傳感器與檢測技術畢業(yè)論文

1、<p><b>　　傳感器與檢測技術</b></p><p>　　【摘要】： 傳感器技術是現(xiàn)代信息技術的重要基礎之一。傳感器的性能對自動化系統(tǒng)的功能起決定作用，在一般運用場合中傳感器測量主要采用開環(huán)測量方式，這種方式結構簡單，能滿足一般精度的需求。但在高精度測量條件下，如電子分析天平，則必需采用閉環(huán)控制引入反饋環(huán)節(jié)，提高測量精度。本論文設計了一種用于高精度測量的反饋式力傳感器。通過

2、對位移量的處理輸出反饋控制信號，使系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)結構由前向通道和反饋控制兩部分組成。本文給出了反饋控制模塊設計制作方案，主要完成了單片機控制系統(tǒng)、1602顯示模塊、PID控制算法設計、系統(tǒng)電源電路的設計，并給出了具體參數(shù)、分析過程和調試結果及相應的實物圖。整個控制系統(tǒng)設計簡潔，集成度較高，控制效果較好，達到了設計要求。</p><p>　　【關鍵詞】：傳感器，設計  </p>&l

3、t;p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章  傳感器的基本知識  1.1.傳感器的定義5</p><p>　　1.2.傳感器的分類5</p><p>　　1.3.傳感器的特性5</p><p>　　1.4.傳感器的線性度，靈敏度，分辨力6</p>&

4、lt;p>　　1.5.電阻式，電阻應變式，壓阻式，熱電阻傳感器，傳感器的遲滯特性介紹6</p><p>　　第2章 對溫度傳感器的設計7</p><p>　　2．1 模擬輸出IC傳感器和數(shù)字輸出IC傳感器之間有什么差別？8</p><p>　　2.2 使用溫度傳感器時必須考慮哪些因素？9</p><p>　　2.3 IC溫度傳

5、感器與熱敏電阻有何不同？9</p><p>　　2.4 什么是自動風扇轉速控制？10</p><p>　　第3章 光纖光柵傳感器的應用11</p><p>　　3.1 光纖光柵傳感器的優(yōu)勢11</p><p>　　3.2 光纖光柵的傳感應用12</p><p>　　3.3 傳感器設計方案：15&l

6、t;/p><p>　　第4章 對霍爾傳感器的設計15</p><p><b>　　參考文獻：24</b></p><p>　　第1章  傳感器的基本知識 1.1.傳感器的定義</p><p>　　國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信

7、號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。</p><p>　　1.2.傳感器的分類</p><p>　　目前對傳感器尚無一個統(tǒng)一的分類方法，但比較常用的有如下三種：</

8、p><p>　　1、按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器</p><p>　　2、按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。</p><p>　　3、按傳感器輸出信號的性質分類，可分為：輸出為開關量（“1”和"0”或“開”和“關”）的開關型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代

9、碼的數(shù)字型傳感器。</p><p>　　1.3.傳感器的特性</p><p>　　傳感器的特征包括靜態(tài)特征和動態(tài)特征。</p><p>　　傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱

10、坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。</p><p>　　所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信

11、號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。</p><p>　　1.4.傳感器的線性度，靈敏度，分辨力</p><p>　　通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點

12、相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。</p><p>　　靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度S是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，

13、輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。</p><p>　　分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。

14、只有當輸入量的變化超過分辨力時，其輸出才會發(fā)生變化。通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。</p><p>　　1.5.電阻式，電阻應變式，壓阻式，熱電阻傳感器，傳感器的遲滯特性介紹</p><p>　　電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕

15、度、溫度等這些物理量轉換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。</p><p>　　傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產生機械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應小等優(yōu)點。</p><

16、;p>　　壓阻式傳感器是根據(jù)半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。當基片受到外力作用而產生形變時，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產生相應的不平衡輸出。</p><p>　　用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器

17、應用最為普遍。</p><p>　　熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃～+500℃范圍內的溫度。</p><p>　　遲滯特性表征傳感器在正向（輸入量增大）和反

