基于磁环电感的压力传感器.doc

1、The Unit：Harbin University of Science and Technology Electronic Information Science and Technology of The Automation College摘要：基于磁环的压力传感器就是利用压力变化来改变物体的谐振频率, 从而通过测量频率变化来间接测量压力. 谐振式压力传感器输出为频率信号, 而频率信号是能获得最高测量精度的信号, 并且适用于长距离传输而不会降低其精度. 其次它与一般模拟信号不同, 可以不经AD 变换器而方便地与微机连接, 组成高精度的测量控制系统, 适于计算机信息处理. 基于磁环的压力

2、传感器具有抗电干扰能力强,，稳定性极好的特点. The Abstract: The Based on the magnetic pressure sensor is to use the pressure to change the objects resonant frequency, thereby indirectly by measuring the frequency change measuring pressure resonant pressure sensor output frequency signal, and the frequency of signal is th

3、e signal can obtain the highest accuracy, and is suitable for long distance transmission without reducing its accuracy. Secondly it and general simulation different signal, without the AD converter and conveniently connected with a microcomputer, high precision measurement control system, suitablefo

4、rcomputer information processing. Based on the magnetic pressure sensor having resistance to electrical interference ability, stability, excellent characteristics.关键字:压力传感器 谐振 频率 压力 磁环 信号The Keyword: Pressure sensor resonance frequency pressure magnetic signal.正文：1 引言传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，而传

5、感器课程主要介绍了传感技术的基本概念、基本原理和典型应用.虚拟仪器（Virtual Instrument）是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统.使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器.虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了.虚拟仪器(Virtual Instrument)是电子测量技术与计算机科学技术融合而产生的新一代智能仪器.它将传统测量仪器的所有功能由硬件实现变革为由测量电路、计算机和面向对象的图形化软件实现，代表了测量仪器的发展方向.虚拟仪器具有以

6、下特点：尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件；充分发挥计算机强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器；用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器.它的硬件实现大体有以下方式：一种是计算机插人并行总线测量板卡方式，例如插入ISA、PCI、VXI、PXI和GPIB等总线卡；另一种是计算机连接串行总线测量模块，例如连接RS232、RS485和USB总线测量模块；第三种是嵌入式虚拟仪器，它将嵌入式微处理器和测量电路设计在一起.这三种方法都可以用来实现通用和专用测量仪器，但是，目前通用测量仪器基本上采用第三种方案.虚拟仪器的软件基本上是在实时操作系统支持下，利用面向对象的图形化高级编程语言对

7、采集的数据进行分析处理、显示、存储及数据生成.基于虚拟仪器的传感器测试平台就是利用串行总线将计算机和测量模块连接起来，实现对8种传感器信号的测量、信号处理、存储和显示.国内的高等院校对传感器课程都开设了相应的课程设计，但课程设计大多是采用的传感器成品，学生通过对传感器资料的了解和熟悉，搭建测量电路并进行调试，最后记录传感器的动静态特性，属于验证性的设计项目.为使学生更好的掌握传感器知识，有必要让学生根据常见的电子元器件来设计传感器，利用National Instrument公司的ELVIS实验平台对传感器特性进行分析和参数标定，这样才能对传感器知识加深印象，达到良好的教学效果.2 设计平台介绍

8、虚拟仪器传感器测试平台可以完成下列传感器信号的测量和数据处理：电阻应变式传感器、霍尔电流传感器、Ptl00铂电阻传感器、NTC热敏电阻传感器、光敏电阻传感器、光电池传感器、光电转换传感器和颜色传感器.将上述8种传感器做成8个传感器信号调理模块，再将这些模块接人数据采集和处理硬件.本传感器测试平台由2种硬件和软件方案完成.一种是硬件采用NI公司PCI一6221卡，软件采用LabVIEW 实现，该方案的特点是软件和硬件都由NI公司提供，硬件功能较强，软件采用图像化编程语言，而且NI公司提供PCI一6221卡的驱动程序.另一种是硬件采用以ARM 微处理器LPC2378为核心的数据采集和控制模块，通过

