十年博客

差动变极距式电容压力传感器

zcdelphi7@126.com(zcjohnson) — Wed, 24 Dec 2008 17:49:13 +0800

电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压力的大小。
根据平行板电容器的电容量表达式
C=εA/d (3-9)
式中为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d为两平行板间距。
由式(3-9)可知，改变A、d、其中任意一个参数都可以使电容量发生变化，在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A或d一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。
差动变极距式电容压力传感器
改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因ε受温度影响引起的不稳定性。
图3-12是一种电容式差压传感器示意图。左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形球面上除边缘部分外镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极，左、右固定电极和测量电极经导线引出，从而组成了两个电容器。不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片，这样测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移。电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电容值的改变。

图3-12 电容式差压传感器
对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：
C0=△d/d0 (3-10)
式中 C0为初始电容值；d0为极板间初始距离；△d为距离变化量。
此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。
这种传感器结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达±0.25％～±0.05％；可以测量压力和差压。

变面积式电容压力传感器

zcdelphi7@126.com(zcjohnson) — Wed, 24 Dec 2008 17:47:07 +0800

下图所示为一种变面积式电容压力传感器。被测压力作用在金属膜片上，通过中心柱和支撑簧片，使可动电极随簧片中心位移而动作。可动电极与固定电极均是金属同心多层圆筒，断面呈梳齿形，其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。固定电极与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。压力引起的极间电容变化由中心柱引至适当的变换器电路，转换成反映被测压力的标准电信号输出。
金属膜片为不锈钢材质，膜片后设有带波纹面的挡块，限制膜片过大变形，以保护膜片在过载时不至于损坏。膜片中心位移不超过0.3mm，膜片背面为无硅油的封闭空间，不与被测介质接触，可视为恒定的大气压，故仅适用于压力测量，而不能测量压差。

运动控制卡输入/输出端口(二)

zcdelphi7@126.com(zcjohnson) — Sun, 30 Nov 2008 09:05:52 +0800

二．控制卡输入信号的输出与滤波
开关信号输入
运动控制卡运动控制卡输入端口一般都有光电隔离电路。因为采用电流方式输入，抗干扰能力强，且没有电平转换的问题。图17为按键与控制卡的连接方式。

差分信号输入
编码器的输出信号一般为差分信号。差分信号和控制卡连接的方式参见图18。
运动控制卡

RC滤波电路
无源[/b]RC[/b]低通滤波器原理：[/b][/b]
采用无源RC低通滤波器，可以有效的拟制高频干扰信号。
图19  RC低通滤波器电路图
RC低通滤波器的电路及特性见图19。其传递函数如下：

其中：T = RC

无源RC低通滤波器截止频率：ωc ＝ 1 / T = 1 / RC
当输入信号的频率小于其截止频率：ωc时，信号不衰减；
当输入信号的频率大于其截止频率：ωc时，信号频率越高，衰减越大；而且相位也有滞后。参见图20。

运动控制卡中的[/b]RC[/b]滤波电路：[/b][/b]
运动控制卡数字输入端口光耦后面通常加有无源RC低通滤波器，如图21所示。R = 10 kΩ，C = 0.1 µF，故该RC滤波器的截止频率为1kHz。

三．常用开关量传感器
图22  限位开关外形图限位开关（触点开关、微动开关）
例：[/b]
欧姆龙ZC 55系列限位开关：
• 1,000万次以上的高寿命；
• 内置封装开关，实现高重复精度；
• 和一般的限位开关相比，动作力(OF)较小。
• EN(TUV)、UL、CSA、CCC的安全规格。

图23  光电开关外形图
光电开关
光电开关用途：转速检测，位置检测；
运动平台上的零点开关。
其特点是：
l        可靠性高
l        响应速度快
l        定位准确
l        价格便宜
例：[/b][/b]
RG150-8是单光束红外光电传感器，由原装进口高发射功率的砷化镓（砷铝镓）红外发射管和高灵敏度的光敏晶体管组成。槽宽5 mm，光缝0.8 mm。

