测量轴承支座受力情况的装置。

基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感专元件由压电材属料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。
按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。其中滚动轴承已经标准化、系列化，但与滑动轴承相比它的径向尺寸、振动和噪声较大，价格也较高。
滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成，严格的说是由外圈、内圈、滚动体、保持架、密封、润滑油 六大件组成。主要具备外圈、内圈、滚动体就可定意为滚动轴承。按滚动体的形状，滚动轴承分为球轴承和滚子轴承两大类。

② 运用数字通信知识设计一个测距系统

安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。障碍物与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提，超声波传感器以 其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了SensComp公司生产的Polaroid 6500系列超声波距离模块和600系列传感器，微处理器采用了ATMEL公司的AT89C51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。

1、 超声波传感器及其测距原理

超声波是指频率高于20KHz的机械波[1]。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为 超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]的原 理将电能和超声波相互转

化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）[2]。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即

1、 硬件电路设计

我们设计的超声波测距系统由Polaroid 600系列传感器、Polaroid 6500系列超声波距离模块和AT89C51单片机构成。

2.1 Polaroid 600系列传感器

此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。 薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为49.4kHz、电压为300VAC pk-pk的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4kHz的超声波。当接收回波时，Polaroid 6500内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。

Polaroid 600超声传感器发送的超声波具有角度为30度的波束角[3]，如图1所示：

图1 波束角

超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为D，则在D时间内 从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信 号的工作。因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。此超声波最近可以测量37cm。

2.2 Polaroid 6500系列超声波距离模块

Polaroid 6500系列超声波距离模块的硬件电路如图2所示：

图2 Polaroid 6500系列超声波距离模块的硬件电路

TL851是一个经济的数字12步测距控制集成电路。内部有一个420KHz的陶瓷晶振，6500系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前16个周期，陶

瓷晶振被8.5分频，形成49.4KHz的超声波信号，然后通过三极管Q1和变压器T1输送至超声波传感器。发送之后陶瓷晶振被4.5分频，以供单片机定时用。TL852是专门为接收超声波而设计的芯片。因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，TL852主要提供了放大电路，当TL852接收到4个脉冲信号时，就通过REC给TL851发送高电平表明超声波已经接收。

2.3 AT89C51单片机

本系统采用AT89C51来实现对Polaroid 600系列传感器和Polaroid 6500系列超声波距离模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电 平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。 超声波测距的硬件示意图如图3所示：

图3 超声波测距的硬件示意图

3、系统软件设计

系统程序流程图如图4所示：

图4超声波测距程序流程图

工作时，微处理器AT89C51先把P1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体 的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才 可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0引脚，如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。

4、实验数据处理

由于受环境温度、湿度的影响，超声传感器的测量值与实际值总有一些偏差，表1列出了本超声测距系统测量值与对应的实际值：

表1超声测距系统测量值与实际值 单位：cm

从表中的数据可以看出，测量值总是比实际值大出大约7cm，经过分析原因主要有三个方面：第一方面，超声波传感器测得的数据受环境温度的影响；第二方面，指令运行需占用一定的时间而使得测量的数据偏大；第三方面，为了防止其他信号的干扰，单片机开始计数时，驱动电路发送16个脉冲串。对于单个回声的方式，当

驱动电路接收到碰到障碍物返回的第四个脉冲时就停止计数，所以最终测得的时间比实际距离所对应的时间多出四个脉冲发送的时间。为了减小测量值与实际值的偏差，我们采用最小二乘法[4~5]对表1的数据进行修正。经过拟合，我们得到下面的方程：

y=1.0145x-9.3354 （其中：y为实际值，x为测量值）

修正后本超声波测距系统测量值与实际值的对应关系如表2所示：

表2 修正后超声测距系统测量值与实际值 单位：cm

从修正后的数据我们可以看出，系统的测量误差在±2%以内，满足我们的测量要求。

5、结论

利用超声波传感器进行测距，其中主要的就是要保证在电路设计上一定要满足电路工作的可靠性、稳定性。经过实验与分析，我们认为用6500系列距离模块和600系列超声波传感器进行距离的测量简单、经济、可靠，测得数据的误差比较小。

③ 霍尔传感器是如何实现测量的

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

霍尔效应

在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压

霍尔元件

霍尔传感器根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。
（一）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。
（二）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
编辑本段
理论基础

霍尔传感器流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。
1）电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式），一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。
（2）电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。
（3）电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值1/2以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法。
（4）绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中，6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用。
（5）在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。
（6）在 霍尔传感器大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。
（7）传感器抗外磁场能力为：距离传感器5～10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于5～10cm。
（8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图1－10介绍的简易典型稳压电源。
（9）传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。
（10）原边电流母线温度不得超过85℃，这是ABS工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。
霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。
按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。
按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

霍尔传感器的特性

（一）线性型霍尔传感器的特性
输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1～B2的磁[1]感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。
（二）开关型霍尔传感器的特性
如图4所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。
当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。
另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图5所示。
当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。

霍尔传感器的应用

按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。
（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：
1．电流传感器
由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。
2．位移测量
如图7所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。
如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图8所示，是按这一原理制成的力传感器。
二）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。
1．测转速或转数
如图9所示，，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。
如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

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⑤ 试用电涡流式传感器设计一在线检测的钢球计数装置,请画出检测原理框图和电路原框图。

工作原理摘要：电涡流式传感器将光信号转换成电信号从而检测被测目标的版一种装置。光权电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。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，体积小。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温和气体成分等；也可用来检测能转换成光量的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度和加速度，以及物体形状、工作状态等。

缺点是有些压电材料需要防潮措施，输出直流响应差。为了克服这一缺点，需要高输入阻抗电路或电荷放大器。

(5)设计一种传感器检测的装置扩展阅读：

压电式传感器的主要参数：

（1）压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接影响压电输出的灵敏度。

（2）压电材料的弹性常数、刚度决定了压电器件的固有频率和动态特性。

（3）对于一定形状和尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，固有电容影响压电传感器的频率下限。

（4）在压电效应中，机械耦合系数等于转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根，是衡量机电能转换效率的重要参数。压电材料。