18、向（輸入量減小）行程間輸出-一輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的最大差值△MAX與滿量程輸出F·S的百分比表示。</p><p>　　第2章 對溫度傳感器的設計</p><p>　　溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器(見下表)。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。 </p><p&g

19、t;　　熱電偶應用很廣泛，因為它們非常堅固而且不太貴。熱電偶有多種類型，它們覆蓋非常寬的溫度范圍，從?C200℃到2000℃。它們的特點是：低靈敏度、低穩(wěn)定性、中等精度、響應速度慢、高溫下容易老化和有漂移，以及非線性。另外，熱電偶需要外部參考端。 </p><p>　　RTD精度極高且具有中等線性度。它們特別穩(wěn)定，并有許多種配置。但它們的最高工作溫度只能達到400℃左右。它們也有很大的TC，且價格昂貴(是熱電偶的

20、4～10倍)，并且需要一個外部參考源。 </p><p>　　模擬輸出IC溫度傳感器具有很高的線性度 (如果配合一個模數(shù)轉換器或ADC可產生數(shù)字輸出)、低成本、高精度(大約1%)、小尺寸和高分辨率。它們的不足之處在于溫度范圍有限(?C55℃～＋150℃)，并且需要一個外部參考源。 </p><p>　　數(shù)字輸出IC溫度傳感器帶有一個內置參考源，它們的響應速度也相當慢(100 ms數(shù)量級)。

21、雖然它們固有地會自身發(fā)熱，但可以采用自動關閉和單次轉換模式使其在需要測量之前將IC設置為低功耗狀態(tài)，從而將自身發(fā)熱降到最低。 與熱敏電阻、RTD和熱電偶傳感器相比，IC溫度傳感器具有很高的線性，低系統(tǒng)成本，集成復雜的功能，能夠提供一個數(shù)字輸出，并能夠在一個相當有用的范圍內進行溫度測量。 </p><p>　　2．1 模擬輸出IC傳感器和數(shù)字輸出IC傳感器之間有什么差別？ </p><p>

22、　　模擬輸出IC傳感器輸出與溫度成正比的電壓或電流，而數(shù)字輸出IC傳感器通過其內置的ADC將將傳感器的模擬輸出轉換為數(shù)字信號。 </p><p>　　IC溫度傳感器的實際檢測是采用一個簡單的晶體管p-n結，通過測量其基極-發(fā)射極結電壓(VBE)檢測溫度變化。p-n結兩端的電壓具有大約2 mV/℃的固有溫度依賴關系(見圖1)。這也被稱為二極管溫度傳感器。通過內置ADC對傳感器的模擬輸出進行數(shù)字化，可以得到其數(shù)字輸出

23、。 </p><p>　　2.2 使用溫度傳感器時必須考慮哪些因素？ </p><p>　　有兩個主要考慮因素：需要測量什么和必須以多高的精度進行測量。這兩個因素受使用的傳感器類型和它與溫度測量點的相對位置 (即傳感器的安裝位置) 的影響。這一點對于像IC傳感器這樣的固有自身發(fā)熱傳感器很重要，因為它測量的溫度實質上是晶體管p-n結二極管本身的溫度。 </p><p>

24、;　　對于IC溫度測量，如CPU本地溫度，溫度測量并不那么直接。精確的測量方法是使用一個集成在CPU之內的溫度二極管監(jiān)測器(見圖2)。 </p><p>　　2.3 IC溫度傳感器與熱敏電阻有何不同？ </p><p>　　盡管這兩種傳感器都具備小外形尺寸并且提供模擬輸出，但IC傳感器具有更高的線性和更寬的工作溫度范圍。它可以集成其它的內置功能，例如提供數(shù)字輸出的ADC，數(shù)模轉換器(DAC

