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测试作业

新型温湿度传感器SHT10的原理

机电工程学院

机自0701

温湿度传感器原理新型温湿度传感器SHT10的原理

SHTxx单片数字温湿度集成传感器。

采用CMOS过程微加工专利技术（CMOSenstechnology），确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。

该传感器由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，并与1个14位A／D转换器以及1个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。

　　1SHTl0的特点

　　SHTlO的主要特点如下：

　　◆相对湿度和温度的测量兼有露点输出；

　　◆全部校准，数字输出；

　　◆接口简单（2-wire），响应速度快；

　　◆超低功耗，自动休眠；

　　◆出色的长期稳定性；

　　◆超小体积（表面贴装）；

　　◆测湿精度±4．5％RH，测温精度±O．5℃（25℃）。

　　2引脚说明及接口电路

（1）典型应用电路

　　SHTl0典型应用电路如图1所示。

（2）电源引脚（VDD、GND）

　　SHTl0的供电电压为2．4～5．5V。

传感器上电后，要等待1lms，从“休眠”状态恢复。

在此期间不发送任何指令。

电源引脚（VDD和GND）之间可增加1个100nF的电容器，用于去耦滤波。

　　（3）串行接口

　　SHTlO的两线串行接口（bidirectional2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。

　　①串行时钟输入（SCK）。

SCK引脚是MCU与sHT10之间通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。

　　②串行数据（DATA）。

DATA引脚是1个三态门，用于MCU与SHT10之间的数据传输。

DATA的状态在串行时钟SCK的下降沿之后发生改变，在SCK的上升沿有效。

在数据传输期间，当SCK为高电平时，DATA数据线上必须保持稳定状态。

　　为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。

　　3命令与时序

（1）SHT10命令

　　SHT1O命令如表1所列。

（2）命令时序

　　发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化，如图2所示。

其时序为：

当SCK为高电平时DATA翻转保持低电平，紧接着SCK产生1个发脉冲，随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。

　　紧接着的命令包括3个地址位（仅支持"000’）和5个命令位。

SHT10指示正确接收命令的时序为：

在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平（ACK位），在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA（此时为高电平）。

　　（3）测量时序（RH和T）

　　“00000101”为相对湿度（RH）测量，“000000ll”为温度（θ）测量。

发送一组测量命令后控制器要等待测量结束，这个过程大约需要20／80／320ms，对应其8／12／14位的测量。

测量时间随内部晶振的速度而变化，最多能够缩短30％。

SHT10下拉DATA至低电平而使其进入空闲模式。

重新启动SCK时钟读出数据之前，控制器必须等待这个“数据准备好”信号。

　　接下来传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验。

MCU必须通过拉低DATA来确认每个字节。

所有的数据都从MSB开始，至LSB有效。

例如对于12位数据，第5个SCK时钟时的数值作为MSB位；而对于8位数据，第1个字节（高8位）数据无意义。

　　确认cRc数据位之后，通信结束。

如果不使用（2RC-8校验，控制器可以在测量数据LSB位之后，通过保持ACK位为高电平来结束本次通信。

　　测量和通信结束后，SHTlO自动进入休眠状态模式。

　　（4）复位时序

　　如果与sHT10的通信发生中断，可以通过随后的信号序列来复位串口，如图3所示。

保持DATA为高电平，触发SCK时钟9次或更多，接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动”序列。

