湖南科技大学课程设计题目：光栅式位移传感器结构及其电路设计
学生姓名：孙基
学号： 1003030319
班级： 10-03
专业：测控技术与仪器
指导教师：杨书仪余以道
课程设计时间：2013年6月
一．绪论
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
这次课程设计选用的题目为光栅式位移传感器，光栅式位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，经常用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。光栅式位移传感器在现代工业中的作用是十分巨大的，不仅进一步完善了代加工工业的精度，同时也提高了其工作效率。随着国内加工业、制造业等工业越来越成熟，对加工的精度要求也日益提高。因此，越来越多的企业选择在各种机床上安装光栅式位移传感器，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等。其工作环境相对来说并不很苛刻，操作也很简单。
二．光栅式位移传感器的基本原理
光栅式位移传感器的基本原理是两片光栅，主光栅和副光栅之间存在一偏角a，当两主副光栅发生横向相对运动时，光栅面上出现纵向移动的亮条纹。在光栅面的两侧分别加上光源和光敏元件（包括硅光电池，光电二极管，光电三极管等。）光源发出通过透镜产生一簇平行光照射在副光栅上，主光栅移动时，光源产生的平行光部分透过两光栅之间的缝隙而产生亮纹，这时光敏器件接受光源的照射使光敏器件的电阻的阻值发生变化。从而在外部的测控电路中的电流或电压值发生变化，再根据电量的输出判断亮纹出现的个数。根据亮纹个数和主光栅位移的关系科技计算主光栅的位移量。
莫尔条纹简介：是18 世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。从技术角度上讲，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的条纹，这种光学现象就是莫尔条纹。
光栅式位移传感器分为透射式和反射式光栅位移传感器两种。此次课程设计就透射式光栅位移传感器进行设计研究。
1.莫尔条纹的几何光学原理
对于栅距较大的黑白光栅，莫尔条纹的形成可以近似的看做是两块光栅的栅线的相互挡光作用的结果。光线在均匀透明的介质中是按直线传播的。在a-a 线上的两个山栅线相互重叠，光线透过间隙形成亮带。而在b-b 线相互遮挡就形成了暗帯。 由以上光学图像可知长光栅的条纹斜率为 θθ
αcot )cos 1(tan 12
w w -= 个条纹间距为
θθθcos 2)(cos sin 212
22
12
12
1
22
2
w w w w w w w w
w B -+=
-+=
莫尔条纹具有如下特点：
（1）莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ，而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这要比直接对光栅进行测量容易得多。
（2）莫尔条纹具有位移放大作用
当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距。当两个光栅刻线夹角θ较小时，由式（12.1.1）可知，W一定时，θ愈小，则B愈大，相当于把栅距W放大了1/ θ倍。例如，对50条/mm的光栅，W=0.02mm，若取，则莫尔条纹间距，K=573，相当于将栅距放大了573倍。因此，莫尔条
纹的放大倍数相当大，可以实现高灵敏度的位移测量。
（3）莫尔条纹具有误差平均效应
莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响，可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。因此，计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。
（4）莫尔条纹的间距S随光栅刻线夹角θ变化
由于光栅刻线夹角θ可以调节，因此可以根据需要改变θ的大小来调节莫尔条纹的间距，这给实际应用带来了方便。
当两光栅的相对移动方向不变时，改变θ的方向，则莫尔条纹的移动方向改变。
三．总体设计方案的确定
总体的设计方案如上，利用光栅产生莫尔条纹的这一现象在主光栅发生移动时，在特定光源的作用下产生莫尔条纹，在光栅的另一侧置一光敏元件，感受光强变化，从而改变光敏元件的电阻值，光电转换电路中产生周期变化的信号。
转换电路的设计方案：
1.简单一点来说检测输出信号为模拟信号，将信号放大，滤波。用示波器显示模拟信号。信号大致为一类似正余弦的图像，通过数波峰个数来大致确定产生的亮条纹的个数。再乘以栅距就的主光栅的位移。
主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹，为了测量莫尔条纹的位移，必须通过光电器件，将光信号转换成电信号。
在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作相对移动时，光电器件上的光强随莫尔条纹移动，光强变化为正弦曲线，如图12.1.4所示。在a位置，两个光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电器件输出的电信号也最大；在c位置由于光被遮去一半，光强减小；位置d的光被完全遮去而成全黑，光强最小；若光栅继续移动，透射到光电器件上的光强又逐渐增大。光电器件上的光强变化近似于正弦曲线，光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。光电器件的输出电压可用公式表示为
式中——输出信号中的直流分量；
——输出信号中的交流分量幅值；
x——两光栅的相对位移。
通过整形电路，将正弦信号转变成方波脉冲信号，则每经过一个周期输出一个方波脉冲，这样脉冲总数N就与光栅移动的栅距数相对应，因此光栅的位移为
2.细分电路
光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅距。但是，在精密检测中常常需要测量比栅距更小的位移量，为了提高分辨率，可以采用两种方法实现：1）增加刻线密度来减小栅距，但是这种方法受光栅刻线工艺的限制。2）采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均
