传感器应用电路文档格式.docx
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我们设计的超声波测距系统由Polaroid600系列传感器、Polaroid6500系列超声波距离模块和AT89C51单片机构成。
2.1Polaroid600系列传感器
此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。
传感器里面有一个圆形的薄片,薄片的材料是塑料,在其正面涂了一层金属薄膜,在其背面有一个铝制的后板。
薄片和后板构成了一个电容器,当给薄片加上频率为49.4kHz、电压为300VACpk-pk的方波电压时,薄片以同样的频率震动,从而产生频率为49.4kHz的超声波。
当接收回波时,Polaroid6500内有一个调谐电路,使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收,而其它频率的信号则被过滤。
Polaroid600超声传感器发送的超声波具有角度为30度的波束角[3],如图1所示:
超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器,传感器用一段时间发射一串超声波束,只有待发送结束后才能启动接收,设发送波束的时间为D,则在D时间内从物体反射回的信号就无法捕捉;
另外,超声波传感器有一定的惯性,发送结束后还留有一定的余振,这种余振经换能器同样产生电压信号,扰乱了系统捕捉返回信号的工作。
因此,在余振未消失以前,还不能启动系统进行回波接收,以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。
此超声波最近可以测量37cm。
2.2Polaroid6500系列超声波距离模块
Polaroid6500系列超声波距离模块的硬件电路如图2所示:
TL851是一个经济的数字12步测距控制集成电路。
内部有一个420KHz的陶瓷晶振,6500系列超声波距离模块开始工作时,在发送的前16个周期,陶瓷晶振被8.5分频,形成49.4KHz的超声波信号,然后通过三极管Q1和变压器T1输送至超声波传感器。
发送之后陶瓷晶振被4.5分频,以供单片机定时用。
TL852是专门为接收超声波而设计的芯片。
因为返回的超声波信号比较微弱,需要进行放大才能被单片机接收,TL852主要提供了放大电路,当TL852接收到4个脉冲信号时,就通过REC给TL851发送高电平表明超声波已经接收。
2.3AT89C51单片机
本系统采用AT89C51来实现对Polaroid600系列传感器和Polaroid6500系列超声波距离模块的控制。
单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送,然后单片机不停的检测INT0引脚,当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。
计数器所计的数据就是超声波所经历的时间,通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。
超声波测距的硬件示意图如图3所示:
3、系统软件设计
系统程序流程图如图4所示:
工作时,微处理器AT89C51先把P1.0置0,启动超声波传感器发射超声波,同时启动内部定时器T0开始计时。
由于我们采用的超声波传感器是收发一体的,所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震,为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号,要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测,这样就可以抑制输出得干扰。
当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回,微处理器不停的扫描INT0引脚,如果INT0接收的信号由高电平变为低电平,此时表明信号已经返回,微处理器进入中断关闭定时器。
再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。
4、实验数据处理
由于受环境温度、湿度的影响,超声传感器的测量值与实际值总有一些偏差,表1列出了本超声测距系统测量值与对应的实际值:
表1超声测距系统测量值与实际值单位:
cm
从表中的数据可以看出,测量值总是比实际值大出大约7cm,经过分析原因主要有三个方面:
第一方面,超声波传感器测得的数据受环境温度的影响;
第二方面,指令运行需占用一定的时间而使得测量的数据偏大;
第三方面,为了防止其他信号的干扰,单片机开始计数时,驱动电路发送16个脉冲串。
对于单个回声的方式,当驱动电路接收到碰到障碍物返回的第四个脉冲时就停止计数,所以最终测得的时间比实际距离所对应的时间多出四个脉冲发送的时间。
为了减小测量值与实际值的偏差,我们采用最小二乘法[4~5]对表1的数据进行修正。
经过拟合,我们得到下面的方程:
y=1.0145x-9.3354(其中:
y为实际值,x为测量值)
修正后本超声波测距系统测量值与实际值的对应关系如表2所示:
表2修正后超声测距系统测量值与实际值单位:
从修正后的数据我们可以看出,系统的测量误差在±
2%以内,满足我们的测量要求。
5、结论
利用超声波传感器进行测距,其中主要的就是要保证在电路设计上一定要满足电路工作的可靠性、稳定性。