这些序列仅仅复位串口，状态寄存器的内容仍然保留。

　　（5）状态寄存器读写时序

　　SHT10通过状态寄存器实现初始状态设定。

　　读状态寄存器时序如图4所示。

　　写状态寄存器时序如图5所示。

　　状态寄存器位如表2所列。

　　4几点说明

　　①CRC-8校验。

整个数据的传输过程都由8位校验保证，确保任何错误的数据都能够被检测到并删除[1]。

　　②为保持自身发热温升小于O．1℃，SHTxx的激活时间不超过10％。

如12位精度测量，每秒最多测量2次。

　　③转换为物理量输出。

相对湿度输出转换公式为：

　　其中，RHlinear为25℃时相对湿度的线性值，sORH为传感器输出的相对湿度的数值，C1，C2，C3为系数，如表3所列。

　　当测量温度与25℃相差较大时，则需要考虑传感器的温度系数：

　　其中，RHlinear为温度不等于25℃时相对湿度的实际值，θc为当前温度，t1、t2是系数，如表4所列。

热对流式加速度传感器

机电工程学院

机自0701

热对流式加速度传感器原理及应用——加速度传感器

　工作原理

　　热对流式加速度计是基于单片CMOS集成电路制造工艺完整的加速度测量系统类似其它加速度传感器有重力块，热对流式加速度计是以可移动的热对流小气团作为重力块，通过测量由加速度引起的内部温度的变化来测量加速度热对流式加速度计是以气态气体作为质量块，同传统的实体质量块相比具有很大的优势它不存在电容式传感器所存在的粘连、颗粒等问题，同时能抵抗50，000g以上的冲击这使得热对流式加速度计的次品率和故障率很低

　　一个被放置在芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向在未受到加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的此时所有四个热电耦组因感应温度而产生的电压是相同的（见图1）由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称此时四个热电耦组的输出电压会出现差异，而热电耦组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径：

一条是用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则用于测量Y轴上所感应的加速度（见图2）

　　优点传统的容感式加速度计是以两个相对排列的叉状阵列作为电容的两极，外界加速度使可移动极（重力块）与固定极发生相对移动，从而使两极间的电容量发生变化（见图3），再通过一定的电路（如可变电容振荡器）将此变化量转换成相对应的输出信号

　　从容感式加速度计的基本工作原理可以清楚地看出，热对流式加速度计在以下几个与可靠性相关的方面（见表1）具有绝对的优势：

　　抗冲击能力

　　在传统的容感式加速度计中可移动极（重力块）依靠几组微型硅“弹簧”与芯片的固定部分相连对于高量程的应用（如安全气囊），因为要求的灵敏度很小，容感式加速度计可以将微型硅“弹簧”制作得相对牢固但消费类应用属于小量程应用，量程小于+/-10g，而灵敏度则相对较大对于容感式加速度计来说，在一定的信噪比前提下，想要得到较大的灵敏度就必须降低微型硅“弹簧”的强度，其结果是抗冲击能力的下降

　　与容感式加速度计相比，热对流式加速度计是以虚拟的悬浮于空中的“热气团”作为重力块在微机械结构上没有可活动的部分，其独特的“桥式”结构牢牢地固定在硅芯片上（见图4）从而使其能够抵抗大于50，000g的冲击

　　极间粘连失效

　　容感式加速度计两极的相对距离非常近，为了保证可移动极（重力块）来回移动，势必要在其底部和顶部留下一定的空隙，使其成悬空状因此在实际应用中由于震动而出现极间粘连在所难免

　　极小微粒引起的失效

　　众所周知，半导体制造过程中微粒数量的控制与制造成本成反比微粒数量越少，净化级别越高，制造成本越高如果一颗极小微粒落在两极之间，电容的容值将发生突变，从而使输出信号的零点出现巨大偏移，器件失效一些原本落在其它部位的微小颗粒，在实际使用过程中会发生移动，极有可能落在两极之间“巨大”而密集的叉状阵列的存在使得容感式加速度计很难摆脱此类失效热对流式加速度计完全不同的结构和原理使其不可能发生以上失效极间机械弹性震荡

　　弹簧（特别是阻尼系数小的弹簧）在受到外界力的作用后会发生往复震荡容感式加速度计特殊的微型硅“弹簧”悬挂结构同样不可避免地会产生此类震荡，从而使得输出信号在一定的时间内无法使用如果外界冲击力的频率与其共振频率（2KHz至5KHz）相同，后果则更为严重（见图5）低于35Hz的频响范围使热对流式加速度计自然规避了此类现象的发生

