《传感器与测控电路课程实习》最后题目.docx

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《传感器与测控电路课程实习》最后题目

传感器及测控电路课程指导书

由于传感器的测量对象不同，应用控制的目的不同，测控电路可采用不同的结构形式和不同的工作原理，所以它们的设计原则、设计方法、以及电路的调试方法也有所不同。

基于传感器的测量与控制电路的设计不可能有统一的方法和统一的设计步骤，但作为设计指南，下面给出电路设计的的一般原则、分析计算步骤。

一般来说，无论作何传感器测控电路的设计都必须完成以下设计内容。

1．设计任务书及题目给出的已知参数

设计任务书一般有：

（1）被测量和需要转换的参数（被测非电量）的种类和类型。

（2）被测量的变化范围（满量程输出值）。

（3）测量精度。

（4）灵敏度。

（5）零位误差。

（6）动态频率范围。

（7）电源电压。

（8）工作条件：

①环境条件：

温度、湿度、大气压等。

②特殊条件：

高压、电磁场、干扰等。

2．基于传感器的测控电路设计一般内容及步骤

传感器测控电路设计的一般步骤如下：

2．1设计方案的选择

根据设计任务给定的被测参数（被测量）的种类及类型及精度要求和使用条件等因素，选择完成此设计任务的传感器的种类并组成框图，如图1－l所示。

图1－1设计传感器测控电路组成框图

需要确定以下环节的种类及类型：

（1）了解敏感元件的种类及类型；传感（转换）元件的种类及类型；

（2）测量、控制电路的种类及类型及其要求；

（3）测控电路、主电路电源的种类及类型；

（4）辅助电源的种类及类型。

以上几个环节，每种电路设计时不一定全用，可根据任务确定所需要的组成环节。

2．2传感器工作原理的分析、参数的计算与选择、传感器误差分析

1、传感器工作原理的分析

根据测量的传感器性质，利用相关理论或数据推导或拟合出所设计传感器的数学模型。

（1）对于拟合的数学模型可采用如下方法：

①采用数学归纳法找出实验数据的数学规律并用已知函数表示数学模型。

②将实验数据绘成光滑曲线与已知函数的曲线相对比，找出误差最小的已知曲线并用该已知曲线的函数作所求传感器的数学模型，该方法称经验模型法。

③采用高次多项式作所设计传感器的数学模型的方法。

设：

设计传感器的数学模型为

（1－1）

再用判别法则（参见式（1－1）~式（1－6））确定多项式的方次数，并要注意使用时次数和系数对曲线的影响。

（2）利用相关理论推导数学模型的方法：

将传感器的结构原理图，简化成物理模型（或力学模型），根据物理（力学）模型应用相关理论建立数学模型的方法（见磁电式传感器建立数学模型的方法）。

2、传感器参数的计算与选择

根据所建立的数学模型，设计、计算数学模型中的结构系数及相关系数。

（1）对于用实验数据拟合的数学模型式（1-1）中的结构系数

的确定，可采用最小二乘法求得其值的大小。

（2）对于通过相关理论建立的数学模型，一般情况下都是动态数学模型，且通常为二阶系统模型，即

（1-2）

式中：

为结构系数。

其求法是，先求式（3-2）的传递函数：

（1-3）

式中

——固有频率，

——阻尼比，

再求出频率传递函数：

（1-4）

式（3-4）的幅值比为

（1-5）

由题目给定的线性度±△%F·S，则式（3-5）应满足∣y/x∣≤±△%F·S则有

（1-6）

因此当

时，求得

（数值）

因此当

时，求得

（数值）

通常有A>B，理论分析可知：

当ω/ω0≥3，且ξ=0.6~0.7时，y≈x，取A，B中大于3的那个值，如取A，则有ω/ω0=A，因ω为输入x的变化角频率是已知的，故求得

ω0=ω/A（1-7）

再由

及

，求得结构系数

各值。

3、传感器误差分析

根据以上求得的数学模型，将其进行线性化处理得到线性数学模型，再进行下面的误差分析：

（1）非线性误差（线性度）

（2）零位误差

（3）静态误差

（4）动态误差

（5）综合静态误差

（6）温度误差

以上误差的计算按教材中定义或计算公式进行。

2．3基于传感器测控电路的结构设计

根据以上误差分析的结果，来确定所设计的测控电路是否需要采用差动式、补偿式或闭环式等结构形式，或采用电路补偿或软件处理等方式来消除误差因素的影响，最后确定所设计测控电路的结构形式。