9、USB接口与计算机连接，软件采用Visual Basic 2008实现，该方案的特点是结构紧凑，价格低廉，易学易用.虚拟仪器是一种新的仪器模式,它充分利用计算机资源,由接口电路硬件、软件包以及虚拟面板组成.配合传感器和必要的测量电路,构成虚实并存的仪器系统. 本文设计的检测系统中,利用16位的USB 数据采集卡作为接口电路的硬件部分,连接计算机和电容式传感器测量电路,完成A /D和D /A转换.选用基于图形化编程语言(G语言)的LabVIEW软件作为虚拟仪器开发环境,程序中主要包括3个部分:虚拟面板、框图程序、图标/接线端口. 虚拟面板是指在计算机屏幕上绘出的与真实物理仪器面板相似的界面,用户

10、通过鼠标、键盘来操作面板上的按钮、开关等工具,获取数据或查看结果.框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制.图标/接线端口用于定义子程序,便于调用,得以实现层次化、模块化编程. 针对不同的应用需要,程序可以灵活调整,具有很强的开放性.如在后面将要介绍的该系统应用于膏布药层厚度的检测,所设计的虚拟面板包含了数据采集开关、通道选择按钮、波形显示器、定标选择、结果显示框、超标报警器等控件.其友好的人机对话界面,是传统的物理仪器所无法达到的.2实验平台系统框图如图1所示：图1 设计平台系统框图3 基于磁环电感的压力传感器设计硬件设计虚拟仪器传感器测试平台的硬件主要包括两大部分：一部分

11、为计算机接口设计，采用两种方法实现：一种设计方法采用NI公司的多功能数据采集卡PCI一6221，该采集卡具有16位AD、16位DA、脉冲计数、开关量输入和输出等功能.另一种设计方法采用以ARM 微处理器LPC2378为核心的嵌入式数据采集卡，该卡通过USB接口实现与PC机的通信.由于ARM微处理器中的10位AD转换器精度较低，不能满足要求的测量精度，所以在采集板上扩展了1片24位高精度AD转换芯片ADS1258.第一种设计方法主要应用在实验室中，第二种设计方法使该传感器测试平台应用于野外环境.传感器测试平台的另一个分电路是将传感器的非电量信号转换为电量的变换电路和信号调理电路，例如：图2为电阻

12、应变传感器电量转换和信号调理量电路，其它7种传感器测量电路不一一列举.该传感器测试平台的工作原理是将传感器的非电量信号调理为标准信号(05 V或020 mA)后，接人PCI一6221板或嵌入式ARM开发板LPC2378的AD输入端，PC机应用软件启动PC16221卡的AD读取测量结果，或者PC机通过USB接口读取LPC2378板的测量结果.将测量结果在虚拟仪器的前面板显示出来，并且与标准传感器的测量结果进行比较，然后通过曲线拟合对该传感器进行校准.按拟合曲线重新进行数据采集，再与标准数据进行比较，反复几次修正拟合曲线，直到测量结果满足精度要求.3.1 基于磁环电感的压力传感器的工作原理课程设计

13、中的传感器采用磁环并在其上绕线形成电感，使用磁环作为压力感应单元，压力作用在磁环上使磁环发生微变形，导致的磁感参数变化而造成电感改变.如图3所示：图2 磁环电感示意图可以选用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体，前者的高频特性优于后者.锰锌铁氧体的磁导率在几千-上万，而镍锌铁氧体为几百-上千.磁导率越高，传感器的灵敏度越好.磁环的内外径差值越大，纵向高度越大，其阻抗也就越大.为了使磁环的电感特性更加明显，因此采用内外径差值较小和外形尺寸也较小的磁环来作为传感器.匝数越多，对频率较低的干扰抑制效果越好，而对频率较高的噪声抑制作用较弱.通过分析，在磁环上面缠上了5匝线圈左右为宜.3.2 测量电路设计磁环压力传感