匀分布的n个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，使分辨力提高到
细分的方法有多种，如直接细分、电桥细分、锁相细分、调制信
号细分、软件细分等。下面介绍常用的直接细分方法。
直接细分又称位置细分，常用细分数为4，因此也称为四倍频细分。图12.1.7给出了一种四倍频细分电路及其波形。在上述辨向电路的基础上，将获得的两个相位相差90o的正弦信号分别整形和反相，就可得到4个相位依次为0°(S)、90o(C)、180o()、270o()的方波信号，经RC微分电路后就可在光栅移动一个栅距时，得到均匀分布的4个计数脉冲，再送到可逆计数器进行加法或减法计数，这样可将分辩率提高4倍。
四倍频细分的优点是电路简单，对莫尔条纹信号的波形无严格要求，其缺点是细分数不高。采用电桥细分、调制信号细分、锁相细分等可有效提高细分数，有关细分电路请参阅其他资料。
光栅数字传感器的应用
光栅数字传感器具有测量精度高，分辨率高，测量范围大，动态特性好，适合于非接触式动态测量，易于实现自动控制，广泛用于数控机床和精密测量设备中。但是光栅在工业现场使用时，对工作环境要求较高，不能承受大的冲击和振动，要求密封，以防止尘埃、油污和铁屑等的污染，成本较高。
四．传感器各部分器件的选择
光栅式位移传感器的主要由照明系统，光栅，以及光电接受系统组成。
1.照明系统的选择：光栅是位移传感器的光源有单色光和普通光源两种。对于栅距较小的光栅，单色性不好会降低莫尔条纹的反差。栅距较大的光栅的黑白光栅常用普通白炽电灯照明。
2.光栅的选择：主光栅材质有玻璃和金属两种。栅线的宽度略大于缝宽。但不大于0.55W 。指示光栅用光学玻璃制作，和主光栅的栅距相等。
3.光电元件的选择：硅光电池或者光电二极管或者光电三极管。
五．误差分析
误差的分析可以从由光栅式位移传感器的各个部分来分析。
光源部分：光源对整个传感器系统的误差主要来源于栅距不同时，光栅对光的特性好坏来确定的。在本次传感器这几种的光源部分产生的影响是可以忽略的。
光栅部分：由计算公式有
θθθcos 2)(cos sin 212
22
12
12
1
22
2
w w w w w w w w
w B -+=
-+=
可见这部分应该是整个系统中出现的误差的主要来源。包括光栅片材质的选择使的光栅片对各种光的特性不一。
第二个是栅距的选择，栅距大，莫尔条纹反差大，信号强，光栅副间歇变化的影响小，而且光栅片容易刻画，成本低，光路简单。
但是分辨率低，要求电子细分倍数大，电路复杂。栅距小时，其结果则相反。
第三个，因为光栅片上刻画的栅线的距离是很小的，且刻画时是很难保证各个栅线之间的距离是完全保持相等的，主副光栅之间的夹角 也是难以精确测量的，所以也会带来误差。
第四个，就是光电接受电路系统中的误差，转换电路设计时，因为水平问题，以及没能预测到的电路设计时线路之间的寄生电容，电感的影响。
六．说明书
光栅线位移传感器概述
开放式光栅线位移传感器为高精度型，输出波形为正弦波，主要用于精密仪器的数字化的改造，最高分辨率可达0.1um；封闭式光栅线位移传感器则主要用于普通机床、仪器的数字化改造，输出的波形为方波，按外形可分为小型尺和标准尺，其中标准型最长可做到3000mm，分辨率有1um、5um。
光栅线位移传感器结构
开放式光栅线位移传感器的标尺光栅裸露在外，微型发光器件和接收器件都装在传感头里。开放式光栅线位移传感器的精度较高，要求的工作环境条件高，通常运用于精密仪器及使用条件较好的数控设备上。
封闭式光栅线位移传感器则是发光器件、光电转换器件和光栅尺封装在紧固的铝合金型材里，其中发光器件采用红外发光二极管、光电转换器件采用光电三极管，在铝合金型材下部有柔性的密封胶条，可以防止铁屑、切屑和冷却剂等污染物进入尺体中。电气连接线经过缓冲电路进入传感头，然后再通过能防止干扰的电缆线送进光栅数显表，显示位移的变化。
光栅线位移传感器工作原理
光栅位移传感器，是由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90°的正弦波或方波，送入示波器显示波形。
光栅线位移传感器参数
测量长度50+0,5 mm
分辨率0.1; 0.2; 0.5; 1μm
准确度± 1 μm / 50 mm
栅距20μm
工作温度0-40°C
最大测量速度0.5 m/s
弹簧耐压0.4-0.8 N
工作电压
5Vss ± 5%
电流(LD 线性差动输出)
max. 130 mA 电流(TTL 输出)
max. 130 mA 防护等级
IP 40
绝缘阻抗
min. 20 MW
输出信号(LD 线性差动输出)
RS 422, 20 mA
输出信号(TTL 输出)L=max. 0.5V at< 10mA H=min. 3.5V at> 2.5mA
尺寸216.23×64×19.79 线性度2.0
采样频率KHZ 2
重量g 400
光栅线位移传感器的安装
光栅线位移传感的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位，一般将主尺安装在机床的工作台(滑板)上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。开放式光栅线位移传感器的安装必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上(如滑板)。
光栅线位移传感器常见故障及判断
1.接电源后数显表无显示
可检查电源线是否断线，插头接触是否良好；数显表电源保险丝是否熔断；供电电压是否符合要求。
2.数显表不计数
可检查传感器电缆有无断线、破损或将传感器插头换至另一台数显表，若传感器能正常工作说明原数显表有问题。
3.数显表间断计数
可检查光栅尺安装是否正确，光栅尺所有固定螺钉是否松动，光栅尺是否被污染；插头与插座是否接触良好；光栅尺移动时是否与其他部件刮碰、摩擦；机床导轨运动副精度是否过低，造成光栅工作间隙变化。
4.数显表显示报警
检查有无接光栅传感器；光栅传感器是否移动速度过快；光栅尺是否被污染。
5.光栅传感器移动后只有末位显示器闪烁
检查A或B相是否无信号或只有一相信号；是否有一路信号线不通；是否光敏三极管损坏。
6.移动光栅传感器只有一个方向计数，而另一个方向不计数（即单方向计数）
可检查是否光栅传感器A、B信号输出短路；光栅传感器A、B信号移相不正确；数显表有故障。
7.读数头移动发出吱吱声或移动困难
检查是否密封胶条有裂口；指示光栅脱落，标尺光栅严重接触摩擦；下滑体滚珠脱落；上滑体严重变形。
8.新光栅传感器安装后，其显示值不准
检查是否安装基面不符合要求；光栅尺尺体和读数头安装不合要求；严重碰撞使光栅副位置变化。
七.参考文献
