高精度传感器

高精度传感器（通用7篇）

高精度传感器 篇1

德国米铱公司生产的电涡流位移传感器, 主要用于油膜厚度的在线精密测量。此电涡流传感器主要包括控制器 (DT3010-A, 适用于非铁磁材料的测量, 如铝材料) 和传感器探头 (U05, 0.5mm量程, 非屏蔽) 。传感器的线性度达到1.25μm, 静态分辨率达到0.025μm, 频率响应为25kHz, 可在-50～150℃的环境范围内使用, 传感器独特的温度补偿技术可以大大减小由于温升带来的测量误差。

高精度位置传感器的设计 篇2

1 磁阻式多级旋转变压器的性能

1) 输出分辩率为14位。

2) 具有零位标定功能。

3) ±15 V电源供电。

4) 为RS422输出, 比特率为57600bps, 应答模式。

5) 温度范围宽, 可靠性高。

6) 具有较强的抗冲击能力, 适用于各种恶劣环境。

2 磁阻式多级旋转变压器的特点

磁阻式多级旋转变压器是一种新型结构高精度位置传感器。它具有以下特点:

1) 无接触结构, 可靠性高:由于无电刷、接触结构, 可以在恶劣的环境条件下工作, 如机械振动强, 高转速, 高加速度和广泛的温度范围 (-55℃~120℃) 。

2) 高精度:因为采用了多级串联分布绕组, 有均匀磁场的作用及电路串联补偿的功能, 对温度和机械应力不甚敏感。而且极对数越高, 精度也就越高。而普通的多级旋转变压器需要齿轮传动机构实现变比, 齿轮传动机构的误差也影响了多级旋转变压器的精度。

3) 小型化:磁阻式多级旋转变压器的一个转子齿代表一对极, 而普通的多级旋转变压器的一个转子齿代表一个极, 而且在每一槽内还要安置绕组, 因此, 同样的机座, 磁阻式多级旋转变压器能实现极对数大大超过了多级旋转变压器, 反之, 若极对数相同, 磁阻式多级旋转变压器的体积可以比多级旋转变压器小得多。

4) 结构简单, 成本低:由于转子仅为带齿的铁心, 无绕组, 便于加工, 又没有电刷, 所以零部件少。而且磁阻式多级旋转变压器为实现多级而需要的线圈比普通的多级旋变要少。因此, 磁阻式多级旋转变压器的加工费用和材料成本低于一般的多级旋变, 体积和重量也小得多。

3 磁阻式多级旋转变压器的组成和工作原理

磁阻式多级旋转变压器由磁阻式旋转变压器、汇流环、电源转换电路、轴角-数字转换电路[3]、接口电路等五部分组成。其系统组成原理框图如图1。

1) 磁阻式旋转变压器

磁阻式旋转变压器用作角度测量传感器, 能够将角度位置转变为正余弦电压信号。

磁阻式旋转变压器的工作原理是它的激磁绕组和输出信号绕组均固定在定子上, 仅通过转子凸极效应产生具有正弦轨迹的气隙磁导, 从而在信号绕组上感应出正、余弦信号[2]。

2) 汇流环

磁阻式旋转变压器的转子转动时, 实现正常的数据传输。

3) 电源转换电路

电源转换电路包括DC/DC变换电路和DC/AC逆变电路。

DC/DC变换电路是将输入的15 V DC转换为轴角-数字转换电路所需的5 V、3.3 V电压。

DC/AC逆变电路是将输入的±15 V DC转换为磁阻式旋转变压器所需的5 V/1 k Hz正弦交流电压。

4) 轴角-数字转换电路

根据磁阻式旋转变压器输出的模拟电压的特征, 自行设计所有转换电路及软件, 其设计思路如下:

磁阻式多级旋转变压器的角度测量部分由磁阻式旋转变压器、轴角-数字转换电路构成。

磁阻式多级旋转变压器激磁电压为~5 V/1 k Hz正弦波, 即E=Em Sinωt。

当磁阻式多级旋转变压器转过角度为ε时, 输出正弦绕组电压和余弦绕组电压如下:

式中, K为变比系数, εCS为粗示转角, εJS为精示转角。

精示与粗示速比:i。

两组精、粗两相电压经轴角-数字转换电路后, 送入DSP进行数学处理, 求取位置精、粗角度εCS、εJS。最后, 根据减速器精示与粗示速比i求出实际的角度ε。

5) 接口电路

接口电路由TTL-RS422转换电路和RS422输出瞬态抑制电路组成。

TTL-RS422转换电路负责完成TTL电平到RS422差分电平的转换。

RS422输出瞬态抑制电路负责完成RS422总线上的瞬态干扰电平的抑制。

4 结论

磁阻式多级旋转变压器结构简单, 可靠性高, 成本低, 适用于各种恶劣的环境条件。

参考文献

[1]姜燕平.旋转变压器原理及其应用[J].电气时代, 2005 (10) :98-100.