在结构设计中还要通过结构的稳定性（主要是温度的影响）的分析设计，求得结构中各组成元件满足温度补偿条件的各种材料的温度系数值，按计算出的温度系数各值，来确定结构中各组成元件的材料种类。

2．4绘制基于传感器测控电路的电气原理图

根据最后所确定的组成结构框图，绘出传感器测控电路电气原理图。

2．5基于传感器测控电路的的安装与调试

根据最后所绘出基于传感器测控电路电气原理图，安装调试电路。

2．6撰写基于传感器测控电路的设计论文

设计论文撰写的内容应包括：

（1）传感器的技术性能、主要指标及使用条件；

（2）最后测控电路组成的原理框图；

（3）测控电路工作原理及电路参数计算；

（4）分析误差及误差影响因素；

（5）电路安装、调试步骤、方法，电路安装、调试过程中遇到的问题及解决的方法。

（6）技术展望（存在的问题及需进一步改进之处）；

（7）收获、体会、设计总结

（8）测控电路元器件清单，电路调试过程中使用仪器仪表清单。

2．7提交图纸

绘制电气原理图一份，并提交审查。

2．8设计所用参考资料目录

按所用参考资料的顺序列出。

题一、基于湿度传感器的测量电路设计

测量湿度的电路：

应用IH3605型温度传感器与集成运放设计测量湿度的电路，测量相对湿度（RH）的范围为0%~l00%，电路输出电压为0~10v。

要求测量电路具有调零功能和温度补偿功能。

使用环境温度为0℃~85℃。

电路图如图1所示。

图1IH-3605测量湿度的电路

①IH-3605型湿度传感器的主要参数。

IH-3605型湿度传感器测量湿度的范围为0%~100%（RH），电源电压为5V，工作电流为200mA。

25℃时对应0%~100%（RH）的输出电压为0.8~4.02V，环境温度为-40℃~+85℃。

在25℃时，非线性误差为±0.5%（RH）。

传感器输出电压与温度的关系为

UL=Us／（1.0546-0.00216t）

式中UL为输出电压理论值；Us为输出电压实际值：

t为环境温度（℃）。

当85℃、100%（RH）时，Us=4.02（1.0546－0.0216×85）=3.50V。

②选择VS、Rl、ICl、R2、RP1确定电源电压。

因输出电压Uo=10V，电源电压取15V。

由ICl、R2、RP1组成调零电路。

由VS、R1组成传感器电源（5V），给传感器和调零电路供电。

VS选用MTZJ5IB型稳压二极管，Uz=5.IV，Iz=5mA，则

R1=（Ucc－Uz）/Iz=（15－5.1）／（5×10－3）=l.98kΩ

取系列值2kΩ。

ICl选用LM385型基准电压源，基准电压Uref=l.235V，工作电流为10μA~20mA，取工作电流I=lmA，则

R2=（Uz－Uref）/I=（5.1—1.235）／（1×10－3）=3.865kΩ

取系列值3.9kΩ。

为使RPl支路耗电小，令通过其电流为0.2mA，则

RPl=1.235／（0.2×10－3）=6.175kΩ

取系列值6.8kΩ。

当相对湿度为0时，调节RPl，使Uo1=0V。

③选择IC2~IC5、R3~R6、RP2。

IC2~IC5选择7F324型四运放。

由IC2等组成差动放大器后有如下关系式，即

R3=R4．R5+（RP2/2）=R6，放大倍数KF2=[R5+（RP2/2）]／R3

今R3=R4=10.0kΩ，25℃、100%（RH）时，传感器输出电雎为4.02V，调零后，Ui=4.02－0.8=322V，Uo1应为10V。

R5+（RP2/2）=KF2×R3=（Uo1／Ui）R3=（10/3.22）×10.0=31.06kΩ，取R5=27kΩ，则

RP2=2（31.06－27）=8.12kΩ，取系列值8.2kΩ