【1】唐文彦传感器第3版机械工业出版社
【2】杨裕根诸世敏现代工程图学第3版北京邮电大学出版社【3】周知进赵又红机械设计基础中南大学出版社
【4】李小坚赵山林冯晓君龙怀冰protel DXP 电路设计第2版
人民邮电出版社
【5】张国雄李醒飞测控电路第4版机械工业出版社【6】张宏润传感器技术大全北京航空航天大学出版社【7】樊尚春传感器技术及应用北京航空航天大学出版社
目录
第一章绪论 (1)
第二章光栅位移传感器的基本理论 (2)
第三章总体设计 (5)
第四章传感器各部分器件的选
择 (10)
第五章误差分析 (11)
第六章说明书 (12)
第七章参考文献 (16)
传感器课程设计--电涡流位移传感器设计目录 摘要 电涡流位移传感器设计一、设计要求 二、总体设计方案 三、电涡流传感器的基本原理 3-1电涡流效应和传感器等效电路 3-2电涡流形成的范围 四、传感器的结构形式 五、测量电路及分析 5-1 测量电路 5-2 电路各单元分解 六、实验数据及误差分析 参考文献 摘要 随着现代测量、控制盒自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。特别是近年来，由于科学技术的发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域的作用也日益显著。传感器技术的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。在工程中所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，及研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速的非电量技术。电涡流传感器已成为目前电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。关键词:电涡流式传感器传感器技术电量非电量电涡流位移传感器设计一、设计技术要求
1、线性范围(mm):1 2、分辨率(um):1 3、线性误差:《3% 4、使用温度范围:-15~+80 二、总体方案设计 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。根据下面的组成框图，构成传感器。 根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料: (1)敏感元件:传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，耗小，电性能好，热膨胀系数小。线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其损 (2)传感元件: 前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。 (3)测量电路:本电路拟采用变频调幅式测量电路。 三、电涡流传感器的基本原理 3?1、电涡流效应和传感器等效电路 电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转化为阻抗的变化(或电感的变化，或Q值的变化)从而进行非电量电测的。
目录 前言 1课题设计目及意义----------------------------------------------- 1 1.1设计目----------------------------------------------------- 1 1.2设计意义----------------------------------------------------- 1 1.3课题设计任务和规定------------------------------------------- 1 正文 1 课程方案设计------------------------------------------------- 2 1.1系统整体方案--------------------------------------------------- 2 1.2系统整体方案论证-------------------------------------------- 2 2系统硬件构造设计------------------------------------- 2 2.1 51系列单片机功能特点及测距原理------------------------------ 3 2.1.1 51系列单片机功能特点------------------------------------- 3 2.1.2 单片机实现测距原理 ----------------------------------------- 3 2.2 超声波电路构造------------------------------------------------ 4 2.3 超声波测距系统硬件电路设计---------------------------------- 4 2.4 PCB版图设计---------------------------------------------------- 5 3 系统软件设计----------------------------------------- 6 3.1 超声波测距仪算法设计---------------------------------------- 7 3.2 主程序流程图--------------------------------------------------- 7 3.3单片机某些C语言程序-------------------------------------------- 8 3.4超声波测距某些C语言程序-------------------------------------- 11
目录 摘要 (2) 1绪论 (3) 引言 (3) 电容式液位测量技术的发展 (4) 电容式液位测量现状 (4) 电容式液位测量存在的问题 (5) 电容式液位传感器的发展趋势 (5) 2本设计的电容式液位测量方法 (6) 测量原理及实现思路 (6) 液体的物理参数对液位测量的影响 (8) 极板设计 (9) 液位测量系统的基本构成 (11) 3硬件设计 (12) 电源电路设计 (12) 电容测量电路设计 (13)