　　消费电子产品的特点

　　低价格

　　容感式加速度计复杂的微机械加工工艺使得它的成品率无法提高，制造成本居高不下虽然各大制造商不断想方设法降低制造成本，但要达到消费类电子产品所能接受的低价格（低于1美元）显然十分困难

　　热对流式加速度计基于标准的CMOS制造工艺，使其圆片加工工序的成品率大大提高，全线成品率达到90%以上再加上制造工厂设在中国大陆，使得产品的总体制造成本远远低于容感式加速度计，已经可以满足消费类电子产品低成本的要求

　　制造/运输简单、粗糙，应用中随意性大，突发情况多

　　由于容感式加速度计存在以上所述的固有缺陷，导致其在制造、运输以及实际应用中（特别是消费类电子产品）的失效率一直居高不下

　　美新公司从2002年开始生产销售其热对流式加速度计，至今已售出上千万只，而用户使用失效率却小于10ppm

　　手持设备（手机，PDA，MP3等）必须具备一定的抗冲击（落体）能力制造商要求其整机必须通过1.2或1.3米的自由落体测试从1.2米自由落体至大理石地面将对整机产生大于50，000g的冲击如果除去外壳和印刷电路板的缓冲作用，施加到加速度计上的冲击加速度也将超过5，000g为了抵御这种冲击，制造商不得不给容感式加速度计“穿上”一件软绵绵的“保护装”（见图6）如此，制造成本的提高不言而喻。

热对流式加速度计大于50，000g的抗冲击能力使它无需任何额外的“关照”

　　综上所述，热对流式加速度计低廉的价格和卓越的可靠性，已使其成为消费类应用领域的首选

拉力传感器

机电工程学院

机自0701

拉力传感器——基于单片机的水位控制测试系统

本设计采用单片机和传感器进行水位测量，通过充分利用单片机的控制功能和内部硬件功能，大大减少了外围电路的设计，而且测试精度、可靠性、稳定性大大提高，能方便的实现对整个采集过程及控制过程的自动化处理，本文首先对振弦式压力传感器的工作原理、工作方式、硬件电路的设计和软件部分的设计等方面做了详细的分析。

最后在结合系统的具体要求的基础上，确定了硬件以89C51系列的8051为核心，选用了A/D转换芯片ICL8038进行模数转。

在硬件设计上主要采用的振弦式压力传感器的性能以及硬件的连接及各电路模块的主要功能。

在软件设计上我们同样采用了模块化设计的方法，按系统的功能划分为不同的子程序，用汇编语言实现了激振、信号的采集和处理、测量周期等功能子程序。

采用子程序方便了程序的设计和调试，同样也方便了以后的功能的改进和增加。

本设计系统基于单片机8051和振弦式传感器测量水位，用单片机组成智能监测电路，实现水位的智能监测。

主要工作原理如下：

　　通过单片机和D/A转换芯片产生一锯齿波电压信号，放大后送入标准函数信号发生器ICL8038，使它产生相应的标准频率的扫频正弦波，用这个信号来激振振弦传感器[3]，当送入的波频率和传感器的频率共振时，传感器便被激励出相应的感应信号[4]，这个信号是个衰减的正弦波，该信号在经过过零比较器之后，将被整流成一个标准的方波，以这个方波的半个周期的两个上升或者下降沿为单片机P3.2输入，启动和停止计数器，计数器记下在这半个周期内的内部时钟的脉冲数[6-8]，内部时钟一个脉冲的固定周期为s，经过计算就可得到传感器的输出信号的周期，从而得到相应的频率。