霍尔开关
开关型霍尔传感器（简称霍尔开关）是一种新型的集成电路无触点开关，其外形尺寸和内部结构如图25所示。其中A是恒压源；B是霍尔电势发生器(霍尔片)；C是差分放大器；D是施密特触发器；E是集电极开路（OC门）输出。图中1、2、3表示霍尔开关的三个引出端，分别为电源U+，接地GND和输出OUT。

其工作原理为：在(1)、(2)端输入电压Uc，经稳压器稳压后加在霍尔片的两端。由霍尔效应原理知：当霍尔片处在磁场中时，霍尔电势发生器就会有一个霍尔电压UH输出，该UH经放大器放大后，送至施密特触发器整形，当施加的磁场达到该器件的工作点时，施密特电路翻转，使OC门开关。

用途：转速检测，位置检测；运动平台的零点开关。
特点：
l        结构简单，塑料外壳，体积小，
l        需要一个小磁铁配合使用；
l        开关型元件，集电极开路输出；
l        无触点，寿命长；
l        开关速度快，工作频带宽（DC～100KHz）；
例：[/b][/b]
44E开关型霍尔集成元件主要参数：
型号
电源电压
Vcc（V）
开关动作磁场
B（mT）
内部电流
Icc（mA）
输出电流
Iout（mA）
输出形式
工作温区
44E
4.5～24
～45
9
≤20
单OC门
－40～＋85

气缸用磁性开关
作用：检测气缸活塞是否运动到位。
一般执行关键动作的气缸都要安装磁性开关，以便于软件进行位置检测。
特点：重复精度高、有LED指示灯

电感式、电容式接近开关
特点：
•          外形： F 3～M30 mm
•          电感式、电容式原理
•          工作距离：0.6～40 mm
•          可耐高温、高压
•          开关输出信号
作用：[/b][/b]
电感式接近开关多用于金属物体的检测、定位。
电容式接近开关多用于金属、木材、塑料、粉末、颗粒、食品、液体等物体的检测、定位。

漫反射式传感器
特点：
光源：红外线
工作距离：10mm～50mm
测量区域：100×100mm

光源：红光
工作距离：300mm～600mm
测量区域：200×200mm
作用：
非接触检测物体的位置。

反射式传感器
特点：
光源：脉冲式红光
工作距离：1500mm～2000mm
反射镜：F 84mm
作用：
远距离检测物体的位置。

对射式传感器
特点：
光源：脉冲式红光
工作距离：2000mm～20000mm
作用：
远距离检测物体的位置。

图32 光钎传感器应用图

四．位置检测元件
位置检测元件有：
光电编码器、光栅编码器；           （最常用）
感应同步器、磁栅编码器、容栅编码器；（20年前的产品）
电位器、旋转变压器；               （30年前的产品）
激光干涉仪、机器视觉系统。         （高精度、高成本）

增量式编码器：[/b][/b]
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲：A、B和Z；A、B两组脉冲相位差90度，以判断旋转方向，如图37所示。Z脉冲为每转只有一个，用于基准点定位

码盘转过一个刻线的角度，A信号就产生一个脉冲。如果码盘上有1000条线，则编码器输入轴转一周，A信号就有1000个脉冲。其测量角度的分辨率为360 / 1000 = 0.36度。
一般运动控制卡将A、B信号的上升沿、下降沿的信息都利用起来，即编码器输入轴转一圈，可记录到4000个信号。使编码器的分辨率提高了4倍，分辨率为0.09度。此技术称之为四分频技术。

增量式编码器特点：
l        构造简单，
l        机械寿命长，
l        抗干扰能力强，可靠性高；
l        缺点是无法输出轴转动角的绝对位置。

例：[/b]欧姆龙E6J增量式旋转编码器的主要参数：

绝对式编码器：[/b][/b]
绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。如图39所示为一个10位的绝对式编码器码盘。

光栅尺
栅式测量系统有感应同步器、光栅、磁栅、容栅和球栅。由于光栅测量系统的综合技术性能优越，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，在栅式测量系统中的占有率已超过80%。
[/b]
光栅尺的作用[/b]：控制系统的反馈元件，用于位置、角度测量。
光栅尺基本结构：[/b][/b]