R6=R5+（RP2/2）=31.06kΩ，取E192系列3l.2kΩ

④选择R11~R16、RP3、RP4、Rt。

a选择Rt、R11、R12、RP3。

由IC4、IC5及R11~R16、RP3、RP4、Rt组成温度补偿电路。

其中，R11、R12、RP3、Rt可组成温度补偿电桥。

Rt选择EL－700型铂金电阻温度传感器，RtRo（1+α2t）。

式中，α2=0.00375/℃，Ro=1000Ω，Rt的工作电流推荐值为lmA。

IC4为电压跟随器，8脚输出电压U8的最大值为10V，令R11=R12=10kΩ。

t=25℃时，Rt的值为R25，R25=1000（1+0.00375×25）=1093.75Ω。

取RP3=1.5kΩ，调节RP3，使Ra=R25=1093.75Ω，则Uo2=0V。

b计算有关参数。

KF2=[R5+（RP2/2）]/R3=[27+（8.2／2）]／10=3.11

t=85℃、RH=100%时，Rt的值为R85，即

R85=1000（1+0.00375×85）=1318.7Ω

U8=Uo1=KF2Ui=3.11×（3.50－0.8）=8.397V

Ui1=U8Ra／（R12+Ra）=8.397×1093.75／（10×10－3+1093.75）=0.8279V

Ui2=U8R85／（R11+R85）=8.397×1318.7／（10×10－3+1318.7）=0.9783V

Uo2为温度补偿电压。

当t=85℃、RH=100%时，Uo1=8.397V，要求电路输出10V，则补偿电压Uo2=10－8.397=1.603V。

由IC5组成差动放大器，其放大倍数为KF5，即

KF5=Uo2／（Ui2－Ui1）=1.603／（0.9783－0.8279）=10.66

取KF5=15。

c选择R13~R16、RP4。

由IC5组成差动放大器后有如下关系式，即

R13=R15，R14=R16，KF5=R14／R13

R14=KF5R13=15Rl3，取R13=R15=10kΩ，R14=15×10=150kΩ，R16=R14=150kΩ。

当t=85℃、RH=100%时，Uo2的实际值为

Uo2=KF5（Ui2－Ui1）=15（0.9783－0.8279）=2.256V

设通过RP4支路的电流为1mA，则

RP4=2.256／（1×10－3）=2.256kΩ，取系列值2.2kΩ

⑤选择R7、R8、R9、R10。

由IC3组成同相加法器。

令R7=R8=R9=R10=10kΩ，在85℃、100%的相对湿度时，调节RP2使Uo1=8.379V，调节RP4使Uo=10V。

题二、基于铂电阻传感器的测量电路设计

应用集成运放和WZB（BA2）型铂电阻设计测温电路，测温范围为0℃~500℃。

0℃时，WZB型铂电阻的阻值R0为100Ω。

要求测温电路具有温度补偿功能，测温误差≤±5%。

电路图同图3。

①选择Ui、IC1、IC2、IC3。

Ui为基准电压一般Ui=10V，电路图如图3（a）中的由IC1组成的电路。

图3测量电路

ICl、IC2、IC3选择7FOP07型集成运放，电源电压取±15V。

②选择Rl、R2、R4、R5。

a.选择R1。

取I<5mA，令I=3.7mA，则

R1=Ui／I=10（3.7×10－3）=2.703kΩ，取系列值2.7kΩ

b.选择R2、R4、R5。

因R1=2.7kΩ，取R2=R1=2.7kΩ。

IC2为反相器，取R4=R5=10kΩ。

③选择R3、RP1。

a.计算有关参数。

250℃时，铂电阻的实际阻值Rs为

Rs=R0（1+α0t－β0t2）=100（1+3.96847×10－3×250－5.847×10－7×2502）=195557Ω