[2]宋雷雷, 王永兴.磁阻式旋转变压器信号绕组阻抗匹配分析[J].微电机, 2011 (2) :9-12.

高精度智能溶氧传感器的研制 篇3

1 测量原理与智能传感器组成

1.1 测量原理

智能溶氧传感器的电极是由铂金阴极、银阳极、氯化钾复合电解液以及氧扩散膜组成, 如图1-1。由于电极两端外加0.68VDC的极化电压, 产生电位差, 介质中的氧通过膜扩散, 使金属离子在阳极进入溶液, 同时氧气通过薄膜扩散在阴极获得电子被还原, 产生一定量的电流与穿过薄膜和电解质层的氧的传递速度成正比, 即在一定的温度下该电流与水中氧的分压 (或浓度) 成正比。整个反应过程为:

阴极还原反应:

阳极氧化反应:

1.2 电极材料的选择与制作

溶氧电极一般是由阴极、阳极、电极蕊座、电解液、氧扩散膜、外壳、膜帽等组成。阴极选用高纯度的铂金, 将其烧结在电极蕊座上, 其与透气薄膜的接触面加工成光滑圆面。阳极选用高纯度的银, 通过电镀等工艺特殊处理后, 环绕在蕊座上, 使其接触面积大。

电极蕊座选用PEK (聚醚酮) 特塑材料注塑成管。PEK硬度和强度很高, 但比重较低, 是替代金属的理想新型材料。其热膨胀系数小, 耐化学药品、防腐性能好, 并且能耐水解和低吸水性, 已经在航空、核电等高科技领域得到应用, 在注塑件和喷涂件等方面取得了很好的效果。

电解液选用以浓度为5-20%的丙三醇为溶剂的0.025M碱金属氯化物盐配制而成, 选用KCl或者Li Cl的浓度一般为0.02M-0.2M (M:摩尔浓度) , 优选使用浓度为0.025M。

膜的厚度选用约1密耳, 为了提高信号与噪声的比值, 要将薄膜要拉伸到显示结晶泛白特性的那一点。

20Kohm的热敏电阻采用森恩MF5E-213H型号, 置于不锈钢管内并封在电极外壳上, 温度响应快速, 读数精确。

1.3 电子处理单元

电子处理单元通过测量上述氧化还原反应中产生的电流, 经过比例放大和滤波处理, 经过一定算法获取溶解氧浓度。微控制器采用CC2530射频芯片, 实现数据的处理, 同时也包含了通讯部分, 采用Zig Bee Pro无线协议格式的设计, 实现2.4GHz免费频段的无线传输。

1.4 主要测量指标

溶解氧测量范围:0-19.99mg/L误差:±0.2mg/L重复性:≤0.1mg/L

温度测量范围:-5~45误差:±0.3温度补偿范围:0~40

为了数据对比, 我们选用美国YSI公司的YSI 52型数字式溶解氧测量仪, 其溶解氧测量分辨率达0.01 mg/L, 准确度±0.03mg/L, 温度分辨率±0.1, 准确度为±0.1。

2 智能传感器的测试与验证

2.1 透气膜实验

2.1.1 同一厚度不同厂家透气薄膜对比

我们选用了四款厚度约0.0254mm的国产透气膜来验证透气薄膜对测量值的影响大小, 实验数据如表1。实验过程中, 在每一个温度点, 测量前都进行了重新校准操作。将电极由空气中放入恒温水浴并轻轻摆动, 稳定后读其值。

从实验数据结果看, 四款自制溶氧传感器与YSI-52型溶氧仪的测量示值差<0.1mg/L, 其测量结果可以接受, 说明四款厚度约0.0254mm的国产透所膜完全符合设计要求, 可以选用。

2.1.2 同一厂家不同厚度透气薄膜对比

我们选用同一个厂家生产的几款不同厚度的材质为PFA-特氟隆膜的薄膜, 制作了几款电极做对比实验。采取间隔四分钟, 各取5次测量值求平均值。实验结果如表2所示。

通过表2的测量结果, 不同厚度的透气膜对测量值会有一定的影响, 0.02-0.035mm透气膜的自制传感器的测量示值与YSI-52比较接近, 其差值<0.1mg/L。而0.05mm透气膜差值<0.2mg/L, 膜厚度影响了其响应, 也稍微影响了一点点测量准确度。