光栅尺原理：[/b][/b]
光栅尺是在玻璃上刻出的一道道条纹，如图41所示。
光栅的栅距w：  w ＝a＋b；a为刻线宽度，b为缝隙宽度。
标尺光栅和指示光栅的栅线保持固定的微小夹角q，光栅面保持合适的微小间距，这样当与被测物体连接的标尺光栅与处于固定位置的指示光栅发生相对位移运动时，在两片光栅的重合面区域将产生垂直的明暗相间的干涉莫尔条纹，如图42所示。

当光栅尺移动时，莫尔条纹会上下移动。光栅尺移动一个栅距w，莫尔条纹就移动一个间距B，固定点的光强则变化一个周期，光电元件输出的电压信号为一个周期的正弦信号，如图43所示。对正弦信号进行细分处理，可以得到比栅距更小的分辨率。

使用莫尔条纹的优点：[/b][/b]
莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除周期误差的影响；
莫尔条纹的间距B » W / q，因为q很小，所以，莫尔条纹把栅距放大了1 / q倍，提高了测量的灵敏度。

编码器的数字输出信号：[/b][/b]
A信号的脉冲数，对应于光栅尺移动的距离；一个脉冲，对应于一个最小分辨率的距离；B信号辅助确定运动方向；原理与图37一样。

例：RENISHAW光栅尺
特点：
w          非接触反射式光栅尺；
w          光栅尺粘贴方便，长度没限制；
w          栅距为20mm，分辨率可达10nm，重复精度为0.1mm；
w          最小分辨率：是以A、B信号的上升沿信号、下降沿信号计数。
w          线性误差：任意60mm内：±0.75mm；任意1000mm内：±3mm；
w          最高速度可达15m/s；
w          读头与标尺之间的公差要求比传统光栅宽松；
w          外型小巧，安装方便；
w          抗灰尘、抗划痕；
w          输出信号的形式有:数字信号、模拟电压信号、模拟电流信号。

编码器、光栅尺选型原则
w          闭环控制系统中的编码器、光栅尺的分辨率要高于控制系统设计精度的10倍；
w          控制系统的运动速度要小于编码器、光栅尺的允许的最大运动速度；
w          运动控制卡的读数据的速度要和编码器、光栅尺相匹配；
w          输出信号的类型、读头大小、线长等。

运动控制卡输入/输出端口(一)

zcdelphi7@126.com(zcjohnson) — Sun, 30 Nov 2008 09:04:33 +0800

一．控制卡输出信号的输出与隔离
控制卡为数字电路，其上的芯片多为5V直流电源供电，与TTL电平兼容。而自动化系统中大多数输入/输出元件如：继电器、指示灯、电磁阀、触摸屏、传感器等，多为24V直流电源供电，以满足其驱动功率的需要。
控制卡的输出端口的作用就是要在5V与24V两种电源电路之间搭建一个桥梁，完成信号放大、隔离外部干扰的功能。

TTL电平（Transistor-Transistor Logic晶体管-晶体管逻辑电平）信号表示二进制的方法：
高电平：+2.4～5 V 为逻辑"1"，
低电平：0～+0.4 V 为逻辑"0"。
集电极开路输出
这种输出方式通过控制卡上的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V（接地），把集电极作为输出端，其主要作用是放大控制信号，驱动外部电器。输出电路如图1所示。
晶体管工作在开关状态：
输出为低电平时，Vout＝0，晶体管处于截止状态： iR＝ 0；
输出为高电平时，Vout>Uon，晶体管处于饱和状态： iR ＝ ( Vcc－0.1~0.3 V) / RL；
注意：[/b]外部24V电源和三极管必须共地。

集电极开路输出端口应用实例：[/b][/b]
1、控制发光二极管（LED）
用运动控制卡数字输出端口控制发光二极管时，需要在LED前接一个限流电阻，限制LED的电流在10mA左右。若外部电源电压为24V，则电阻值大概在2kΩ左右。参见图2。

2、控制灯丝型指示灯
运动控制卡控制灯丝型指示灯时，需要接预热电阻，电阻值的大小，以电阻接上后，输出口无输出时，灯不亮为原则。如图3所示。

3、控制继电器
继电器为感性负载，当继电器突然关断时，其电感会产生一个很大的反向电压，有可能击穿2803，所以在继电器外必须并联一个续流二极管，以保护输出端口。参见图4。