放大调零电路设计 (14) A/D转换电路设计 (16) 4误差分析 (17) 电容测量误差对精度的影响 (17) 影响液位测量的主要因素 (18) 5总结 (19) 参考文献 (20) 摘要 在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行精确测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。 通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。其中电容式液位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。
本设计采用一种与介质无关的电容式液位测量方法，解决了传统电容测量与被测介质有关的技术难题。它可以应用于动态液位测量，尤其是在被测液体本身介质常数和液位，随时间和环境等因素容易发生变化的场合，如车用燃油油位的计量，从而向当今高精度、数字化、集成化、智能化的科学技术全面发展更迈进了一步，对满足石油化工等液位检测领域的迫切需求具有重大的理论和应用价值，前景十分广阔。 消除电容式液位测量方法中介质介电常数的因素是关键，设计符合测量方法的电容极板，通过电容电压转换电路处理为直流电压信号，由数据采集卡采集后送入单片机或计算机，最终实现算法的设计。其中电容极板设计时需注意消除和减小边缘效应和寄生电容的影响，同时要保证平板电容良好的绝缘性能和抗外界干扰性。 最后在整体设计和理论分析的基础之上，从硬件各部分进行具体的设计，包括硬件电路和各环节的信号量匹配等。通过理论计算和数据分析，验证了此液位仪具有良好的性能，达到了要求的技术指标，同时指出了需要改进和完善的地方。 1绪论
《微机原理及应用》课程设计 超声波测距器的设计 学生姓名郝强 学号20110611113 学院名称机电工程学院 专业名称机械电子工程 指导教师王前 2013年12月27日
摘要 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。 关键词：超声波；传感器；测量距离；控制
目录 摘要 (2) 目录 (3) 1.设计目的 (4) 2.总体方案 (4) 3.硬件设计 (5) 3.1 超声波测距器硬件电路设计 (5) 3.2.1单片机芯片的选择 (6) 3.2.2AT89C51定时计数应用电路 (6) 3.3超声波发射电路设计 (6) 3.3.1选择超声波发生器类型 (6) 3.3.2 超声波发射电路设计 (7) 3.4超声波接收电路设计 (8) 3.5超声波显示电路设计 (9) 4.软件设计 (9) 4.1波测距器的算法设计 (10) 4.2系统的主控制程序设计 (11) 4.3发生子程序设计 (12) 4.4接收中断程序设计 (13) 4.5显示程序设计 (14) 4.6距离计算程序 (15) 5.结论 (17) 参考文献 (18)
六、实验的原理及预期结果 （一）实验原理6.1.1 概述 位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。 6.1.2 原理[8] 计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。“莫尔”源出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线 即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，b =称为光栅 a W+ 栅距。如图6.1所示
图6.1 光栅栅距 目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。如图1.2，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移X 的函数。每当X 变化一个光栅栅距W ，信号就变化一个周期，信号由b 点变化到b '点。由于W bb '=，故b '点的状态与b 点状态完全一样，只是在相位上增加了π2。由图6.2可得光电信号为： ()022u U X W ππ=+m 平均+U sin
题目：位移传感器的设计设计人员： 学号： 班级： 指导老师：许晓平、高宏才、陈焰日期：
位移传感器—光栅的原理和应用 一、概述 位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用（1）。 二、原理 计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b 为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、 50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。如图1，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x的函数。每当x变化一个光栅栅距W，信号就变化一个周期，信号由b点变化到b’点。由于bb’=W，故b’点的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了2π（2）。由图1可得光电信号为 u0=U平均+Umsin(π/2+2πX/W) 式中u0—光电元件输出的电压信号；
《智能仪器仪表设计基础》 课程设计报告 单位： 学生姓名： 专业： 班级： 学号： 指导老师： 成绩： 设计时间：2013 年5月
指导老师提供的设计题目和要求 1、设计题目：基于超声波传感器的障碍物检测电路仿真设计 2、指导老师： 3、设计条件： [1]仿真软件可用Multisim10软件或者saber软件。 [2]超声波传感器详细参数： 工作频率：40KHz±1.0KHz 声压值：≥94dB(30cm/10Vrms sine wave) 灵敏度：≥-82dB/v/u bar(0dB=v/pa)； 余振：：≤1.2ms； -6dB方向性(度)：60°±10° 电容：2000pf±10%； 最大输入电压(Vp-p)：150(40KHz) 使用温度范围：-35℃—+80℃ 储藏温度范围：-40℃—+85℃ 4、设计要求： [1]设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。超声波发射电 路包括升压激励模块。超声波回波接收电路包括一级带通滤波电路、二级带 通电路、回波二值化电路组成。 [2]当在超声波发射电路输入端输入VPP=5V，Vmin=0V的方波信号时，超声 波发射电路输出端能输出VPP=100V~150V，f=40KHZ的一个激励信号。 [3]当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦 波信号时，超声波回波接收电路输出端能输出电平信号。当在超声波回波接 收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平 信号。 [4]附加要求：请用虚拟仪器显示各个电路模块输入端信号及输出端信号 5、参考书目 [1]胡向东，刘京诚，余成波等编著，传感器与检测技术机械工业出版社，2009 [2] 张国雄主编测控电路机械工业出版社，第4版