2.2 电解液实验

自制电解液1和电解液2分别选用一定量的KCl和Li Cl, 同时配置一定量的其它表面活性试剂。我们同时选用了上海傲乐电极和苏州汉星电极对应配套的电解液作为对比, 实验结果如表3所示。

从表3的实验数据分析, 四款不同电解液制作成的智能溶解氧传感器与YSI-52的测量示值比较接近, 其差值<0.1mg/L, 符合设计要求。

2.3 重复性验证

选取自制传感器1, 在恒温水浴温度与室温较接近的饱和溶氧水中进行重复性实验, 通过连续6次测量稳定的饱和溶氧水, 计算出标准差。

根据2009年国家质量监督检验检疫总局发布的《覆膜电极溶解氧测定仪》检定规程的计算公式, 得出溶解氧的示值标准差为0.0435mg/L, 完全符合仪器标准差首次检定值<0.15mg/L的标准。温度测量精度≤±0.2, 符合设计要求。

2.4 一致性验证

随机选取五台自制电极的溶氧传感器, 在同一工作环境下, 依次在固定水温的饱和溶氧水中测试, 分别实验了三个温度点, 其实验数据结果如表5所示。

通过表5的实验数据看, 五台自制电极的智能溶氧传感器的测量值一致性良好, 温度误差≤±0.2, 溶解氧测量示值与YSI-52示值对比, 其差值<0.1mg/L, 符合设计要求。

3 结论

根据实际制作多批次的自制智能传感器, 分析了溶解氧测量设计原理, 介绍了电极各部分材料的选择;比较了不同厂家及不同厚度的国产透气膜, 同时选用两家国产电解液与自制电解液进行实验对比。最后进行了重复性和一致性的测试验证。

通过以上各项测试数据与美国YSI公司的52型溶氧仪的数据对比, 其温度和溶解氧的测量示值基本一致, 温度误差≤±0.2, 溶解氧差值<0.1mg/L。同时能自动在0-45范围内进行温度补偿, 温度测量精度为±0.2, 完全达到设计指标要求。

摘要：介绍了氧传感器的工作原理和高精度智能溶氧传感器的制作, 对自制溶氧传感器与美国YSI-52型溶氧仪进行对比试验, 通过现场测试表明:该仪器性能可靠, 具有较高的精度和稳定性。

关键词：溶解氧,水产养殖,传感器,研制,测量仪器

参考文献

[1]中华人民共和国国家环境保护标准, 水质溶解氧的测定电化学探头法HJ506-2009;环境保护部发布, 2009.

[2]佑金.E.谢, 狄恩.Y.林, 汗.V.芮, 法兰克.R.舒, 发明专利, 极谱传感器.1999 (06) .

高精度传感器 篇4

在机器人、航海和航空航天等领域中,都需要导航系统为其导航,导航系统中最重要的就是航向的获得,而传统的罗盘具有体积大、结构复杂、安装不便等诸多缺点,使传统的惯性导航系统无法得到广泛应用。而随着微机电系统( MEMS) 技术的快速发展,MEMS器件的制造工艺不断成熟,使MEMS传感器的制造成本不断降低。基于MEMS传感器设计的电子罗盘具有高精度、低成本、结构简单等特点,因此其被广泛应用于军用民用领域[1]。

利用MEMS三轴加速度计SCA3100 和三轴磁阻传感器HMC5883L,本研究以单片机STM32 作为主控芯片构建电子罗盘[2],,提出用卡尔曼滤波算法对磁阻传感器和加速度计进行数据融合与滤波,构建电子罗盘误差模型,在倾角补偿的基础上以获得较高的航向精度。

1硬件设计

电子罗盘系统由三轴磁阻传感器和三轴加速度计以及主控芯片组成。电子罗盘实物图如图1 所示。载体水平放置时,只需要磁阻传感器在水平面的两轴分量即可计算得出航向角,但是在实际应用过程中,载体不可能一直保持水平状态,因此需要三轴加速度计对电子罗盘进行倾角补偿; 本研究根据三轴加速度计的三轴分量解算得到载体倾斜角,利用倾斜角对三轴磁阻传感器的测量值进行倾斜补偿。