差分信号输出
控制卡在处理高速脉冲信号时，通常采用RS-422标准的差分输入输出方式，其目的提高信号的抗干扰能力。

RS-422[/b]标准：[/b][/b]
1977年EIA（电子工业协会）为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，制定了RS-422标准：RS-422定义了一种平衡通信接口，传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到1200m（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。
RS-422与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图5。

通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～-6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C；还有一“使能”端，在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。参见图6。

RS-422的优点：
l        由于输入端的差分放大作用，抵消了干扰噪声，提高抗干扰能力；
l        采用这种接法，两条信号线形成回路，与信号地无关，这样避免了电平偏移；
l        双端平衡驱动器的输出端比单端不平衡驱动对电压信号放大了一倍。
运动控制卡高速脉冲的输出：[/b][/b]
屏蔽线
驱动IC
相当于AM26LS31

上位脉冲发生器
两端接地
接到连接器外壳上
伺服放大器
运动控制卡
脉冲信号
方向信号
伺服电机驱动器运动控制卡的脉冲信号、方向信号为高速脉冲信号，一般的运动控制卡都采用26LS31芯片作其输出驱动电路。参见图7。

光电隔离
光电隔离原理：[/b][/b]
光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光二极管作发光源，输出端配置光敏三极管作受光器，工作时以光作为媒介来传递信息，因而输入和输出在电气上是完全隔离的，如图8所示，故外部干扰信号也被隔离了。

光电耦合器件具有以下特点：
l        体积小，重量轻，使用方便，性能稳定；
l        不受磁场影响，不需磁屏蔽，抗干扰能力强；
l        无触点，寿命长，响应速度快，可以传输高达10MHz的脉冲信号；
l        隔离电压等级高，输入和输出两端之间绝缘电压可达万伏以上。

光耦元件：[/b][/b]

运动控制卡输出端口光电隔离方法：[/b]见图10

继电器隔离
常用继电器：
1．电磁继电器：它包括直流电磁继电器、交流电磁继电器。
直流电磁继电器：输入电路中的控制电流为直流电。
交流电磁继电器：输入电路中的控制电流为交流电。
2．固态继电器：输入、输出功能由电子元件完成，而无机械运动部件。

按触点负载分类：
微功率继电器：小于0.2A的继电器
弱功率继电器：0.2～2A的继电器
中功率继电器：2～10A的继电器
大功率继电器：10A以上继电器

电磁继电器原理：
继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系。因此，可以利用继电器的线圈接受电气信号，而用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接联系，实现了抗干扰隔离。

如图11所示，当输入高电平时，晶体三极管T饱和导通，继电器J吸合；当A点为低电平时，T截止，继电器J则释放，完成了信号的传递过程。D是保护二极管。当T由导通变为截止时，继电器线圈两端产生很高的反电势，以继续维持电流IL。由于该反电势一般很高，容易造成T的击穿。加入二极管D后，为反电势提供了放电回路，从而保护了三极管T。
继电器结构参见图12。

以欧姆龙MYJ系列继电器为例，其性能如下：

固态继电器是一种无触点电子开关。它具有四个端子，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控制端。当在输入端施加控制信号后，即可控制输出端电路中负载的通断。参见图15。

由于使用了光电耦合器，因此输入与输出之间实现了完全的电气隔离。整个器件无可动部件及触点，所以它较之电磁继电器有可靠性高、寿命长，开关速度快，使用方便等优点。

某微型固态继电器参数表：
输入参数
输出参数
冷却条件
工作电流安全系数
控制电压
关闭电压
控制电流
启动电流
工作指示
工作电压
工作电流
绝缘电压
保护
自然风冷
阻性负载
感性负载
过压
过流
3-12
VDC
1.5
VDC
5mA
可选
220VAC 380VAC
1-3A
≥2500VAC
RC MOV
快熔丝
60%
40%
[url=http://www.shinian10.com/blogpost.asp][/url]

