振动传感器课程设计硬件+程序课设.docx

振动传感器课程设计硬件+程序课设.docx

《振动传感器课程设计硬件+程序课设.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《振动传感器课程设计硬件+程序课设.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

振动传感器课程设计硬件+程序课设

传感器原理及

应用课程设计

班级：

测控0941

************

学号：

14

指导教师：

冯璐张立新

撰写日期：

2012.12.13

第一章引言

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：

例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

中国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。

传感器技术历经了多年的发展，其技术的发展大体可分三代：

第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。

第二代是上70年代发展起来的固体型传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成。

如：

利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器。

　　第三代传感器是以后刚刚发展起来的智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有一定的人工智能。

在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。

使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要的特征。

近年来，随着计算机技术的发展，检测设备也逐渐向数字化方向发展，为此，大量的模拟式检测设备均进行了数字化改进。

振动探测器是以探测入侵者走动或破坏活动时产生的震动信号来触发报警的探测器。

震动传感器是震动探测器的核心部件。

常用的振动探测器有位移式传感器（机械式）、速度传感器（电动式）、加速度传感器（压电晶体式）等，振动探测器基本上属于面控制型探测器。

可用于墙振动入侵探测器、ATM机振动入侵探测器、地音振动入侵探测器、报警控制器银行ATM、金库、仓库、保险柜、展品柜等防护，常闭输出，自动复位或锁存，防拆本产品适用于各种结构的银行金库、部队的武器库、国家炸药库、毒品库、贵重物资库等的安全防护。

第二章课程设计内容与要求分析

2.1课程设计内容

1．以MCS-51系列单片机为核心器件组成振动检测装置设计，采用传感器应用设计；

2．利用振动传感器测量震动信号，用单片机检测结果，然后通过数码管显示。

2.2课程设计要求分析

1．设计一个用振动传感器检测震动的检测装置。

2．本项目为典型的传感器应用电路设计。

3．利用振动传感器测量振动的的信号，用发光二级管指示，用示波器观察传感器输出的结果，用单片机监测输出结果，然后通过数码管。

2.3课程设计意义

振动探测器是以探测入侵者走动或破坏活动时产生的震动信号来触发报警的探测器。

震动传感器是震动探测器的核心部件。

常用的振动探测器有位移式传感器（机械式）、速度传感器（电动式）、加速度传感器（压电晶体式）等，振动探测器基本上属于面控制型探测器

第三章相关基础理论和基础知识概述

3.1震动传感器相关概述

3.1.1传感器相关概述

传感器的特点包括：

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。

微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。

集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。

通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底（基板）上的，相应敏感材料的薄膜形成的。

使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶、凝胶等）生产。

完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。

厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。

每种工艺技术都有自己的优点和不足。

由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。

按测量目分类：

1．物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的；

2．化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。

3．生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。

按其构成分类：

1．基本型传感器：

是一种最基本的单个变换装置。

2．组合型传感器：

是由不同单个变换装置组合而构成的传感器。

3．应用型传感器：

是基本型传感器或组合型传感器与其他机构组合而构成的传感器。

按作用形式分类：

1．按作用形式可分为主动型和被动型传感器。

2．主动型传感器又有作用型和反作用型，此种传感器对被测对象能发出一定探测信号，能检测探测信号在被测对象中所产生的变化，或者由探测信号在被测对象中产生某种效应而形成信号。

检测探测信号变化方式的称为作用型，检测产生响应而形成信号方式的称为反作用型。

雷达与无线电频率范围探测器是作用型实例，而光声效应分析装置与激光分析器是反作用型实例。

3．被动型传感器只是接收被测对象本身产生的信号，如红外辐射温度计、红外摄像装置等。

传感器静态特性：

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。

因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。

表征传感器静态特性的主要参数有：

线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

1．线性度：

指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。

定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

2．灵敏度：

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。

其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。

用S表示灵敏度。

　3．迟滞：

传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。

对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

4．重复性：

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

5．漂移：

传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。

产生漂移的原因有两个方面：

一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。

6．分辨力：

当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。

7．阈值：

当传感器的输入从零值开始缓慢增加时，在达到某一值后输出发生可观测的变化，这个输入值称传感器的阈值电压。

传感器动态特性：

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。

在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。

最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

传感器的线性度：

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。

在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。

拟合直线的选取有多种方法。

如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

3.1.2振动传感器相关概述

在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。

使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。

振动传感器是将振动信号（加速度、速度及位移）转换成电信号的装置，振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。

由于它也是一种机电转换装置。

所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。

振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量M，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量N，最后由机电变换部分再将N变换为电量E，因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。

图3-1振动传感器的工作原理

在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，但是按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成三类。

1．机械式的测量方法

将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，它能测量的频率较低，精度也较差。

但在现场测试时较为简单方便。

2．光学式的测量方法

将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。

如读数显微镜和激光测振仪等。

3．电测方法

将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。

电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。

这是目前应用得最广泛的测量方法。

常用振动传感器有以下几种：

1．压电片谐振式：

使用压电片接收振动信号，压电片的谐振频率较高，为了降低谐振频率，使用加大压电片振动体的质量来实现，