虚拟仪器的设计与实现第3章.pptVIP

3.2.2 应用举例 1．电路连接 在很多的电子产品中用到了温度检测和温度控制电路，这些温度检测与控制电路通常较复杂。图3.2所示为一测温电路，电路中利用单片机I／O口实现温度检测电路，被检测的温度信号经串口传送到计算机中，由LabWindows/CVI完成温度的显示与控制。 图3.2 测温电路的接线图 图3.2中，P1.0、P1.1和P1.2是单片机的三个I／O脚；RK为100 kΩ的精密电阻；RT是阻值为100 kΩ、精度为1％的热敏电阻;R1为100 Ω的普通电阻；C1为0.1 μF的瓷介电容。 2．工作原理 ① 先将P1.0、P1.1、P1.2都设为低电平输出，使C1放电完毕。 ② 将P1.1、P1.2设置为输入状态，P1.0设置为高电平输出，通过RK电阻对C1充电。单片机内部计时器清零并开始计时，检测P1.2口状态。当P1.2口检测为高电平时，即C1上的电压达到单片机高电平输入的门嵌电压时，单片机计时器记录下从开始充电到P1.2口转变为高电平的时间T1。 ③ 将P1.0、P1.1、P1.2都设为低电平输出，使C1放电完毕，再将P1.0、P1.2设置为输入状态，P1.1设为高电平输出，通过RT电阻对C1充电。单片机内部计时器清零并开始计时，检测P1.2口状态。当P1.2口检测为高电平时，单片机计时器记录下从开始充电到P1.2口转变为高电平的时间T2。 从电容的电压公式 可以得到，T1／RK＝T2／RT，即 RT＝T2×RK／T1。 ④ 通过单片机计算得到热敏电阻RT的阻值，通过串口将该数据传送给计算机，在计算机中，并通过查表法可以得到温度值。 当单片机选用4 MHz工作频率，RK、RT均为1％精度的电阻时，温度误差可以做到小于1 ℃。 3.3 电容式传感器 3.3.1 基本原理 由物理学知道，当不考虑边缘电场影响时，平板电容器的电容量可用下式表示为 式中：ε——极板间介质的介电常数 F/m ； A ——极板的面积 ㎡ ； δ——两极板间的距离 m 。 可见，平板电容器的电容量C是ε、A、δ的函数。 如果将上极板固定，下极板为可动板。当可动板在被测量作用下上下移动即δ变化，左右移动即A变化时，将引起电容量的变化。通过测量电路，将电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出，根据输出信号大小，即可测定出被测量的大小。如果两极板固定不动，被测物作极板间的介质，使介电常数随被测物变化而变化，从而引起电容量变化，利用这一点，可用来测定介质的各种状态参数。如介质在极板中的位置，介质的湿度、密度等。 总之，只要被测量的变化能使电容器中任一参数随之改变进而引起电容量变化时，就能通过测量电路，将其转换为电信号输出，根据这种输出信号的大小，来测定被测量。 3.3.2 主要特性 1．变间隙式 电容量的计算公式为 式中：ε—— 极板间介质的介电常数 F/m ； A—— 极板的面积 ㎡ ； δ—— 两极板间的距离 m 。 在电容量的计算公式中，极板间电容C与极板间距离δ是成反比的双曲线关系，因此这种传感器的特性为非线性。在工作时，一般动极板不能在整个间隙范围内变化，而是限制在一个较小的Δδ范围内，以使ΔC与Δδ的关系近似于线性。 设电容器的介质为空气，极板间的初始间隙为Δδ0，则C0 εA/δ0。当间隙减小Δδ，电容增加ΔC时，有 电容的相对变化为 当 1时，可将上式展开为级数： 输出电容相对变化ΔC/C0与输入变化Δδ间的关系是非线性的。只有当Δδ/δ0 1时，略去各高次项后，才得近似的线性关系： 电容式传感器的灵敏度S的表达式为 它说明单位输入量能引起输出电容相对变化的大小，近似有 显然，上式为直线，相对非线性误差为 由以上分析可得如下结论： 要提高灵敏度S，应减小起始间隙δ0，但这受电容器击穿电压的限制，而且增加了加工装配的困难。 非线性将随相对位移增加而增加。为了保证一定的线性度，应限制极板的相对位移量。若增加起始间隙，可降低非线性，但将影响传感器的灵敏度。 为了既提高灵敏度又能改善非线性，可以采用差动式结构。当一个电容量增加时，另一个电容量则减小，有 相对非线性误差为 差动式电容传感器的灵敏度提高一倍，而非线性误差大大减小。 2．变面积式 当电容器的极片移动后，改变了极片间的面积，两极片间的电容为 电容的变化量为 灵敏度S为 * 第3章 虚拟仪器常用传感器 第3章 虚拟仪器常用传感器 3.1 传感器概述 3.2 电阻式传感器 3.3 电容式传感器 3.4 红外气体传感器 3.1 传 感 器 概 述 3.1.1 传感器的定义 传感器的定义有多种，比较流行的经典定义为：传感器是把非电量或电量信号转换为标准电信号输出的装置。传感器是测量或测控系统获取原始信息