东北石油大学 课程设计 2015年7 月 8日
任务书 课程传感器课程设计 题目电感式位移传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器姓名祖景瑞学号 主要内容： 本设计要完成电感式位移传感器应用电路的设计，通过学习和掌握电感式传感器的原理、工作方式及应用来设计一个电路。电路要能够检测一定范围内位移的测量，并且能够通过LED进行数字显示。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器等技术。 基本要求： 1、能够检测 0~20cm 的位移； 2、电压输出为 1~5V； 3、电流输出为 4~20mA； 主要参考资料： [1] 贾伯年，俞朴.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，2006：68-69. [2]王煜东. 传感器及应用[M].北京：机械工业出版社，2005：5-9. [3] 唐文彦.传感器[M].北京：机械工业出版社，2007: 48-50. [4] 谢志萍.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002:80-90.完成期限—
指导教师 专业负责人 2015年 7 月 1 日
摘要 测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法，激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制方面。针对目前电感式位移传感器的应用现状，本文提出了一种电感式位移传感器的设计方法，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点，可以广泛应用于机械位移的测量与控制。 关键词：电感式传感器；自感式传感器；测量位移；位移传感器
超声波传感器的设计 与应用
传感器课程设计 （2010级） 题目：超声波传感器的设计与应用 学员姓 名：xxx 学 号：201003011020 学员姓 名：xxx 学 号：201003011027 学员姓 名：xxx 学 号：201003011003 xxx
二〇一三年九月
目录 ...............................................................................................................................................第一章超声波传感器简介........................................................................................ 1.1超声波传感器是什么 (2) 1.2超声波传感器应用前景 (2) 第二章超声波传感器设计 (3) 2.1设计目标描述 (3) 2.2 设计指标 (3) 2.3 传感器结构概述 (4) 2.4 传感器设计原理 (4) 2.4.1 物理部分设计 (4) 2.4.2 电路部分设计 (7) 第三章硬件设计 (8) 3.1 单片机设计 (8) 3.2 传感器设计 (11) 3.3 单片机与传感器连接 (12) 第四章软件设计 (13) 4.1 总体设计思路 (13) 4.2 软件程序 (13) 第五章测试结果与分析 (21) 第六章结论 (22) 参考文献 (24)
第一章超声波传感器的设计 1.1超声波传感器是什么 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 1.2超声波传感器应用前景 随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有 限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以
附录 20 目录 .、八 、- 刖言 1课题设计目的及意义 ---------------------------- 1 1.1设计的目的 ------------------------------------- 1 1.2设计的意义 ------------------------------------- 1 1.3课题设计的任务和要求 正文 1课程的方案设计 ------------------------------- 2 1.1系统整体方案 ----------------------------------- 2 1.2系统整体方案的论证 ------------------------------- 2 2 系统的硬件结构设计 ----------------------------- 2 2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理 ----------------------- 3 2.1.1 51 系列单片机的功能特点 -------------------------- 3 2.1.2单片机实现测距原理 ----------------------------- 3 2.2超声波电路结构 ---------------------------------- 4 2.3超声波测距系统的硬件电路设计 ------------------------- 4 2.4 PCB 版图设计 ---------------------------------- 5 3系统软件的设计 ---------- 3.1超声波测距仪的算法设计- 3.2主程序流程图 -------------- 3.3单片机部分C 语言程序 ----- 3.4超声波测距部分C 语言程序 4实物制作 ---------------------------------- 17 4.1电路板焊接及连线图 ------------------------------- 17 4.2实物调试效果图 ---------------------------------- 18 4.3焊接电路板时所遇问题 ------------------------------ 19 --- 6 -——7 7 -----8 ——11