电子罗盘系统通过I2C串行通讯接口读取MEMS传感器数据,微处理器对采集的传感器数据进行融合和解算,建立电子罗盘误差模型。通过串口把解算出的姿态角传输到上位机进行显示,电子罗盘系统框架如图2 所示。

2测姿原理及误差模型

2. 1 测姿原理

电子罗盘水平放置时,电子罗盘的三轴磁阻传感器的X,Y轴测量输出为地磁场水平分量在HH在两轴的分解。通过两轴的数据Hx和Hy即可计算航向角[3,4]:

在应用过程中,电子罗盘很多时候都不是水平放置的,为减小倾斜带来的误差必须用倾角补偿算法,设电子罗盘所在载体坐标系下俯仰角为 θ,横滚角为 γ,偏航角为 ψ,则三轴磁阻传感器在任意姿态下的测量输出为H( γ,θ,ψ)= [Hx,Hy,Hz]T,电子罗盘在水平放置情况下( θ = 0,γ = 0) 磁阻传感器的输出为H( 0,0,ψ)=[HHx,HHy,HHz]T,电子罗盘在完全水平状态下的测量值只要经过两次旋转即可得任意姿态下的测量输出,用公式表示为:

式中: Rθ,Rγ—俯仰角 θ 和横滚角 γ 的旋转转化矩阵。

对式( 2) 进行变换,即可得:

将式( 3,4) 代入式( 5) 可化简得到:

把解算出的HHx、HHy代入式( 1) 中,即可解算出航向角[5]。

电子罗盘倾角补偿过程中必须解算电子罗盘的倾斜角[6],倾角由三轴加速度计解算得出。三轴加速度计的输出为重力加速度在载体坐标系下的三轴分量,电子罗盘水平放置,并且让载体坐标系与参考坐标系( NED坐标系) 刚好重合,这时三轴加速度计的输出为: A( 0,0,0)=[0 0g]T。设电子罗盘处于任意状态时,三轴加速度计输出值为: A( x,y,z)= [AxAyAz]T,根据A( 0,0,0)经过三次旋转即可得A( x,y,z),由此可推导出:

式中: T( γ,θ,ψ)—完成从载体坐标系向参考坐标系变换的方向余弦矩阵。

由式(8)可得:

式中: g—当地的重力加速度。

2. 2 电子罗盘的误差模型

电子罗盘的主要误差源来自磁阻传感器,①磁传感器本身存在的误差影响; ②磁传感器周围的铁性物质也会对传感器由干扰[7],铁性物质的干扰分为硬铁干扰和软铁干扰。

在没有任何干扰的情况下,电子罗盘旋转一周,磁阻传感器的测量输出曲线应该是一个标准圆形且圆心无偏移。硬铁干扰一般产生于永久磁铁,这些干扰会很稳定地存在,当存在硬铁干扰时,电子罗盘输出的曲线圆心会被移动。软铁干扰来源于地球磁场和罗盘附近磁性材料的相互作用,其干扰程度与罗盘的方向有关[8]。

要获得高精度航向角,必须进行补偿,针对不同的干扰,采取不同的误差补偿方式,如果干扰源是硬铁干扰,则采取零位修正方式补偿:

修正后的输出值可得:

对于软铁干扰,则采取倍数补偿,以X轴为参考轴,设常数k为系数[9]:

修正后的输出为:

如果同时存在硬铁干扰和软铁干扰,则修正后的输出为:

Z轴与X轴和Y轴垂直正交,不会影响X轴和Y轴的测量。

3实验与分析

本研究根据电子罗盘的误差模型,把电子罗盘旋转一周,采集电子罗盘X、Y轴数据并用Matlab显示。如图3 所示。

消除电子罗盘的干扰,用误差模型对电子罗盘进行补偿后电子罗盘的输出航向角如图4 所示。

本研究用VC + + 编写了电子罗盘的显示界面,其中左边、中间、右边指针分别表示俯仰角、横滚角和航向角。姿态角三维显示如图5 所示。

4结束语

由于易受到干扰,电子罗盘的输出一般都有误差,如图3 所示,电子罗盘旋转一周后的数据圆心不在生存原点,需要进行误差补偿,补偿后电子罗盘的航向角如图4 所示,航向可达到0. 5°的静态精度。

本研究将MEMS传感器应用到罗盘中设计并制作电子罗盘,提出电子罗盘误差模型,用卡尔曼滤波算法对磁阻传感器和加速度计进行数据融合与滤波,在利用加速度计计算倾角的基础上对电子罗盘进行倾角补偿,用VC + + 编写电子罗盘的上位机显示界面,进行电子罗盘的输出角度和精度实验,结果表明该电子罗盘获得精度优于0. 5°的静态姿态角,相对传统的电子罗盘具有明显优势,使用了MEMS技术的高精度电子罗盘在航空航天、车辆导航、机器人等领域具有广泛应用。

参考文献

[1]王立冬,贾英江,磁阻罗盘及其在车辆导航中的应用[J].测控技术.2000,19(2):10-12.