25、)、參考電壓源和風扇控制電路。IC傳感器集成復雜電路的能力意味著比熱敏電阻的總系統(tǒng)成本低(熱敏電阻需要許多附加的外部元件)，并且隨著IC制造線寬的進一步縮小，IC傳感器的封裝尺寸也將減小。 </p><p>　　數(shù)字輸出溫度傳感器比模擬輸出溫度傳感器有哪些優(yōu)勢？ </p><p>　　與其它三種主要類型溫度傳感器(熱電偶、RTD和熱敏電阻)不同，數(shù)字輸出IC溫度傳感器不需要外部線性化電路轉

26、換。此外，由于其IC集成特性，它們自然會降低成本。它們可與常見的計算機總線(例如I2C總線、SPI總線和SMBus等)連接。而且，它們允許與遠端其它傳感器進行通信，以完成一些控制任務(例如風扇轉速控制和總體系統(tǒng)溫度控制)。 </p><p>　　2.4 什么是自動風扇轉速控制？ </p><p>　　自動風扇轉速控制實際上是使用一個本地數(shù)字輸出溫度傳感器來檢測CPU的實際管芯溫度。將傳感器

27、的輸出饋送給一個控制CUP散熱風扇轉速的脈沖寬度調制器(PWM)或DAC。這樣可將CPU的溫度保持在設計要求之內(見圖3)。風扇轉度控制在消費電子產品中正變得越來越重要，在此類應用中，減小風扇聲學噪音、降低功耗和提高可靠性都是重要改進因素。 </p><p>　　第3章 光纖光柵傳感器的應用</p><p>　　3.1 光纖光柵傳感器的優(yōu)勢</p><p>

28、;　　與傳統(tǒng)的傳感器相比,光纖Bragg光柵傳感器具有自己獨特的優(yōu)點:</p><p>　　(1) 傳感頭結構簡單、體積小、重量輕、外形可變, 適合埋入大型結構中, 可測量結構內部的應力、應變及結構損傷等, 穩(wěn)定性、重復性好;</p><p>　　(2) 與光纖之間存在天然的兼容性, 易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高;</p><p>　　(3) 具有非傳

29、導性, 對被測介質影響小, 又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點, 適合在惡劣環(huán)境中工作;</p><p>　　(4) 輕巧柔軟, 可以在一根光纖中寫入多個光柵, 構成傳感陣列, 與波分復用和時分復用系統(tǒng)相結合, 實現(xiàn)分布式傳感;</p><p>　　(5) 測量信息是波長編碼的, 所以, 光纖光柵傳感器不受光源的光強波動、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響, 有較強的抗干擾能

30、力;</p><p>　　(6) 高靈敏度、高分辯力。</p><p>　　正是由于具有這么多的優(yōu)點,近年來,光纖光柵傳感器在大型土木工程結構、航空航天等領域的健康監(jiān)測,以及能源化工等領域得到了廣泛的應用。</p><p>　　光纖Bragg光柵傳感器無疑是一種優(yōu)秀的光纖傳感器，尤其在測量應力和應變的場合，具有其它一些傳感器無法比擬的優(yōu)點，被認為是智能結構中最有希望

31、集成在材料內部，作為監(jiān)測材料和結構的載荷，探測其損傷的傳感器。</p><p>　　3.2 光纖光柵的傳感應用</p><p>　　土木及水利工程中的應用</p><p>　　土木工程中的結構監(jiān)測是光纖光柵傳感器應用最活躍的領域。</p><p>　　力學參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護和健康狀況監(jiān)測是非常重要的.通過測量

32、上述結構的應變分布,可以預知結構局部的載荷及健康狀況.。光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中,對結構同時進行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等,以監(jiān)視結構的缺陷情況.。</p><p>　　另外,多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網(wǎng)絡,對結構進行準分布式檢測,可以用計算機對傳感信號進行遠程控制。</p><p>　　(1)在橋梁安全監(jiān)測中的應用</p>