计算机控制技术课程设 计 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
目录 1 引言 (1) 2 课程设计任务和要求 (2) 3 直流伺服电机控制系统概述 (2) 直流伺服系统的构成 (2) 伺服系统的定义 (2) 伺服系统的组成 (2) 伺服系统的控制器的分类 (3) 直流伺服系统的工作过程 (4) 4 直流伺服电机控制系统的设计 (5) 方案设计步骤 (5) 总体方案的设计 (5) 控制系统的建模和数字控制器设计 (7) 数字PID工作原理 (8) 数字PID算法的simulink仿真 (8) 5 硬件的设计和实现 (9) 选择计算机机型（采用51内核的单片机） (9) 80C51电源 (10) 80C51时钟 (10) 80C51 控制线 (10) 80C51 I/O接口 (11) 设计支持计算机工作的外围电路（键盘、显示接口电路等） (11) 数据锁存器 (11) 键盘 (11) 显示器 (12) 数模转换器ADC0808 (12) 其它相关电路的设计或方案 (13) 供电电源设计 (13) 检测电路设计 (13)
功率驱动电路 (14) 仿真原理图 (14) 6软件设计 (14) 程序设计思想 (14) 主程序模块框图 (15) 编写主程序 (15) 7 总结 (16) 附录1 ADC0808程序 (17) 附录2 数字控制算法程序 (18) 参考文献 (19)
1 引言 半个世纪来，直流伺服控制系统己经得到了广泛的应用。随着伺服电动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。 本文介绍直流伺服电机实验台的硬件、软件设计方案。通过传感器对电机位移进行测量，控制器将实际位移量与给定位移量进行比较，控制信号驱动伺服电机控制电源工作，实现伺服电机的位置控制。其电机位置随动系统硬件设计主要包括:总体方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路设计和测量电路设计。软件编制采用模块化的设计方式，通过系统的整体设计，完成了系统的基本要求，系统可以稳定的运行。 本次设计说明书主要包括主要包括主程序设计、模数转换器ADC0809程序及数字控制算法程序的设计等内容。 通过本次设计，加深在计算机控制系统课程中所学的知识的理解，提高电气设计与分析的能力，为今后的工作打下基础。
超声波避障小车设 计
Harbin Institute of Technology 课程设计说明书（论文） 设计题目：超声波避障小车 院系：电气工程及自动化 班级： 1 21 设计者：张佳炜 学号： 11 0316 指导教师：周庆东 设计时间： .09.14- .09.25 哈尔滨工业大学
课程设计考核表 题目：超声波避障小车 学生姓名：张佳炜班级： 1 21 学号： 11 0316 实验部分考核 总结报告评分 总成绩：指导教师签字：
哈尔滨工业大学课程设计任务书
开题报告 1立项依据 1.1立项目的 （1）设计一辆利用超声波传感器来实现避障功能的小车，使小车对其运动方向受到的阻碍作出各种躲避障碍的动作。 （2）深入学习单片机原理及其应用，提高程序的编写能力。 （3）掌握单片机系统外围电路的设计，了解超声波传感器的工作原理。（4）掌握软件和硬件调试的基本技巧与方法。 1.2立项意义 汽车作为人们不可缺少的交通工具，给人类带来了极大的便利，但随着汽车的量越来越多，交通事故也越来越多。交通事故成为了现在越来越严重的安全隐患。我们必须加强对汽车安全性能的考虑。随着电子技术、信息技术、网络技术的发展，智能汽车概念应运而生，将电子信息网络和汽车接合起来实现汽车的智能化，是传统汽车产业的机遇也是的挑战。汽车的智能化必将是未来汽车产业发展的趋势，在这样的背景下，我们开展了基于超声波的智能小车的避障研究。 超声波具有穿透力强、方向性好、操作简单、方便、快速和安全等的特点，在很多 领域有着广泛的应用前景。超声波作为智能车避障的传感信号，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。作为一个发展大
基于线性霍尔元件的位移传感器设计
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郑州轻工业学院 传感器及应用系统课程设计说明书 基于线性霍尔元件的位移传感器 姓名: 吴富昌 专业班级: 电子信息工程13－０１ 学号：541３０10３0139 指导老师：陆立平 时间：201６.6．27 -2016.７.１
郑州轻工业学院 课程设计任务书 题目基于线性霍尔元件的位移传感器设计 专业、班级电子信息工程13-0１学号39 姓名吴富昌主要内容、基本要求、主要参考资料等： 一、主要内容: 利用线性霍尔元件设计一个位移传感器。 二、基本要求: (１)设计一个位移传感器，并设计相关的信号处理电路。 （２）为达到误差控制要求，需要对霍尔元件的误差进行补偿校正,主要包含霍尔元件的零位误差及补偿和温度误差及补偿。 (3）完成系统框图和电路原理图的设计和绘制，系统理论分析和设计详细明确,有理有据。 （４）信号处理电路应包含激励信号电路、消除不等位电势补偿电路、放大电路、相敏检波电路和低通滤波电路等。 （５）利用软件仿真,得出主要信号输入输出点的波形,根据仿真结果验证设计功能的可行性、参数设计的合理性。 （6）根据模拟结果计算位移传感器的迟滞误差、线性度和灵敏度等参数。 (7）写出300０~5000字的设计报告,主体文本字号为小四号,标题章节字号依照美观合理原则选择，并合理加黑,字体均为宋体。 三、主要参考资料: (１)何金田,张斌主编,传感器原理与应用课程设计指南。哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2009.0１. (2）周继明，刘先任、江世明等,传感器技术与应用实验指导及实验报告。长沙:中南大学出版社,２０06.08. (3）陈育中,霍尔传感器测速系统的设计，科学技术与工程，２010,10:7529-753２. 完成期限：2０16年 6月２7 日-2０１6年 7月１日 指导教师签章： 专业负责人签章: ２016年６月 27 日
课程设计报告 题目超声波测距系统设计 课程名称单片机原理及应用 院部名称机电工程学院 专业电气工程及其自动化 班级 12电气工程及其自动化（单） 学生姓名潘成城 学号 19 课程设计地点工科楼 C304 课程设计学时 20 指导教师李国利 金陵科技学院教务处制成绩