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[3]杜英,李杰,孔祥雷,等.无航向基准条件下电子罗盘的误差补偿方法[J]传感技术学报,2010,23(9):1285-1288.

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[5]FANG J,SUN H,GAO J,et al.A Novel Calibration Method of Magnetic Compass Based on Ellipsoid Fitting[J].Instrumentation and Measurement,IEEE Transactions on,2011,60(6):2053-2061

[6]王君,罗冰.基于磁阻传感器的带倾斜补偿的电子罗盘的研制[J].河南大学学报:自然科学版,2009,39(3):244-246.

[7]XI SHENG-LI,DONG Hua-jiang,XIONG Ying-shu,et al.Development of Electronic Compass for Indoor Mobile Robot[J].Advanced Electrical and Electronics Engineering,2011,87(2):121-128.

[8]陈瑜,张铁民,彭孝东.一种磁阻式电子罗盘测试和标定方法研究[J].传感技术学报,2014,27(5):622-626

高精度传感器 篇5

随着现代电力工业的发展,电力系统的传输容量不断增加,电网运行电压等级也越来越高,目前我国电网已将原来的220 kV骨干电网提高到了500kV。

传统的基于电磁感应原理的电磁式电流传感器(CT)结构简单,经过长期的应用研究,其测量稳态电流的精度可以达到万分之几的精度甚至更高。然而,电磁式CT逐渐暴露出相当严重的缺陷。短路故障情况下,电磁式CT出现严重的磁饱和现象,导致二次输出电流波形严重失真,不能准确描述短路时的过渡过程[1]。这也是继电保护长期以来误动和拒动的主要原因之一。

基于Faraday磁光效应的光学电流传感器(OCT)能够有效地克服这些缺点。相比于传统的电流传感器,OCT具有绝缘性能好、不饱和、抗干扰、动态范围大、频率响应范围宽等优点[2,3,4,5,6,7]。过去的很长一段时间里,一直是新型电流传感器的主要研究热点。

而基于Faraday磁光效应的OCT的测量精度由于受到了温漂和不能长期稳定性运行问题的影响[8],在世界范围内长达40多年的研究中一直没有取得实用化成果。

为了解决OCT温漂的问题,引入闭环系统的思路来增强OCT系统的测量精度。

1 闭环负反馈OCT系统

1.1 光学电流传感器数学模型分析

基于Faraday磁光效应的OCT进行电流测量的基本原理是磁光材料在外加电场和光波电场共同作用下产生的非线性极化过程,即磁场方向与线偏振光的传播方向平行时,线偏振光通过置于磁场中的磁光材料后,出射后的线偏振光与入射时的偏振平面之间将产生法拉第旋转角θ,如图1所示[9]。

法拉第旋转角θ表达式为:

式中,μ为法拉第磁光材料的磁导率;V为磁光材料的Verdet常数,与材料特性、光源波长及外界温度等有关;H为被测电流所激励的磁场强度;L为磁场作用下的线偏振光的有效长度;l为积分矢量[10]。

线偏振光在外加磁场的磁光材料中传播时,可以分解为两个相反转动的左、右圆偏振光分量,这两个分量无相互作用地以不同速度n-/c、n+/c进行传播。出射后的两个分量之间仅存在相位差,合成后光仍为线偏振光,但其偏振面对于入射光旋转了一个法拉第旋转角θ:

其中:n+和n-分别为左、右旋圆偏振光的折射率,它们是有效场Hi的函数,有效场包括外磁场H和温度作用场Hv;L为传播距离。

线偏振光携带着被测磁场的信息进入光电转换器后将光信号转换为电信号才能进一步处理。应用马吕斯定律将不可测的偏转角转化为可测的偏振光的光强,再利用偏振分束器分成两束光,分别入射到两只光电转换器中。两只光电转换器所接收的光强分别为:

其中,P0为光源发出的基本光强。

外界温度对光学电流传感器的影响除引起了磁光材料Verdet常数的变化外,主要是温度变化在磁光材料中产生了线性双折射,使得原来的线偏振光转变为椭圆偏振光[4],从而产生了误差,反映在两只光电转换器所接收的光强上为:

其中,φ是线性双折射。

此外,光电转换器将携带有被测电流信号的光信号转换为计算机可测的电信号。根据光电转换器的特性,其输出方程可以用式(5)表示:

按照Farady磁光效应原理的光学电流传感器的基本原理和构成,以及考虑到温度因素的影响,可以得到图2数学模型方框图[9]。

1.2 闭环负反馈思想的引进

从对整个OCT系统数学模型的分析可以看出,原有的OCT在本质上是开环系统,若要实现OCT的高精度测量,就必须构成闭环系统,才能彻底解决OCT测量温漂的难题。

温度对OCT的影响最终作用于直流光强和交流光强中,只要将与交流光强一同输出的直流光强稳定于一个设定值就可以消除温度的影响。

为此,在原有光学电流互感器的基本组成结构上,将光电转换后的电信号进行高精度微弱信号处理,以抑制光电转换器中噪声的影响;再进行高精度交直流信号的分离,交流信号输出反映为被测电流;直流信号与光源设定电源输出的基本光强信号进行比较,将比较值输入高稳定度光源可控直流源中,直流源的电流提供给光学电流互感器的光源。由此而形成闭环,构成光学电流互感器的反馈自校正控制系统。

闭环负反馈系统原理图如图3所示。

图3中,输入至高稳定度光源可控直流源中的信号是设定值与反馈值之间的比较量。

2 高稳定度光源可控直流源控制系统设计

不管是温度的影响还是输入电流的波动,都最终反映在光源发出的光的强度上。为此,在光源的输出口增加一个分束器,将光源的输出光分成1:99的比例,将1%的光强反馈回直流源的一个光电转换器上,根据反馈光强的波动来按照一定的控制规律调整输入电流的大小,原理图如图4所示。

为了实时调整输入电流的大小以达到跟随反馈光强波动的目的,就必须能很好的对X9241数字电位器实现控制。

2.1 X9241数字电位器分辨率扩展

X9241型数字电位器是由四个数字电位器集合而成,每个数字电位器都有63个抽头,为了实现对输入电流的良好控制,就必须对数字电位器实现分辨率扩展。

X9241数字电位器扩展思路如图5所示。

数字电位器分辨率扩展推导:

将式(6)变形为:

由于X 0、X3均只能取整数,故为了得到最大的分辨率,令X3=X 0+1、X0=x

假定,z相当于等效后的滑动头的位置。因为,则z∈(0,8001],中间抽头增加到8 001个,分辨率大大提高。

其中,x∈(0,63],y∈(0,127],且x、y均取正整数。

对式(7)进行分析可知,给定z值即可求得x、y的值:

各滑动分接头的取值策略为:

2.2 X9241数字电位器控制策略分析

从数字电位器分辨率的扩展推导过程可知,数字电位器POT0、POT3作为粗调部分,数字电位器POT1、POT2作为微调部分。微调部分控制分析策略如图6所示。

禁止滑动端DW1、DW2的实现:

控制策略的软件实现流程图如图7所示。

2.3 高稳定度光源可控直流源控制结果分析

由C8051F310控制下的X9241数字电位器,在完成高分辨率扩展后,嵌入整个OCT系统中进行实验。实验结果如表1所示,其中扩展后的数字电位器各端口之间为电压测量值,单位为V。

分析可知实验的控制输出结果满足高精确度的要求,如图8所示。从而实现了对输入电流的高分辨率调整,也同时达到了实时跟随反馈光强波动的目的。

3 小结

本文在对基于Faraday磁光效应原理的光学电流传感器数学模型进行分析的基础上,通过将受温漂影响的直流光强与光源设定单元光强进行比较,并将比较值作为高稳定度光源可控直流源的输入,从而引入闭环负反馈控制,补偿了由环境变化给光学电流传感器带来的误差,进一步增强了光学电流传感器的测量精度,大大提高了继电保护装置的稳定性和可靠性。理论分析和硬件实验对其可行性进行了充分的证明,也为下一步实用化奠定了基础。

参考文献

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高精度传感器 篇6

关键词：高精度压力传感器,高精度放大器,液位测量,液位控制

1 引言

液位的测量和控制在工农业生产和社会生活中有广泛应用, 迄今为止, 在各行各业的应用中, 对液位的测量和控制采用的方法比较多, 也相应的不断有实际产品问世。液位测量的方法可以大体上归纳如下[1]:电子类液位测量法、浮子法、人工检尺法、超声波法、光纤传感器法。这几种方法, 各自针对不同的实际问题有不同的测量特点。