33、<p>　　目前, 應用光纖光柵傳感器最多的領域當數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。</p><p>　　斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊桿和系桿拱橋系桿等是這些橋梁體系的關鍵受力構件,其他土木工程結構的預應力錨固體系,如結構加固采用的錨索、錨桿也是關鍵的受力構件。上述受力構件的受力大小及分布變化最直接地反映結構的健康狀況,因此對這些構件的受力狀況監(jiān)測及在此基礎上的安全分析評估具有重大意義。</p><

34、;p>　　加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進行測量的橋梁之一(1993 年), 16 個光纖光柵傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復合材料筋上,對橋梁結構進行長期監(jiān)測, 而這在以前被認為是不可能。德國德累斯頓附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的預應力混凝土橋, 德累斯頓大學的Meis-sner 等人將布拉格光柵埋入橋的混凝土棱柱中, 測量荷載下的基本線性響應, 并且用

35、常規(guī)的應變測量儀器作了對比試驗, 證實了光纖光柵傳感器的應用可行性。瑞士應力分析實驗室和美國海軍研究實驗室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架橋的建造過程中, 使用了32個光纖光柵傳感器對箱形梁被推拉時的準靜態(tài)應變進行了監(jiān)測, 32個光纖光柵分布于箱形梁的不同位置、用掃描法- 泊系統(tǒng)進行信號解調。</p><p>　　2003年6月，同濟大學橋梁系史家均老師主持的盧浦大橋健康檢測項目中，采用了上海紫珊光電的

36、光纖光柵傳感器，用于檢測大橋在各種情況下的應力應變和溫度變化情況。</p><p>　　整個檢測項目的實施主要包括傳感器布設、數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)分析三大步。</p><p>　　在盧浦大橋選定的端面上布設了8個光纖光柵應變傳感器和4個光纖光柵溫度傳感器，其中8個光纖光柵應變傳感器串接為1路，4個溫度傳感器串接為1路，然后通過光纖傳輸?shù)綐蚬芩瑢崿F(xiàn)大橋的集中管理。</p><

37、p>　　數(shù)據(jù)測量的周期根據(jù)業(yè)主的要求來確定，通過在橋面加載的方式，利用光纖光柵傳感網(wǎng)絡分析儀，完成橋梁的動態(tài)應變測試。</p><p>　　(2)在混凝土梁應變監(jiān)測中的應用</p><p>　　1989年, 美國Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纖傳感器埋入混凝土建筑和結構中, 并描述了實際應用中這一研究領域的一些基本設想。此后, 美國、英國、加拿大、

38、日本等國家的大學、研究機構投入了很大力量研究光纖傳感器在智能混凝土結構中的應用。</p><p>　　在混凝土結構澆注時所遇到的一個非常棘手的問題是: 如何才能在混凝土澆搗時避免破壞傳感器及光纜。光纖Bragg光柵通常寫于普通單模通訊光纖上, 其質地脆, 易斷裂, 為適應土木工程施工粗放性的特點, 在將其作為傳感器測量建筑結構應變時,應采取適當保護措施。</p><p>　　一種可行的方案

39、是：在鋼筋籠中布置好混凝土應變傳感器的光纖線路后, 將混凝土應變傳感器用鐵絲等按照預定位置固定在鋼筋籠中, 然后將中間段用紗布纏繞并用膠帶固定。而對粘貼式鋼筋應變傳感器一般則用外涂膠層進行保護。</p><p>　　2003年9月，上海紫珊光電技術有限公司自主研發(fā)的光纖光柵傳感應變計埋設于混凝土中對北京中關村某標志性建筑進行靜態(tài)應變測量。上海紫珊光電技術有限公司自主研發(fā)的光線光柵應變計具有精度高(一般為1με，如

40、果是小量程的應變測量，可以達到0.5με)、可靠性高、安裝方式多樣、使用方便等優(yōu)點，成功應用于北京中關村某標志性建筑中，布設在鋼梁上并埋設在混凝土中對支柱鋼梁進行施工過程監(jiān)測。</p><p>　　(3)在水位遙測中的應用</p><p>　　在光纖光柵技術平臺上研制出的高精度光學水位傳感器專門用于江河、湖泊以及排污系統(tǒng)水位的測量。傳感器的精度可以到達±0.1%F·S。