目录 一、概述 (3) 课程设计应达到的目的 (4) 超声波测距系统设计………………………………………………………………… 4 二、总体设计方案及说明 (4) 系统总体设计思路 (4) 系统总体设计框图 (5) 三、系统硬件电路设计 (5) 单片机的最小系统 (6) 单片机的功能与特点 (6) 系统原理分析 (6) 超声波测距原理 (6) 超声波传感器检测电路 (6) 超声波检测电路图 (7) 超声波发生及感应过程 (7) 超声波测距接收 (7) HC-SR04模块 (7) T40、R40超声波传感装置介绍 (7) SCM1602显示模块 (9) 四、系统软件部分设计 (11) 软件流程图 (11) 主程序流程图 (11) 超声波发生子程序 (11) 系统源程序 (12) 五、系统仿真过程与结果...........................................................................13 Proteus仿真软件 (14) 仿真编译过程 (14)
仿真效果图 (15) 六、实物展示 (16) 实物元件与过程 (16) 实物运行与调试 (15) 实物总结 (15) 七、总结 (18) 八、参考文献 (19) 附录，原理图 (20)
（1）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。 （2）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部。 （3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。 （4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。 （5）为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。 （6）光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。 （7）不要自行拆开光栅传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅传感器的精度;另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。 （8）应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。 （9）光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/93440690.html,/
电涡流位移传感器设计 技术要求： 1、量程：0～20mm 2、精度：1mm 3、激励频率：1M Hz 4、输入电压：24V 5、介质温度: -50℃～250℃ 6、表面的粗糟度: 0.4μm～0.8μm 7、线性误差：＜±2% 8、工作温度：探头（-20～120）℃，延长电缆（-20～120）℃，前置器（-30～50）℃ 9、频率响应：0～5KHz 一、总体设计方案 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。根据下面的组成框图，构成传感器。 根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料： （1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。 （2）传感元件: 前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。 （3）测量电路：本电路拟采用晶体振子及其外围电路来产生振荡。同时考虑到当采用晶体振子构成正弦波振荡电路时，有众多的模拟要素需要处理。如电路常数的确定，工作点的设定和负载阻抗的选用等。因此本电路将采用由COMS反向器与晶体振子组成的最简单且稳定性高的电路，来产生频率为1M的方波信号源。 二、电涡流传感器的基本原理 2.1 电涡流传感器工作原理 根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体
课程设计报告 题 目 超声波测距系统设计 课 程 名 称 单片机原理及应用 院 部 名 称 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 12电气工程及其自动化（单） 学 生 姓 名 潘成城 学 号 1205202019 课程设计地点 工科楼 C304 课程设计学时 20 指 导 教 师 李国利 金陵科技学院教务处制
目录 一、概述 (3) 1.1课程设计应达到的目的 (4) 1.2 超声波测距系统设计 (4) 二、总体设计方案及说明 (4) 2.1系统总体设计思路 (4) 2.2系统总体设计框图 (5) 三、系统硬件电路设计 (5) 3.1 单片机的最小系统 (6) 3.1.1AT89C51单片机的功能与特点 (6) 3.2系统原理分析 (6) 3.2.1超声波测距原理 (6) 3.3 超声波传感器检测电路 (6) 3.3.1超声波检测电路图 (7) 3.3.2 超声波发生及感应过程 (7) 3.4 超声波测距接收 (7) 3.4.1 HC-SR04模块 (7) 3.4.2 T40、R40超声波传感装置介绍 (7) 3.5 SCM1602显示模块 (9) 四、系统软件部分设计 (11) 4.1 软件流程图 (11) 4.1.1主程序流程图 (11) 4.1.2超声波发生子程序 (11) 4.2 系统源程序 (12) 五、系统仿真过程与结果 (13) 5.1 Proteus仿真软件 (14) 5.2仿真编译过程 (14) 5.3仿真效果图 (15) 六、实物展示 (16)
6.1实物元件与过程 (16) 6.2实物运行与调试 (15) 6.3实物总结 (15) 七、总结 (18) 八、参考文献 (19) 附录，原理图 (20)
东北石油大学 课程设计 课程传感器课程设计 题目电感式位移传感器应用电路设计院系电气信息工程学院 专业班级测控12-2 学生姓名祖景瑞 学生学号120601240222 指导教师邹彦艳刘继承 2015年7 月8日