本设计采用的方法属于电子类液位测量法, 将高精度压力传感器放在待测液位容器底部, 当液位高度变化时, 容器底部液体压力会发生变化, 因此压力传感器输出的电信号也会发生变化, 通过电子线路处理传感器输出的电信号, 再经过数字化及计算机处理, 可以得到液位变化的数字, 经过精确标定可以得到液位及其变化的准确数字。

2 设计方案

2.1 设计方案要求

(1) 要求4位数码显示器能显示实时的液位高度; (2) 要求设置2个按键, 通过按键能够设定和修改目标液位值, 在实际液位偏离目标液位时, 系统能够启动加液或减液装置, 目标液位值保存在系统中, 关机后重新开机时, 值不变; (3) 系统具备标定功能, 不同密度的液体标定后能够正常使用; (4) 要求具备较高精度, 液位测量和控制达到毫米级。

2.2 设计方案的确定

整体系统框图如图1。设计中为了对压力进行检测, 就需要将压力传感器输出的模拟量进行测量。由于压力传感器输出的电压很微弱, 不便于A/D进行模数转换, 于是增加了一级放大电路以匹配A/D对输入模拟量的要求。在经过单片机处理后由继电器控制执行机构进行相关液位的控制。同时由显示部分实时显示压力值, 并通过键盘由用户输入、调整相关参数。

设计中满足高精度和稳定性是第一位的。高精度对压力传感器、放大电路及A/D转换电路提出一定的精度要求, 同时应尽量使用集成度高的元件以降低电路的复杂性, 方便调试, 更降低了电路的故障率。

系统中用了两块单片机CPU1和CPU2, 其中CPU1为主控单片机, 负责控制A/D采样, 及控制继电器动作, 以根据需要加液减液;CPU2专门负责键盘和显示, 两个CPU之间通过串口进行数据通信。

3 系统设计

3.1 系统硬件设计

3.1.1 放大电路

目前大部分线路都是采用单电源供电, 而且用户一般提供单电源, 而大部分采用双电源是为了保证零位的读数。对于使用智能化设计, 调零部分完全可以采用的是软件方法, 零位可以有一段区间, 只要在程序中加以处理就是。故运放采用单电源, 既可以保证性能也可保证线路的简单。由于整个系统采用5V供电, 为了保证电路之间的高低电压之间的匹配问题, 所以运放也是最好采用5V供电模式, 而由于传感器的共模一般在3.5V左右, 所以要求放大集成电路具有高的共模范围。通过查阅资料和试验测试发现, 美信公司生产的MAX4194仪表级运放完成可以满足上面的性能, 且价格适中。故最终决定采用了MAX4194。图2是压力传感器与MAX4194连线图。

3.1.2 单片机A/D采样电路

为了提高测量精度, A/D采样电路使用集成电路CS5513, 这是20位串行模/数转换芯片。它是一种低成本、易于使用、可用于直流测量的△一Σ模/数转换器, 其内部包括一个4阶△一Σ调制器和一个滤波器。图3A/D电路与单片机接口电路原理图。

图3中电路中的单片机STC10F08XE的三个口线P3.2、P3.3、P3.4分别与CS5513的数据出、读数时钟入及片选线相连。CS5513工作于单电源方式, 参考电压VREF和正电源V+与+5V连接, 负电源V一和模拟输入端AIN一与模拟地连接。可计算出差分输入范围大约为±3.9V, 转换器的参考电压为+5V。利用上述两个结果即可算出模拟输入的有效范围为一1.1~+3.9V, 这与实际测量的结果基本一致。由于压差传感器存在一定的零点漂移而可能出现往负电压漂移的情况.所以一1.1~+3.9V的模拟输入有效范围对实际应用非常有利。

3.1.3 单片机与EEPROM接口电路

X5645是一种64K位SPI接口EEPROM的CPU监控器。X5645集成了四个常用的功能, 上电复位控制, 看门狗定时器, 电源电压监督和块锁保护的串行EEPROM。X5645的存储器部分是一个CMOS串行Xicor公司的块锁保护EEPROM阵列。EEPROM的存储空间共分为512页, 每页有16字节, 每个字节有8位。EEPROM的存储容量为8192字节, 需要占用144位的地址 (设为A143—A0) 空间。若用A143—A0表示其存储单元地址, 那么高140位表示其页的地址, 低4位表示其页内16个字节的地址。EEPROM存储单元最高位地址在读写指令中设置。该器件具有一个串行外设接口 (SPI) 和软件协议, 允许操作一个简单的四线总线。