41、光纖安裝在傳感器內部，由于光纖纖芯折射率的周期性變化形成了FBG，并反射符合布拉格條件的某一波長的光信號。當FBG與彈性膜片或其它設備連接在一起時，水位的變化會拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長會隨著折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據(jù)反射波長的偏移就可以監(jiān)測出水位的變化。</p><p>　　(4)在公路健康檢測中的應用</p><p>　　公路健康監(jiān)測必要性：</p>&

42、lt;p>　　交通是與人們息息相關的事情，同樣也是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說交通的好壞可以直接決定一個城市的發(fā)展命運。每年國家都要投入大量資金用在公路修建以及維護上，其中維護費用占據(jù)了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。，而破壞一般都是因為汽車超載，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質量有很大關系。所以在公路施工過程以及使用過程中進

43、行健康檢測是非常有必要的?，F(xiàn)在的公路一般分三層進行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過程中埋入溫度以及應變傳感器可以及時得到溫度以及應變的變化情況，對公路質量進行實時監(jiān)控。詳細了解施工材料的特點以及影響施工質量的因素。</p><p>　　3.3 傳感器設計方案：</p><p>　　由于公路施工過程中條件比較惡劣，主要問題有以下幾點：</p><p>　　1

44、. 在瀝青層鋪設過程中溫度可達160℃。</p><p>　　2. 在施工過程中，每層受到的壓力達20t 以上。</p><p>　　3. 由于瀝青層隨著環(huán)境溫度變化，其強度變化明顯。傳感器需要能真實反映瀝青層應變。所以傳感器在埋入過程中的成活率是最關鍵的問題。</p><p>　　首先為了解決高溫的問題，傳感器本身采用不銹鋼材料封裝，尾纖采用抗高溫鎧裝光纜。為了使

45、傳感器在強壓力下仍然能繼續(xù)工作，并且和瀝青層比較好的配合，能真實反映瀝青層撓度，設計傳感器外形的時候可以采用增加瀝青層與傳感器的接觸面積。</p><p>　　這樣，在城市交通要道以及高速公路監(jiān)測點埋入傳感器，組建公路監(jiān)測系統(tǒng)，統(tǒng)一監(jiān)控。在數(shù)據(jù)處理方面進行研究，除了能監(jiān)測公路健康狀況，還可實現(xiàn)車流量統(tǒng)計，對公路上超速超載情況進行監(jiān)測等功能。</p><p>　　第4章 對霍爾傳感

46、器的設計</p><p>　　等離子自動高低調節(jié)器是切割機中必不可少的配套設備，廣泛應用于大型裝備制造、造船和切割等領域，其主要功能是保證切割割炬與被切割工件保持最佳切割距離，消除由被切割工件的不平度變化引起的加工精度誤差。切割機在工作過程中不能準確獲取切割割炬與鋼板的距離，這就必然影響鋼板的切割質量。切割的弧電流強光會給操作人員造成視覺疲勞。因此，給出了一種基于霍爾傳感器的設計方案，保證切割過程中割縫寬度均勻，

47、切割精度提高。       該設計方案利用霍爾效應原理產生隨磁場變化而產生變化的電壓，把變化的電壓送到自動高低調節(jié)器，控制割炬的上升與下降，形成一個閉環(huán)的自動高低調節(jié)系統(tǒng)，如圖1所示。該閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由霍爾傳感器、自檢器、高頻濾波器、運算放大器、比較器、斷弧提升器、模擬開關手動自動轉換器、光電耦合器、三態(tài)門互鎖器、電機驅動器以及機械絲桿傳遞定位系統(tǒng)組成。圖2所示是系統(tǒng)控制電