超声波流量计原理

zcdelphi7@126.com(zcjohnson) — Sun, 30 Nov 2008 07:15:04 +0800

摘要：本文阐述了超声波流量计常用的时差法、多普勒法的测流原理，以及超声波流量计的分类。通过实际测流应用并与流速仪所测的流量结果做了对比分析，得出超声波流量计无论在测流准确度还是在测流精度上都比其它的测流设备高，而且具有其它测流设备所不具备的实时在线和数据远传的优越性能。
关键词：超声波流量计；时差法；多普勒；测流
1引言
近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的首选工具。
2超声波流量计的测量原理
超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。
2.1时差法测量原理
时差法测量流体流量的原理如图1所示。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。

图1超声波流量计测流原理图设静止流体中声速为c，流体流动速度为v，把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成θ角，换能器的距离为L。从P1到P2顺流发射时，声波传播时间t1为：

从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间t2为：

一般c>>v，则时差为：

单声道测试系统只适用于小型渠道水位和流速变化不大的场合。大型渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化也较大，须采用多声道超声波测流才能获得准确的流量值，见图2。应用公式(5)、(6)可测得流量Q。

以上各式中：d为垂直于水流方向上两换能器之间水平投影的距离，为声道数，S为两声道之间的过水断面面积。

图2多声道超声波流量计测流原理图2.2多普勒法测量原理
多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量，如图3。

图3多普勒超声波流量计测流原理图当随流体以速度v运动的颗粒流向声波发生器时，颗粒接收到的声波频率f1为：

因此，声波接收器和发生器间的多普勒频移Δf为：

以上各式中：θ为声波方向与流体流速v之间的夹角，f0为声源的初始声波频率，c为声源在介质中的传播速度。若c>>vcosθ则

式(11)、 (12)是按单个颗粒考虑时，测得的流体流速和流量。但对于实际含有大量粒群的水流，则应对所有频移信号进行统计处理。超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，见图4。换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加，即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。
平均多普勒频移Δ-f可以表示为：

式中Δ-f——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；
ΣNi——产生多普勒频移Δfi的粒子数；
Δfi——任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。
由上可知，该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度，因此要求信息窗应位于管渠内接近平均流速的部位，才能使其测量值反映管渠内流体的平均流速。

图4多普勒信息窗示意图3超声波流量计的分类
3.1根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计
单声道超声波流量计是在被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道，应用比较多的换能器是外夹式和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。多声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠。
3.2根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计
管道流量计一般是指用于有压管道的流量计，其中也包括有压的各种形状断面的涵洞，这种流量计一般是通过一个或多个声道测量流体中的流速，然后求得流量。用于管渠的超声波流量计除了要具有测流速的换能器以外，还需要有测水位的换能器，根据测得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量计一般含有多个测速换能器(由声道数决定)和一个测水位换能器。多数河流超声波流量计仅测流速和水位，而河流的过水流量由用户根据河床断面进行计算。
4应用研究
结合国家大型灌区信息化建设的研究内容，作者在昌乐县高崖水库灌区的北干渠上布设了4处监测站：其中徐家庙监测站渠底宽7.0m，水深1.0～2.0m，采用5声道明渠超声波流量计监测，见图5。山秦监测站将一段明渠改造为有压管道输水，管径是1.4m，采用单声道管道超声波流量计监测，见图6。在日照水库灌区总干渠上布设了6个测站，其中石咀监测站渠宽4m，水深1.5～2m，采用了多普勒超声波流量计进行监测，见图7。

图7石咀测站多普勒超声波流量计示意图各测站采用高精度流速仪对所测的瞬时流量进行对比分析。通过比较和个别参数修订，各测站测出的瞬时流量稳定可靠，与流速仪测出的数据有很高的一致性。
5结束语
超声波测流技术以其测量精度高、实时性好的特点越来越得到重视。但因其价格高、专业性强、维护管理要求高使其应用推广较慢。随着国家对水利投入的加大和节水型社会的建设，该技术设备将很快成为主要测流手段而得到广泛的应用。
参考文献
〔1〕马树升.灌区水情无线数传实时监控的内容与方法〔J〕.山东农业大学学报,2003,(1):63-65
〔2〕杨丰,杨俊清.多普勒法测流技术简介〔J〕.水文,2004,(2):58-59
〔3〕廖志敏,熊珊.超声波流量计的研究和应用〔J〕.管道计术与设备,2004,(4):12-14
〔4〕雷艳,范秀华.梯形渠道多声道超声波测流数学模型及计算方法〔J〕.武汉水利水电大学学报,1997,(1):11-16