图4是单片机与EEPROM接口的电路原理图, 图中X5645的RST (7脚) 接上拉电阻后接单片机的复位脚, 提供复位信号, X5645的5根控制脚分别接单片机P3、P1口的部分控制口线。

3.2 系统软件设计

系统软件包括键盘和显程序、A/D程序、液位高度计算、控制程序及EEPROM读写程序等等。图1中在CPU1中编程的有A/D采样、液位计算、控制及EEPROM读写等程序, CPU2是专门用于控制键盘输入和4位LED显示的单片机, CPU1和CPU2之间是串行通讯, 波特率为9600bit/s。CPU1通过串行口将要显示的数据传给CPU2, CPU2通过串行口将按键键码值传给CPU1, CPU1在键码值传来时引起串口中断, 执行相应键值的中断处理程序。

为了提高液位的测量精度, 软件在计算液位时采用5点标定, 即在标准液位的5个高度, 记下A/D采样值, 计算出高度系数, 存在EEPROM中, 这样在测未知液位时, 通过采样值和高度系数, 计算出未知液位的高度。

图1中的继电器是为了控制液位进液或放液, 根据EEPROM中所存的设定液位值, 计算出控制继电器的液位提前量, 当实际测量液位达到提前量时, 打开或关闭继电器, 即打开或关闭进液 (放液) 阀。

4 结语

本设计将高精度压力传感器放在待测液位容器底部, 当液位高度变化时, 容器底部液体压力会发生变化, 因此压力传感器输出的电信号也会发生变化, 经过数字化及计算机处理, 可以得到精确的液位值。系统中设计了两片单片机, 一片负责控制采样, 另一片负责控制显示与键盘输入。系统中设计了EEPROM存储器, 用于存放液位设定值及液位系数, 通过继电器控制使得液位保持在设定值。

参考文献

高精度传感器 篇7

DS18B20是美国DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器。即单总线器件, 它具有多点测温、测温精度高、微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点。DS18B20温度测量范围为-55～+125℃, 可编程的分辨率为9～12位, 测温分辨率可达0.0625℃。因此, 在一根通信线上挂多个DS18B20, 组成一个高精度的测温系统, 十分方便。下文以Keil C51系列单片机为核心, 采用DS18B20数字温度传感组成一个最简的高精度温度测量系统, 同时给出了应用范围和DS18B20使用中注意事项。该系统在Keil uVision2平台调试成功。

2 硬件设计

系统采用与MCS-51系列单片机兼容的ATMEL公司生产的AT89C52为控制芯片, 如图1所示。

传感器采用一线式数字温度传感器DS18B20, 如图2所示, 只需一个单片机端口就能与多个DS18B20通信, 占用微处理器的端口少, 可节省大量的引线和逻辑电路。

LED温度显示电路图如图3所示。LED第8位显示温度负号, 温度值保留3位小数。

3 软件设计

软件分为DS18B20初始化、温度读取、数据处理和温度显示等, 代码如下:

4 应用范围

该测温系统适用以下范围:

(1) 冷冻库、粮仓、储罐、电讯机房、电力机房、电缆线槽等测温和控制领域。

(2) 轴瓦、缸体、纺机、空调等狭小空间工业设备测温和控制。

(3) 汽车空调、冰箱、冷柜以及中低温干燥箱等。

(4) 供热/制冷管道热量计量、中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。

5 DS18B20使用中注意事项

DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点, 但在实际应用中也应注意以下几方面的问题:

(1) 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿, 由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送。因此, 在对DS18B20进行读写编程时, 必须严格保证读写时序, 否则将无法读取测温结果。

(2) 在DS18B20有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题, 容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20, 在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20超过8个时, 就需要解决微处理器的总线驱动问题, 这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

(3) 连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中, 当采用普通信号电缆传输长度超过50m时, 读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时, 正常通信距离可达150m, 当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时, 正常通信距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此, 在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

(4) 在DS18B20测温程序设计中, 向DS18B20发出温度转换命令后, 程序总要等待DS18B20的返回信号, 一旦某个DS18B20接触不好或断线, 当程序读该DS18B20时, 将没有返回信号, 程序进入死循环。这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线, 其中一对线接地线与信号线, 另一组接VCC和地线, 屏蔽层在源端单点接地。