总体概况及展望

　　本系统的优点在于采用8051单片机对振弦传感器进行数据采集、分析处理、显示。

具有电路结构简单，使用方便，显示可靠直观，抗干扰能力强等特点。

系统软件采用51系列的汇编语言，采用模块化程序设计技术，软件使用维护方便，可靠性强。

　　可以相信，随着单片机和传感技术的日趋发展和成熟，在不久的将来，利用单片机技术开发出来的功能化仪器、仪表将会在各个领域得到更广泛的应用。

1振弦式传感器工作原理

　　振弦式传感器的工作原理可以用图2.1来说明。

传感器是由一根放置在永久磁铁两极之间的金属弦、振弦和电路部分所组成。

金属弦承受着拉力，并且根据不同的拉力大小和弦的不同长度有着不同的固有振动频率。

因此改变拉力的大小可以得到相应的振弦固有振动频率[5]。

在图2.1b中，它可以等效为一个并联的LC回路。

由于振弦的高Q值，电路只有在振弦的固有振动频率上才能满足振荡条件。

因此，电路的输出信号频率就严格的控制在振弦的固有振动频率，而与作用力的大小有关。

这样，就可以通过测量输出信号的频率来测量力或者压力等。

　　图2.1b中的R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件和振荡幅度的作用，而R1、R5。

V和C支路控制场效应管的栅极电压，作为稳定输出信号幅值之用。

　　（a）

　　图2.1振弦式压力传感器

　　a）结构示意图b）电原理图

　　振弦在电路中可以等效为一个并联的LC回路。

如图2.1a，一根有效长度为的振弦在磁感应强度为B的磁场中振动时，振弦上有感应电动势e产生，和电流i流通。

此时，振弦所感受的力为[9]

　　F=BlI（2-1）

　　振弦在磁场中运动相当于电路中电容的作用，m为弦的质量，其等效电容为[9]

　　C=（2-2）

　　振弦的弹簧作用相当于电路中的电感，k为弦的横向刚度系数。

其等效电感为[9]

　　L=（2-3）

　　　利用扫频激振技术实现激振单线圈振弦式传感器的新方法用于水位测量监测，具有硬件电路简单、起振迅速、测值可靠、自动化程度高的突出优点。

3硬件系统设计

2硬件系统设计原理

　　图3.1基于89C8051的水位测量装置的硬件系统框图

　　本设计系统基于单片机8051和振弦式传感器测量水位，用单片机组成智能

　　监测电路，实现水位的智能监测。

主要工作原理如下：

　　通过单片机和D/A转换芯片产生一锯齿波电压信号，放大后送入标准函数信号发生器ICL8038，使它产生相应的标准频率的扫频正弦波，用这个信号来激振振弦传感器，当送入的波频率和传感器的频率共振时，传感器便被激励出相应的感应信号，这个信号是个衰减的正弦波，该信号在经过过零比较器之后，将被整流成一个标准的方波，以这个方波的半个周期的两个上升或者下降沿为单片机P3.2输入，启动和停止计数器，计数器记下在这半个周期内的内部时钟的脉冲数，内部时钟一个脉冲的固定周期为s，经过计算就可得到传感器的输出信号的周期，从而得到相应的频率。

　　选用串联型直流稳压电源的电路连接方式，在里面采用了三端集成稳压器W7805,输入电压为10V，输出电压为5V。

也可以采用W7800系列其他元件，元件的封装是一样的，仅以此电路为例。

　　最初的串联型直流稳压电路包含了采样电路、放大电路、基准电路、调整管四个功能部分，这些都包含在三端集成稳压器的内部电路中，另外加上了保护电路和启动电路[2]。

　　在W7800系列三端集成稳压电路中，将三种保护电路集成在芯片内部，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。