压力检测的基本方法

zcdelphi7@126.com(zcjohnson) — Sun, 23 Nov 2008 18:26:57 +0800

根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：
(1) 重力平衡方法
这种方法利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。例如液柱式压力计和活塞式压力计。
(2) 弹性力平衡方法
利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理，将压力转换成位移，通过测量弹性元件位移变形的大小测出被测压力。此类压力计有多种类型，可以测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。
(3) 机械力平衡方法
这种方法是将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力测知被测压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。
(4) 物性测量方法
利用敏感元件在压力的作用下，其某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力直接转换为各种电量来测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。

压电式压力传感器

zcdelphi7@126.com(zcjohnson) — Sun, 23 Nov 2008 18:26:01 +0800

某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。
压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：
Q=kSp
式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。
图1为一种压电式压力传感器的结构示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。
除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。

图1 压电式压力传感器结构示意图
更换压电元件可以改变压力的测量范围；在配用电荷放大器时，可以用将多个压电元件并联的方式提高传感器的灵敏度；在配用电压放大器时，可以用将多个压电元件串联的方式提高传感器的灵敏度。
压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠；测量范围宽，可测100MPa以下的压力；测量精度较高；频率响应高，可达30kHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。

基于CAN总线的高精度图像位移传感器的设计

zcdelphi7@126.com(zcjohnson) — Sun, 23 Nov 2008 18:24:47 +0800

摘要：介绍了一种非接触测量物体位移的传感器；并对其中图像变换、A/D转换、后期数据处理和现场总线技术这几项关键步骤进行了阐述；经验证，该本方案具有稳定、可靠、精度高以及性价比高的特点。
关键词： 图像变换；A/D转换；图像处理；CAN总线
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在一些自动控制场合，常常遇到需要实时、准确的测量一些缺口、间隙的宽度，以进行闭环自动控制。但是，通用的图像处理方案存在着方法复杂、成本高、处理数据量大的缺点，现在根据工业现场的特殊需要，找到了一种稳定、可靠、精度高、成本低的解决方案。
系统的结构及工作原理
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图1给出了测试系统的原理框图。

a.图像采集

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目前，各种成像系统一般采用的是CCD图像传感器技术，它具有读取噪声低、动态范围大、响应灵敏度高等优点，然而以CCD技术为基础的图像传感器具有体积大、功耗高等缺点，难以实现单片一体化。随着CMOS工艺技术的发展，CMOS图像传感器的高度集成化减小了系统的复杂性，降低了制造成本，对获得的图像信息读出和处理变得简单而快捷，同时具有体积小、重量轻、功耗低和成本低等优点。
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采用CMOS图像传感器开发出来的微型摄像头可以输出PAL制黑白图像全电视信号，作为计算机采集系统的输入部件。微型摄像头最突出的优点是对人眼不可见的红外光特别敏感，光谱敏感范围在近红外光波段比对可见光的灵敏度高出5～6倍。在要求不间断监测的场合，有必要在摄像头周围配以适当的红外照明光源，这样系统具有非常好的环境适应能力。
一个完整的图像采集装置(见图2)一般由摄像头(1)和红外光源(2)组成，摄像头(1)装于支架(3)的壳体(4)内，壳体(4)的前端盖(5)有孔(6)与摄像头(1)的镜头(7)配合，端盖(5)沿孔(6)周围装有若干红外光源(2)，摄像头(1)有输出端口，用于连接后续的计算机图像处理装置。红外光源(2)装于端盖(5)的孔(8)内，镜头(7)距端面距离H为6～10mm。安装支架(3)为探头提供了方便准确的现场装配结构。一般来讲，工业现场的缺口环境很差，直接测量缺口的状态是比较难的，对于测量范围只有几个毫米的缺口区域，形成的图像必然模糊不清，在这种情况下采用的方法是在缺口旁边的表示杆侧面贴上一块标尺，在标尺的前面固定安装本套采集装置，就可以得到反映缺口状态的图像信号。
b. 非接触位移检测