250℃时，铂电阻的线性阻值Rx为

Rx=R0（1+α0t）=100（1+3.96847×10－3×250）=199.212Ω

250℃时，ICl输出电压的实际值U1s为

U1s=－UiRs／R1=－10×195.557／（2.7×103）=－0.7243V

250℃时，ICl线性化后的输出电压U1x为

U1x=－UiRx／R1=－10×199.212／（2.7×103）=－0.7378V

250℃时，补偿电压U1bc为

Ulbc=U1x－U1s=－0.7378－（－0.7243）=－0.0135V

因U1bc=－UfRs／R2，则反馈电压Uf=－U1bcR2／Rs=0.0135×2.7×103／195.557=0.1864V。

b选择R3、RP1。

因－Uf=（RPl／R2）U1x／（R3+RPl），故R3+RPl=[U1x／（－Uf）]（RPl／2），则

R3+RP1=（0.7378／0.1864）（RPl／2）=1.9791kΩ

R3=0.9791RPl，取RPl=10kΩ，则R3=0.9791×10=9.791kΩ，取系列值10kΩ。

④选择R6、RP2。

因UA=∣-UiR0／R1∣=∣-10×100／2.7×103∣=0.3704V，又因UA=Ui（RP2／2）／（R6+RP2），则

R6+RP2=（Ui／UA）（RP2／2）=（10／0.3704）（RP2／2）=13.5RP2，R6=12.5RP2取RP2=2.2kΩ，R6=12.5×2.2=27.5kΩ，取系列值27kΩ。

⑤选择R7、R8、R9、RP3。

R7、R8均为IC3反相求和输入电阻，取R7=R8=10kΩ。

500℃时，铂电阻的线性阻值R5x=R0（1+α0t）=100（1+3.96847×10－3×500）=298.42Ω。

500℃时，ICl的线性输出电压U1x=－UiR5x／R1=－10×298.42／（2.7×103）=－1.1053V。

500℃时，IC3的输出电压Uo应为5V，即

Uo=－{[R9+（RP3／2）]U1x／R7}－{[R9+（RP3／2）]UA／R8}

因R7=R8，则

Uo=－{[R9+（RP3／2）]／R8}（R1x+UA）

R9+（RP3／2）=－UoR8／（R1x+UA）=－5×10×103／（－1.1053+0.3704）=68.04kΩ

取R9=56kΩ，RP3=2（68.04－56）=24.08kΩ，取系列值27kΩ。

上面是理论计算，调试时尚需通过RP1，调整补偿电压以满足误差要求。

⑥验算

a．250℃。

补偿电压U1bc=－0.0135V，调节RP1取实际补偿电压为U1bc／2=－0.0135／2=－0.00675V。

线性化后，IC1的输出电压U1=U1s+U1bc=－0.7243+0.00675=－0.73105V。

IC3的输出电压Uo=－（Ul+UA）{[R9+（RP3／2）]／R7}

Uo=－（－0.73105+0.3704）{[56+（27／2）]／10}=2.507V

对应温度为250.7℃，相对误差γ=（250.7－250）／250=0.3%，调节RP3，可使相对误差为0。

求反馈电压比值d。

因U1bc／2=－UfRs／R2则

Uf=－（U1bc／2）R2／Rs=0.00675×2.7×103／195.557=0.0932V

d=∣Uf／U1x∣=0.0932／0.7378=0.1263

b．500℃。

反馈屯压Uf=－dU1x=0.1263×l.1053=0.1396V

补偿电压U1bc=－RsUf／R2=－100（1+3.96857×10－3×500－5.847×10－7×5002）×0.1396／（2.7×103）=－0.01467V