14、器测量电路主要由LC振荡回路和反馈整形电路组成.所采用的测试仪测量电路图如图4所示：图3 测量电路原理图a.LC振荡电路：采用磁环L1作为压力感应单元与电容C1并联，形成一个LC选频网络，产生正弦波信号.b.放大电路：由于通过LC振荡电路产生的正弦波信号很小，为了方便下面的测量需要用放大电路将信号放大，主要由Q1，Q2，Q3构成.c.波形转换电路：为了便于测量正弦波的频率需要把正弦波转换成方波.主要由D1，Q4，R4构成.Q4的集电极输出为一个方波，频率大概在30KHz左右，再经过一个非门芯片将其转化为数字电平，最后直接接入ELVIS平台的数字输入接口中就可以测量其频率了.3.3 频率测试器通

15、过将测量电路与CPU相连接，将其变成智能传感器.将测量得到的方波信号送入CPU中，进行处理，并通RS232与MAX232形成真正的压力曲线.图4 Max232与RS232的连接方式软件设计虚拟仪器传感器测试平台的软件完成传统仪器需要硬件完成的部分功能.PCI一6221卡在图形化编程语言LabVIEW支持下，完成对各种传感器的测量和数据处理.用LabEW 所编的程序分为前面板和后面板，前面板相当于传统仪器的面板，里面有各种数据显示和各种开关，用鼠标或触摸屏可以操作这些开关.后面板将一些图形用线连接起来，这些图形可以设置参数，它相当于高级语言的程序代码.LabEW编写的程序可以存储为扩展名为vi的

16、文件，也称作 vi.也可以采用面向对象的模块化结构设计，将主程序设计为主vi ，子程序设计为子vi，主vi可以调用子vi.3.4 形成虚拟仪器最后根据标定数据就可以组成压力测量系统，通过以太网将测量的压力传送出去，LabVIEW的程序框图如图5所示：图5 压力测试系统程序图4 结论1、基于虚拟仪器的传感器课程设计将理论和实践教学良好挂钩，使学生在实践中深化对理论的认识，具有实用性，直观性，先进性，经过实验使学生更深刻的了解了基于虚拟仪器的传感器测量系统工作原理.课程设计在测控技术专业的学生中得到广泛的运用及推广，学生也反映良好，具有较高的实用价值.2、本次压力传感器虚拟实验的设计与开发，是以传

17、感器特性的虚拟实验研究为目的，以虚拟仪器等技术为背景，构建了标定压力传感器虚拟实验系统，实现了通过软件仿真传感器特性测试的功能.虚拟压力传感器标定系统，具有用户界面生动、形象、直观、易操作等特点.3、随着科学技术的迅猛发展，传感器测试与控制技术已越来越广泛的应用于生产生活的各个技术领域.可以说，测试技术与自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志，是现代信息急速的重要技术之一.目前越来越多的新型传感器出现在我们的生活中，传感器的发展前景也是潜力无穷的.参考文献：1潘 炼 传感器原理与应用，【M】，电子工业出版社，2012年1月，PP-284.2周杏鹏 传感器与检测技术，【M

18、】，清华大学出版社，2010年9月，PP-199.3王俊杰、曹丽 传感器与检测技术,【M】, 清华大学出版社，2011年4月，PP-194.4刘君华 智能传感器系统， 【M】，西安电子科技大学出版社，2010年5月PP-88.5 基于虚拟仪器的传感器课程设计建设，6基于虚拟仪器的传感器测试平台，The Reference：1Pan Lian Principle and Application of Sensor，【M】， The Publishing House of electronics industry，2012January.2Zhou Xingpeng Sensor and dete

19、ction technology，【M】，Tsinghua University press，2010September.3Wang Junjie、Cao Li Sensor and detection technology，【M】，Tsinghua University press，2011April.4Liu Junhua Intelligent sensor system，【M】，Xian Electronic and Science University press,2010May.5Sensor based on virtual instrument course design，6 Sensor test platform based on virtual instrument，