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在该方案中我们采用的是微型黑白CMOS摄像头。摄像头输出的是标准信号，每秒30帧图像，每帧图像有350行。
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若镜头的视场宽度有45mm，为了保证0.2mm的测量精度，即每行250个点(0.4％的分辨率)，为了准确判定间隙的边界，每行采样500个点，则采样频率为：
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f＝30×350×500＝5.25(MHz)

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还有很多类似的方案，它们的共同特点都是前端ADC采样，后端用高速、高性能CPU进行处理，对ADC和CPU的速度要求很高。
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对于非接触检测物体位移的项目中，实际需要测量的是间隙信号的宽度。将视频信号处理，分离出帧同步、行同步信号和行图像信号。让间隙的行图像信号与高频时钟脉冲相与，就得到一个合成信号。合成信号所包含的高频时钟信号脉冲数与间隙的宽度成正比，进而可以通过计算高频信号周期个数来测量间隙的宽度。其原理如图4所示。将间隙的图像模拟信号与高频周期信号相与，通过计算合成信号中的高频信号周期个数来测量间隙宽度。后端用MCU进行数据处理。
为了解决高频振荡信号的温度漂移问题，按照振荡时钟信号和温度之间固有的函数关系，来对数据进行补偿。
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现场总线是传感器发展的趋势，CAN总线具有发送速率高、数据效率高、实时性高的特点。我们用MCP2510实现了传感器通过CAN总线通信。
系统软件流程图
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见图5和图6。

图五

图六
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在某工程检测装置中，用这一传感器实现标尺的间隙位移的非接触测量。经现场测试，传感器的非接触测量范围为0～45mm，最大误差小于0.2mm，响应时间小于70ms，而传感器的成本只需几百元。

位移传感器

zcdelphi7@126.com(zcjohnson) — Sun, 23 Nov 2008 18:22:44 +0800

机械位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何量的一种传感器。根据传感器的信号输出形式，可以分为模拟和数字式两大类，参见图1所示。机械位移传感器根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角度位移传感器。

机械位移传感器是应用最多的传感器之一，它在机械制造工业和其它工业的自动检测技术中占有很重要的地位，在很多领域也得到了广泛的应用。
第一节电位器式传感器
电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。电位器的种类繁多，本节就工业传感器用的电位器予以介绍。
(1).线绕电位器式传感器
线绕电位器的电阻体由电阻丝缠绕在绝缘物上构成，电阻丝的种类很多，电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择的。电阻丝越细，在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细，在使用过程中容易断开，影响传感器的寿命。
(2).非线绕电位器式传感器
为了克服线绕电位器存在的缺点，人们在电阻的材料及制造工艺上下了很多工夫，发展了各种非线绕电位器。
[1] 合成膜电位器
合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而成的，这种电位器的优点是分辨率较高、阻范围很宽（100—4.7MΩ），耐磨性较好、工艺简单、成本低、输入—输出信号的线性度较好等，其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。
[2] 金属膜电位器
金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，沉积在瓷基体上一层薄膜制成。
金属膜电位器具有无限的分辨率，接触电阻很小，耐热性好，它的满负荷温度可达70℃。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在10—100kΩ之间。由于这些缺点限制了它的使用。
[3] 导电塑料电位器
导电塑料电位器又称为有机实心电位器，这种电位器的电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。导电塑料电位器的耐磨性好，使用寿命长，允许电刷接触压力很大，因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率教高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受温度和湿度的影响，故精度不易做得很高。
[4] 导电玻璃釉电位器
导电玻璃釉电位器又称为金属陶瓷电位器，它是以合金、金属化合物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉为粘合剂，经混合烧结在玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电位器的耐高温性好，耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻温度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大，噪声大，不易保证测量的高精度。
(3).光电电位器式传感器
光电电位器是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷，图1是这种电位器的结构图。光电电位器主要是由电阻体、光电导层和导电电极组成。光电电位器的制作过程是先在基体上沉积一层硫化镉或硒化镉的光电导层，然后在光电导层上再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻体和导电电极之间留有一个窄的间隙。平时无光照时，电阻体和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输出。