48、路圖，從而能在切割過程中實時控制割炬與鋼板的距離，有效保證鋼板的切割質量。</p><p>　　1 .霍爾傳感器      將一塊導體板置于磁場，使磁場的磁感應強度B的方向與板垂直，當導體板中流經(jīng)一定電流時，垂直于磁場和電流方向的導體板的橫向兩側會產生一定的電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應。霍爾傳感器是根據(jù)該原理制成的。圖3是一個霍爾傳感器，它共

49、有4個接線端，分別為接地、+5 V，-5 V和電壓輸出，水電纜通過中間空心圓。</p><p>　　等離子發(fā)生器起弧后，霍爾傳感器采集割炬與鋼板之間的電流，水電纜中的電流穿過霍爾傳感器，在其周圍產生恒定磁場。向霍爾傳感器預先施加一恒壓，產生一恒定電流，霍爾傳感器則輸出霍爾電壓。如果切割電流有微小變化，則產生變化的磁場，而輸出的霍爾電壓也是變化的，這樣就把切割中的變化電流轉化為變化電壓，輸出的霍

50、爾電壓包含有干擾信號，其高頻信號的范圍較寬，這就需對信號電壓進行高頻濾波，從而獲取有用信號，再將其信號送至等離子自動高低調節(jié)器。以運算放大器C1的引腳1的輸出電壓作為自檢電壓，并通過調節(jié)VR1改變其輸出電壓，也可以模擬霍爾傳感器輸出電壓。</p><p>　　2． 高頻濾波電路      高頻濾波電路由C1，L1，R1組成。由于高頻信號經(jīng)LM

51、324運算放大器后，還有部分雜散的高頻信號沒有濾除，電容C1用于濾除高頻信號，而電感L1阻礙高頻信號，只允許被檢波的低頻解調信號通過，這樣在負載R1上就建立了微弱的電壓信號。3. 差分運算放大器      運算差分放大器采用LM324。R1上的電壓輸入B1的引腳3，引腳3緩沖輸出，用于隔離信號源，提高負載驅動能力。D2和D3二極管具有箝位作用，正向導通，信號電壓被

52、耦合至R2，R2上的電壓隨R1變化，具有電壓跟隨器的作用，R2的電壓輸入至后續(xù)B2的12引腳，14引腳和8引腳分別輸出電壓V14和V8。采用雙端輸入、單端輸出放大信號，將B3的8引腳和B2的14引腳的輸出信號輸入至差分放大器B4的5引腳和6引腳，由B4的7引腳輸出放大后的信號。4. 比較器      控制系統(tǒng)中的比較器將差分運算放大器B4輸出的電壓施加至LM339

53、比較器的E3和E4的5引腳和6引腳，而4引腳和7引腳被二極管D5箝位于0．3 V。當差分運算放大器輸出的電壓落在5引腳和6引腳中，即輸出電壓比E3的4引腳電壓低，而高于E4的</p><p>　　當上升信號通過VLC1時。D36的發(fā)光二極管導通發(fā)亮，并在R45上建立電壓。該電壓加在三態(tài)門S1的2引腳和三態(tài)門S4的12引腳端，與此同時，由于VLC3無信號，D37截止，在R47上無電壓，該低電平信號通過S2

54、，輸出給S1控制端，S1 三態(tài)門選通。S1導通的同時，選通的S4輸出信號加到S3三態(tài)門控制端，封鎖S3 三態(tài)門導通。      當下降信號通過VLC3時，D37導通，并在R47上建立電壓，該電壓加到S3的9引腳和S2的5引腳。與此同時，由于VLC1無信號，D36截止，R45上無電壓，該低電平信號通過S4，輸出給S3的控制端，S3三態(tài)門選通；在S2導通的同時

55、，選通的S2輸出信號加到S1的三態(tài)門控制端，封鎖S1。      當S1、S2、S4選通時，V1、V5、V6、V4、V10導通；V2、V7、V3、V8、V9截止。由于V6和V10導通，整流的直流110 V電壓直接加在電機兩端，電機正轉，電容探頭提升；當S2、S3、S4選通時，V2、V7、V3、V8、V9導通；V1、V5、V6、V4、V10截止，由于V9和V7導通，整