当输出电压比较高时，在输入端和输出端之间跨接一个保护二极管VD，其作用是在输入端短路时，使输出端电容通过二极管放电，以便保护集成稳压器内部的调整管。

　　3传感器的选择

　　采用电磁法激振，输入为模拟信号，其输出为频率信号，感应出电势U的频率就是振弦的固有频率。

它具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点。

　　振弦式频率传感器具有良好的测量特性，可做到小于0．1﹪的非线性特性、0．05％的灵敏度和小于0．1﹪的温度误差。

此外，传感器的结构和测量电路都比较简单。

目前它已被广泛用于精密的压力测量领域中。

电弧传感器技术在焊缝跟踪中的应用

机电工程学院

机自0701

电弧传感器技术在焊缝跟踪中的应用

摘要：

焊缝跟踪是保证焊接质量和焊接自动化的前提，而传感器是实现这一前提的基础。

本文就目前国内外常见的焊缝跟踪传感器优缺点做了比较。

并对电弧传感器应用发展和焊缝跟踪技术作了简单概述。

　　关键字：

传感器;焊缝跟踪;应用状况

　　0、引言

　　焊接是一个结合了光、电、热、力的综合加工过程，在焊接过程中产生的热量会使焊接工件产生较大的热变形，从而产生焊接位置偏差。

为了克服这种偏差的影响，目前有2种方法，其一是采用夹具定位，普通的夹具无法满足要求，为了确保精度，必须采用更为精确的夹具。

方法之二是采用适当的传感器进行焊缝跟踪，通过比较发现，采用跟踪的方法比采用精确的夹具经济得多［１］。

　　所谓焊缝跟踪,即以焊炬为被控对象,电弧（焊炬）相对于焊缝中心位置的偏差作为被调量,通过视觉传感、接触传感、超声波传感、电弧传感等多种传感测量手段,控制焊炬使其在整个焊接过程中始终与焊缝对口。

其中接触式传感是依靠在坡口中滚动或滑动的触指将焊枪与焊缝之间的位置偏差反映到检测器内，并利用检测器内装的微动开关判断偏差的极性，其结构简单、操作方便、不受电弧烟尘和飞溅的影响，但是对不同形式的坡口需用不同探头，磨损大，易变形，点固点障碍难以克服［２］。

超声波传感是利用发射出的超声波在金属内传播时在界面产生发射原理制成的，是一种比较先进的焊缝跟踪传感器，应用在跟踪系统中，跟踪的实时性好。

但是由于传感器要贴近工件，不可避免地会受到焊接方法和工件尺寸等的严格限制。

另外需要考虑外界震动、传播时间等因素，对金属表面状况要求高，其应用范围也就受到限制［３］。

视觉传感具有提供信息量丰富，灵敏度和测量精度高，抗电磁场干扰能力强，与工件无接触的优点。

但是算法复杂，处理速度慢。

　　随着电弧传感技术的发展，焊缝跟踪引入了电弧传感技术，电弧传感器作为一种实时传感的器件与其它类型的传感器相比，具有结构较简单、成本低和响应快等特点，是焊接传感器的一个重要的发展方向，具有强大的生命力和应用前景主要应用在两方面：

一方面主要用在弧焊机器人上，另一方面主要用在带有十字滑块的自动焊上［４］。

本文对国内外焊缝跟踪系统电弧传感技术、信号处理技术和控制技术的研究现状分别做一介绍，在此基础上总结出一套较为先进的焊缝跟踪系统的实施方案，为焊缝跟踪系统研制提供依据。

　　1、电弧传感焊缝跟踪技术的发展状况

　　1.1电弧传感器发展概述

　　焊缝自动跟踪方面，传感器提供着系统赖以进行处理和控制所必须的有关焊缝的信息。

我们研究电弧传感器就是要从焊接电弧信号中提取出能够实时并准确反映焊炬与焊缝中心的偏移变化信号，并将此信号采集出来，作为气体保护焊焊缝自动跟踪系统的输入信号，即气体保护焊焊缝自动跟踪系统的传感信号。

　　目前，国际、国内焊接界对电弧传感器的研究非常活跃，用于焊缝跟踪的电弧传感器主要有以下几种类型:

（1）并列双丝电弧传感器。

利用两个彼此独立的并列电弧对工件施焊，当焊枪的中心线未对准坡口中心时，其作用焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个电流不相等，因此根据两个电流差值即可判别焊炬横向位置并实现跟踪。