IC1的输出电压U1=U1s+U1bc=－1.0511－0.01467=－1.0658V

IC3的输出电压Uo=－（Ul+UA）{[R9+（RP3／2）]／R7}

Uo=－（－1.065+0.3704）{[56+（27／2）]／10}=4.8275V

对应温度为482.75℃，相对误差γ=（482.75－500）／500=－3.5%，满足设计要求（<±5%）。

c．100℃。

反馈电压Uf=－dU1x=－0.1263×0.5174=－0.06535V

补偿电压U1bc=－RsUf／R2=－100（1+3.96857×10－3×100－5.847×10－7×1002）×0.06535／（2.7×103）=－0.003367V

IC1的输出电压U1=U1s+U1bc=－0.5152－0.003367=－0.5186V

IC3的输出电压Uo=－（Ul+UA）{[R9+（RP3／2）]／R7}

Uo=－（－0.5186+0.3704）{[56+（27／2）]／10}=1.03V

对应温度为103℃，相对误差γ=（103－100）／100=3%，满足设计要求（<±5%）。

题三、基于K型热电偶带零点补偿和非线性校正功能的测温仪设计

1．高精度K型热电偶数字测温仪K型热电偶的电极材料是镍铬—镍硅，其精度等级为0.75级时，温度为0~1200℃，其测量温度误差为±0.75%。

经过本方法的线性化处理后，可将精度提高到±0.1%~±0.2%。

零点补偿、放大和非线性校正电路见图5。

由图可见，它由热电偶的零点补偿、放大和非线性校正两部分组成。

（1）零点补偿及放大电路该电路由美国模拟器件公司新近生产的K型热电偶专用集成芯片AD595组成。

热电偶或通过补偿导线插入CN插座的+IN和－IN即可。

由AD595完成零点补偿和放大任务，其输出与输入的关系为：

Vo=249.952Vi

式中，Vi是热电偶的输出热电动势。

此外，AD595还具有热电偶断偶报警功能。

热电偶断线时，由12脚输出报警信号，晶体管VT导通，发光二极管点燃。

（2）非线性校正电路热电偶的热电动势Vi与温度t不成线性关系，可用下式表示：

Vi=a0+a1t+a2t2+…+antn（5-1）

式中，a0为零点输出；a1为灵敏度；a2，a3，…，an为非线性项系数。

a0，a1，a2，a3，…，an可由最小二乘法或计算机程序求出。

K型热电偶的高阶多项式（5-1），经计算可用下式表示：

0~600℃

（5-2）

600~1200℃

（5-3）

非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式（5-2）和式（5-3）。

它可由平方器和加法器来完成。

由图5可见，AD538AD组成了乘除器，它有三个输入端子Vx、Vy和Vz，且能完成下列运算：

（5-4）

式中，m=0.2~5，可通过不同接线取得不同的m值。

AD538的B（3脚）和C（12脚）相连，则m=1。

由于Vy和Vz的输人为Va，15脚与4脚连接，AD538AD内部基准电压由4脚输出电压10V，故Vx=10V，因此式（5-4）为：

（5-5）

从而实现了平方运算。

温度在0~600℃范围时，由A1和A2实现式（5-2）的运算：

由A1和A2完成一次系数1.009534的运算，其中A1是反相输入的放大器，A2是反相输入的加法器。

A1的输出为Vo1：

调整多圈电位器RPl可使Vo1=－1.009534Va。

A2的一条支路R6与R3组成一个系数为（－1）的支路。

它将Vo1转换成Vo’=1.009534Va。

R6与R4组成Va的二次系数支路

R6与R5组成常系数－11.4的偏置电路，其输出为：

由叠加定理可得：

上式与式（5-2）大体相同。

若R4和R5用多圈电位器可调整到与式（5-2）完全相同。

温度在600~1200℃范围内用式（5-3）来线性校正。

该式的运算由A3和A4完成，其中A4是放大倍数为－1的反相放大器。