任务书 课程传感器课程设计 题目电感式位移传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器姓名祖景瑞学号120601240222 主要内容： 本设计要完成电感式位移传感器应用电路的设计，通过学习和掌握电感式传感器的原理、工作方式及应用来设计一个电路。电路要能够检测一定范围内位移的测量，并且能够通过LED进行数字显示。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器等技术。 基本要求： 1、能够检测0~20cm 的位移； 2、电压输出为1~5V； 3、电流输出为4~20mA； 主要参考资料： [1]贾伯年，俞朴.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，2006：68-69. [2]王煜东. 传感器及应用[M].北京：机械工业出版社，2005：5-9. [3] 唐文彦.传感器[M].北京：机械工业出版社，2007: 48-50. [4] 谢志萍.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002:80-90. 完成期限2015.7.4—2015.7.8 指导教师 专业负责人 2015年7 月1 日
摘要 测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法，激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制方面。针对目前电感式位移传感器的应用现状，本文提出了一种电感式位移传感器的设计方法，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点，可以广泛应用于机械位移的测量与控制。 关键词：电感式传感器；自感式传感器；测量位移；位移传感器
湖南工程学院 课程设计任务书 课程名称单片机原理与应用 课题超声波测距系统设计 专业班级自动化0901班 学生姓名段志勤 学号 200901020130 指导老师李晓秀 审批 任务书下达日期 2012 年 5 月 30 日任务完成日期2012 年 6 月 13 日
目录 序言 (6) 第一章、总体设计原理 (6) 1.1、超声波测距原理 (6) 1.2、超声波测距系统框图 (8) 1.3、程序流程图 (10) 第二章、系统硬件设计 (11) 2.1、超声波模块电路 (11) 2.2、数码管显示电路 (12) 2.3、单片机最小电路 (12) 2.4、键盘连接 (13) 第三章、系统软件设计 (14) 3.1、主程序流程图 (14) 3.2、子程序设计 (15) 第4章、调试结果 (21) 实验总结 (23) 参考文献 (24) 附录 A、整体电路图 (25) 附录B、程序清单 (26)
序言 由于超生波测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色限制，较其他仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀等恶劣环境，具有少维护，不污染，高可靠，长寿命等特点。因此，超声波测距有着广泛的应用领域。利用超声波检测往往比较迅速，简单，计算方便，易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业使用要求。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。 第一章、总体设计原理 本章主要介绍单片机超声波测距的主要原理，包括超声波测距的原理和STC89C52单片机的原理 1.1、超声波测距原理 谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波为直线传播频率越高、绕射能力越弱、但反射能力越强。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器、或称为超声换能器、它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能、向外发送超声波、反之，当换能器处在接收状态时它可将声能(机械能)转换为电能。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超 声波发生器内部结构如图1-1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。
一、系统工作原理 1.1光栅位移传感器的原理 光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅）与位移部件固定连接，随着主光栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移，栅线间夹角为θ，则光栅组透光部分呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，即形成了莫尔条纹。光栅位移传感器位移时莫尔条纹也移动，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电信号。 （a）长光栅结构（b）莫尔条纹的形成 图1 莫尔条纹的原理 电信号再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到单片机对移动的莫尔条纹进行计数，运算后送到LCD屏显示。 1.2系统整体设计框图 系统整体框图如图2所示： 图2 系统整体框图 光栅尺移动产生莫尔条纹，光栅传感器检测后产生近似正弦波的电信号。该电信号经过放大、整形电路将正弦信号变成方波，再经四细分、辨向电路实现模拟信号到数字信号的转变，省去了模-数转换的部分使电路简单，编程容易。细 四 倍 频 细 分 辨 向 单 片 机 计 数 运 算 放 大 整 形 电 路 光 栅 传 感 器 位移信号 LCD 屏 显 示
分信号输入到单片机T0口进行计数，通过程序运算，再由LCD屏显示出运算结果。 二、系统硬件设计 2.1放大电路设计 采用同向比例放大电路，如图3： 图3 同向比例放大电路 同相比例放大电路结构简单，比较常用，放大倍数易于调整。 采用LM324系列运算放大器（引脚图如图4），是价格便宜的差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V。 LM324的特点： 1.短跑保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100nA（LM324A） 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 图4 LM324引脚图9.输入端具有静电保护功能