光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。

第二节电容式传感器

以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量。
(1).变极距式电容传感器
图2是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。
变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达，即

式中：ε——真空介电常数（8.85×10-12F/m）
A——极板面积（m2）
do——极板间距初始距离（m）
传感器的这种变化关系呈非线性，如图3所示。
当极板初始距离由do减少⊿d时，则电容量相应增加⊿C，即

电容相对变化量⊿C/Co为

由于

，在实际使用时常采用近似线性处理，即

此时产生的相对非线性误差γo为

这种处理的结果，使得传感器的相对非线性误差增大，如图4所式。

为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的结构，如图5所示。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则C1=C2=Co，如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化，为

传感器的相对非线性误差γo为

不难看出，变极距式电容传感器改成差动之后，不但非线性误差大大减小，而且灵敏度也提高了一倍。
(2).变面积式电容传感器
图6是变面积式电容传感器结构示意图，它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为
Co=⊿A/d
当动极板绕轴转动一个α角时，两极板的对应面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。

电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。

DSP程序开发--MATLAB 调试及直接目标代码生成电子书下载

zcdelphi7@126.com(zcjohnson) — Tue, 14 Oct 2008 08:20:03 +0800

第1章 MATLAB与DSP软件设计方法综述
1.1 DSP程序开发过程的演变
1.1.1 DSP技术综述
1.1.2 DSP设计过程
1.1.3 DSP软件设计方法的变革
1.1.4 MATLAB–DSP集成设计环境下的工具包
1.2 MATLAB辅助下的DSP软件设计
1.2.1 MATLAB模拟浮点DSP
1.2.2 了解定点DSP数据格式
1.2.3 MATLAB精确模拟定点DSP运算
1.2.4 MATLAB功能模拟定点DSP运算
1.2.5 常用的MATLAB工具及函数
1.3 MATLAB下的DSP集成设计环境
思考题
第2章高性能通用DSP内部功能结构及源代码开发
2.1 TMS320C5000 DSP的内部功能结构及源代码开发
2.1.1 TMS320C5000 DSP的功能和结构特点
2.1.2 CPU核
2.1.3 存储器组织
2.1.4 中断
2.1.5 片内外设资源
2.1.6 TMS320C5000 DSP的汇编指令
2.1.7 TMS320C5000 DSP的C/C++语言编程
2.2 TMS320C6000 DSP的内部功能结构及源代码开发
2.2.1 TMS320C6000 DSP的功能和结构特点
2.2.2 CPU核
2.2.3 存储器组织
2.2.4 中断
2.2.5 片内外设资源
2.2.6 TMS320C6000 DSP的汇编指令
2.2.7 TMS320C6000 DSP的C/C++语言编程
2.3 ADSP2106x DSP的内部功能结构及源代码开发
2.3.1 ADSP2106x DSP的功能和结构特点
2.3.2 CPU核
2.3.3 存储器组织
2.3.4 中断
2.3.5 片内外设资源
2.3.6 ADSP2106x DSP的汇编指令
2.3.7 ADSP21x6x DSP的C/C++语言编程
2.4 ADSP2116x DSP的内部功能结构及源代码开发
2.4.1 ADSP2116x DSP的功能和结构特点
2.4.2 CPU核
2.4.3 存储器组织
2.4.4 中断
2.4.5 片内外设资源
2.4.6 ADSP2116x DSP的汇编指令
思考题
第3章 TMS320C5000/C6000 DSP集成开发环境CCS IDE
3.1 TI CCS概述
3.1.1 CCS的特点及功能概述
3.1.2 CCS支持的调试器
3.1.3 CCS的配置与启动
3.2 代码产生工具
3.2.1 代码产生过程及工具
3.2.2 编译、链接(Build)选项设置
3.2.3 代码产生过程演示例子
3.3 代码调试工具
3.3.1 CCS 提供的调试工具
3.3.2 代码调试演示例子
3.4 代码实时性分析调试工具
……
第4章 SHARC DSP集成开发环境VisualDSP++
第5章 MATLAB与TI CCS的接口
第6章由Simulink模型生成TI C6000 DSP的目标代码
第7章直接由Simulink模型生成SHARC DSP的目标代码
参考文献

引用内容

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