其分析方法与式（5-2）相同。

读者可自行分析。

0~600℃和600~1200℃的输出电压Vo分别为0~6V和6~12V，灵敏度为10mV／℃。

该电压可通过转换开关输入到A／D转换器和进行数字显示。

图5零点补偿、放大和非线性校正电路

题四、基于测温三极管传感器的温度控制电路设计

1．工作原理

Rl，R2，WX和BGl组成一个温度电桥，BGl由硅三极管接成二极管，制成温度传感器。

放大了的温度信号由ICl的6脚分别加至IC2-1组成的温度报警器和IC2—2组成的温度控制器上。

在温度控制器中，W6为温度控制点设置电位器。

在该装置中设置点为80℃，当温度高于80℃时，由运算放大器构成的比较器输出高电平，使晶体管BG3（C1815）导通，带动一次继电器J2（JQX-13F），则中问继电器J3断开，风机断电停止工作，其中D2作为工作状态指示器。

当温度低于80℃时，情况正好相反，使晶体管BG3（C1815）截止，一次继电器J2（JQX-13F）断电，中间继电器J3通电，风机开始工作。

W5为温度报警点设置电位器。

另外，ICl的输出可由微安表指示，W3和W4为表头校准电位器。

2．元器件选择与计算书

为避免测温晶体管本身通电产生的温度升高对测温的影响，电路设计时注意不要使通过

测温元件的电流超过1mA。

电桥平衡桥臂上流过的电流取0.5mA。

放大电路ICl选用集成电路741，IC2选用集成电路4558，IC3选用报警声集成电路。

BGl,BG2和BG3均选用C1815三极管。

指示器D2选用Ф5mm绿色发光二极管。

温度报警点设置的电位器W5选用10kΩ的。

其他元器件的选用无特殊要求。

3．制作与调试

除了电动喇叭、微安表和电位器外，所有元器件焊装在印制板上，然后装入塑料机壳中，机壳面板上留有适当位置用于焊装喇叭、微安表和电位器。

本电路焊装完毕，即可进行调试。

调试时，首先短接ICl的两输入端，调整W2使放大器输出为0V，指示表头应显示为

0℃。

置传感器头于冰槽中，调WX使其显示为0℃，再置传感器头于80℃的恒温缸中，调W1使显示为80℃，可用标准水银温度计校准。

其中WX和负载电位器W1应反复调节，为了调试方便，可先断开+20V电源使输出部分不工作。

题五、基于测温二极管传感器的温度测控电路设计

1．引言

温度是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关，也是仪器科学和各类工程设计中必

须精确测定的重要物理量。

随着科学技术的发展，使得测温技术迅速发展，测温范围不断拓

宽，测温精度不断提高，新的温度传感器不断出现，如光纤温度传感器、微波温度传感器、

超声波温度传感器等。

由于检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行

器、开关等的控制方式不同，所以相应的硬件和软件也就不同。

（1）温度与温标温度不能直接加以测量，只能利用冷热不同的物体之间的热交换，以

及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性进行间接测量。

为了定量描述温度的

高低，必须建立温度标尺，即温标。

它是温度的数值表示。

温度不仅是热学中主要热学量，

而且也是国际单位制（SI）中七个基本量之一。

国际温标规定热力学温度（T）单位为开[尔文]（K），1K等于水三相点热力学温度的1/273．16。

而习惯上把水的冰点定为0℃，它比

水三相点低0．01℃，所以摄氏度（t）与热力学温度（71）的关系为

t=T-273.15

（2）温度测量的主要方法和分类温度传感器由现场的感温元件和控制室的显示装置

两部分组成。

温度测量方法按感温元件是否与被测介质接触分成接触式测温和非接触式测温

两大类。

接触式测温是使测温敏感元件和被测介质接触，当被测介质与感温元件达到热平衡

时，感温元件与被测介质的温度相等。

这类温度传感器