（2）旋转扫描电弧传感器。

在带有焊丝导向的喷嘴旋转时，旋转速度与焊接电流之间存在一定的关系［５］。

高速旋转电弧传感器可用于厚板间隙及角接焊缝的跟踪，在结构上比摆动式电弧传感器复杂，还需要在焊接工艺、信息处理等方面进行深入的研究

　　（3）焊炬摆动式电弧传感器。

当电弧在坡口中摆动时，焊丝端部与母材之间距离随焊炬对中位置而变化，它会引起焊接电流与电压的变化。

由于受机械方面限制，摆动式电弧传感器的摆动频率一般较低，限制了在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。

在弧焊其他参数相同的条件下，摆动频率越高，摆动式电弧传感器的灵敏度越高。

　　1.2电弧传感器的工作原理

　　电弧传感器的基本原理是：

利用焊炬与工件之间距离变化引起的焊接参数变化来探测焊炬高度和左右偏差，在等速送丝调节系统中，送丝速度恒定，焊接电源一般采用平或缓降的外特性，在这种情况下，焊接电流将随着电弧长度的变化而变化[６]。

电弧传感器的工作原理如图l所示。

　　L为电源外特性曲线，在稳定焊接状态时，电弧工作点为A0，弧长L0，电流Ｉ0，当焊炬与工件表面距离发生阶跃变化增大时．弧长突然被拉长为L1．此时干伸长还来不及变化，电弧在新的工作点A1．燃烧，电流突变为Ｉ1，电流瞬时变化为△Ｉ1反之亦然。

从上述分析可以得出，电弧位置的变化将引起电弧长度的变化，焊接电流也相应变化，从而可以判断焊炬与焊缝间的相对位置。

　　1.3电弧传感器的数学模型

　　控制系统包括控制器和对象二大部分，其中被控对象的动态特性是主要的，所以建立被控对象的数学模型是所有工作的第一步，所谓"系统建模"，就是对软件中过程的抽象描述[７]。

　　常用的建模方法有：

a机理分析法；b统计建模法；c神经网络建模法；d智能建模法

　　我们在这要分析的是旋转电弧焊炬长度和焊接电流之间的数学模型H（s）-I（s），其中输入量是弧长，输出量是实时的焊接电流。

虽然不同系统中具体的结果各异，但结果均为二阶的对应关系。

根据文献［８］有如下结论：

　　设G（s）为焊炬高度H（s）到电流I（s）的传递函数，则它在理论上可表示为：

　　其中Ka,Kn,Kr,Kq为与电源外特性、焊接材料、电弧气氛有关的常数，P（s）为电源的动态外特性，当电源外特性为一阶惯性环节P（s）=P0/（TpS+1）时，式

（1）可简化为：

　　对象的数学模型将有助于指导我们以下的工作：

可以以模型为对象设计和评价控制器；可以通过对数学模型的分析，找出最灵敏的工作频率，进而确定最佳电弧旋转角速度；可以用模型来对所用的控制器进行仿真，比较不同结构和参数控制器的优缺点，从而设计出符合要求的数字控制器。

　　设某个焊接过程为对象H（s）=（1+3s）/（1+2s）（1+8s），由于所给传递函数代表的对象是线性时不变的，所以用简单的比例控制是可行的，只要比例系数恰当，跟踪误差将会足够小；如果加上积分项将可以在较小的比例系数的情况下得到很好的跟踪精度；加上微分项可以减小超调量。

　　在图的仿真结构图中，适当调整各系数，就可使系统跟踪阶跃信号的上升时间、超调量和稳态精度满足要求,如图2图3所示。

　　2、电弧传感焊缝跟踪技术

　　2.1焊缝跟踪的实现

　　以旋转电弧传感器为例，旋转电弧传感器将一周的焊炬运动离散为64个点，经过霍尔传感器的采集之后送给Ａ／Ｄ转换器件以提取各点的电流值。

对这些电流值的分析得到当前焊枪下的焊道的信息，当焊缝的左右偏差和高低变化的数值计算出来后，通过固高公司生产的四轴运动控制器来控制小车车体和十字滑块的协调运动，运动器的核心是ADSP2181数字信号处理器