56、流的直流110 V電壓直接加在電機兩端，電機反轉，電容探頭下</p><p>　　割炬定位結構系統(tǒng)圖      割炬定位機械結構是由霍爾傳感器、水電纜、微動開關、觸頭、上夾緊盤、割炬夾、壓縮彈簧、下夾緊盤、信號線、絲桿、直流電機組成。上夾緊盤、下夾緊盤和壓縮彈簧夾緊割炬，割炬穿過割炬夾圓孔。割炬夾圓孔直徑比割炬直徑稍大一些，這樣可在夾圓孔中上

57、下活動。由于彈簧和重力的作用，割炬平穩(wěn)垂直地放在割炬夾圓盤上，水電纜穿過霍爾傳感器，霍爾傳感器采集切割變化的電流，如圖5所示。割炬定位時向下運動，割炬碰到鋼板后，鋼板頂起割炬，這時割炬與割炬夾產生相對運動，彈簧被壓縮，直到割炬觸頭碰到微動開關L1。L1閉合產生的觸發(fā)信號通過信號線傳給自動高低調節(jié)器，通過觸發(fā)單穩(wěn)延時電路，產生割炬上升定位時間，也是直流電動機反轉提升割炬時間。由于割炬的提升，壓縮彈簧逐漸恢復，如果事先通過自動高低調節(jié)器設定

58、割炬提升時間常數(shù)，從而確定割炬提升后割炬與鋼板的距離，獲到割炬與鋼板的最佳起弧距離。</p><p>　　系統(tǒng)使用前應進行電路自檢。首先打開電源開關，這時電機提升，D36點亮，說明D單穩(wěn)態(tài)3引腳輸出高電平；按下SB1和SB2，割炬上升或下降，說明F1和F2振蕩器和功率驅動正常：自動／手動開關K3置于自動狀態(tài)位，按下SB3按鈕，D36先點亮，瞬間熄滅后，D37點亮，接著熄滅，說明G1和G2定位系統(tǒng)正常；K1和K2分

59、別打在1和2位置，調節(jié)VR1電位器，如果三位半板表有電壓變化指示，說明運算放大器C1和B正常；板表測到一個電壓值，再左右調節(jié)VR3電位器，如果D19和D20交替點亮，說明比較器E正常的。      K1打在1位置，K2打在2位置，K3在手動位置，啟動起弧測量。如果板表測量值在3 V和8 V之間，將K2設在3位置，并調節(jié)VR3，使電壓介于3 V和8

60、 V之間，然后把K3打在自動位置，就可以測量。      根據(jù)實際情況霍爾傳感器可選型為：40 A／4V，60 A／4V，80 A／4 V，100A／4 V，120A/4 V，160 A／4 V，200 A／4V，300 A／4 V?；魻杺鞲衅髋c高低調節(jié)器之

61、間連接，應使用屏蔽電纜，屏蔽線接地，免等離子起弧時，空間的強大電磁干擾把霍爾傳感</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　1．姜培剛編   機電一體化系統(tǒng)設計   機械工業(yè)出版社(2004年9月版) </p><p>　　2．黃筱調等編  機電一體化技術基礎

62、及應用   機械工業(yè)出版社(第一版)</p><p>　　3. 趙松年、張奇鵬主編《機電一體化系統(tǒng)設計》北京：機械工業(yè)出版社</p><p>　　4.    張建民《機電一體化原理與應用》北京：國防工業(yè)出版社</p><p>　　5.    魏俊民《機電一體化系統(tǒng)設計》北京：中國防織出版

63、社</p><p>　　6.    周祖德《機電一體化控制技術與系統(tǒng)》華中理工大學出版社</p><p>　　7.    胡泓，姚伯威主編《機電一體化原理及應用》北京：國防工業(yè)出版社</p><p>　　8.    梁景凱主編《機電一體化技術與系統(tǒng)》北京：機械工業(yè)出版社<