经过实验与分析,我们认为用6500系列距离模块和600系列超声波传感器进行距离的测量简单、经济、可靠,测得数据的误差比较小。
采用高速高分辨率信号采集卡构成超声探伤系统
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---超声波探伤系统生产商在无损探测薄片钢部件中,传统的测量方法都是使用模拟电路。
但现在的市场需要的是能够提供更高性能和更低价格的基于PC的现代化操作系统,以及高速高分辨率信号采集卡。
在讨论信号采集卡在探伤中所扮演的角色之前,先回顾一下整个系统。
宽带超声传感器是自动定位到被测试部件面前的,传感器和部件都放在水槽里。
在反射模式下工作的传感器发射并检测超声波。
接收到超声脉冲发生器/接收器的激励后,传感器忽略部分带宽的超声能量脉冲,并接收从被测部件反射的回波。
在连续超声记录的提取中,通过GPIB旁路链接控制的自动定位臂,以0.1mm的步进移动传感器。
该臂通过一个前后都类似光栅图案的500mm×
500mm矩形网进行扫描,并有快速轴和直交的慢速轴。
当传感器正在沿着快速轴平移时,定位系统以大约每毫秒1步的步伐尾随传送器。
定位控制器装备了输出位置的脉冲发生器,一旦确定了目标位置,控制器就产生一个TTL脉冲。
这个脉冲经常用来使超声波脉冲发生器/接收器发出一个激励。
这样,超声检查只在目标位置自动进行。
在传感器激励以后,相应的超声波回波序列需要返回,因为超声波必须穿过约一米长的水路。
超声激励后,用一个可编程延迟器创建一个持续大约700μs的TTL激励。
这个脉冲触发高速高分辨率信号采集卡。
而超声波回波序列持续大约100μs。
信号采集卡的作用
嵌入式高速高分辨率信号采集卡用来捕获来自传感器电子设备的超声波信号。
系统合并两种信号:
来自传感器中心频率可达10MHz的信号,10MSPS的采样超声信号。
这个采样率可达每信号周期10点,回波时间允许极好的分辨率。
为了探测到尽可能小的裂隙回波,需要尽可能大的动态范围和垂直分辨率。
GageCompuScope14100型信号采集卡可提供100MHz的采样率以及50MHz的模拟输入带宽,以满足超声传感器的需求。
图1是该系统的原理图。
来自超声脉冲发生/接收器的±
1V信号输出直连到数字卡的BNC输入端。
采集卡的输入阻抗为50Ω且可编程,提供与BNC线50Ω阻抗相适应的输入终端,并消除多重信号反射产生的失真。
延迟器的输出被连接到采集卡的BNC外置触发输入。
采集卡提供14位的采样精度。
因为探测到的裂隙回波是任意小的,所以高采样精度在超声无损探测中是必须的。
图2显示了一个真实的来自叠片钢部件的超声信号。
图像描绘了零件前壁反射的较大的回波,后面跟了较小的回波,说明表面之后就是裂隙。
裂隙的回波和前壁回波之间的时间差,与裂隙的深度之间有如下的关系。
D=vΔt/2
其中,D为裂隙的深度,Δt为前壁回波的时延,v为超声波在钢中的波速。
超声扫描的目的是在整个扫描中确定Δt,并绘制一张标示整个部件上裂隙深度的分布图。
跟踪回波的振幅随裂隙的尺寸而增加。
全部超声波信号的振幅由脉冲发生/接收器增益进行调整。
这样前壁回波几乎充满信号采集卡的输入范围,本例中是±
1V。
结果是,在前壁回波不发生削顶失真的前提下,裂隙回波无法进一步放大。
图3展示了图2中裂隙回波放大后的图像,上面的波形是8位分辨率,下面的是14位分辨率。
裂隙回波的振幅大约只是大的前壁回波振幅的1%。
8位的信号采集卡将输入范围分隔成为2^8即256个不同的等级。
这就说明了图3中阶梯一般的回波,只相差2到3级。
该回波波形严重失真,此外,如果该回波一旦小一点,根本就不会被探测到。
相比之下,14位信号采集卡将输入范围分割成2^14即16384个不同的等级,裂隙回波跨越150个等级。
正如图3所示,14位采集卡的高分辨率重现了裂隙回波的形状和位置。
即使回波与背景噪声可作比较,其时延Δt依然可以靠数字互相关分析来提取。
很明显,高分辨率在裂隙回波的探测中至关重要。
在沿着快速轴的线性扫描中,超声触发器分布在规整的1kHz比率。
采集卡不应该漏掉任何这些触发,否则捕获的波形和传感器位置之间就不相关了。
沿着快速轴的线性扫描需要的时间为(500mm/0.1mm)/1kHz,即5s。
下次快速轴扫描的开始是程控的;
然而,因为技术上的原因,慢速轴的重新定位需要至少0.5s。
14位信号采集卡可以通过PCI总线以100MB/s的稳定速率传输数据。
因此,高速采集卡可以捕获50μs的超声波且通过PCI总线将之送入内存,以备下次1kHz的触发。
采集卡仅在诸如MS-DOS这类单任务操作系统下就可满足此性能基准。
采集深度
在Windows环境下还有一个问题。
多任务的Windows并非一个实时操作系统,因而在处理某一任务过程中,被Windows服务其他任务所占用的时间量是不确定的,因此在Windows环境下没有足够的波形捕获能力。
在系统的快速扫描中,可靠的波形捕获能力是非常重要的,不能漏掉任何一个触发。
此问题的解决方法就是采用超深的板载采集缓存。
在多重记录模式下操作数据转换器,成功提取的波形数据堆叠在板载的采集缓存中。
在提取间隙,数据转换器通过硬件进行重整,无须CPU干涉。
因此,一旦开始,多记录模式就不会与多任务模式的Windows环境冲突。
信号采集卡将要求足够的板载采集深度用来保持整个快速轴扫描的数据。
要确定所需内存的数额,就必须计算在单通道100μs的超声记录采样所需数目。
记录长度=100μs×
100MSPS=10000s
由于位置步进长度是0.1mm,而快速轴的长度是500mm,所以在线性快速轴扫描中共有5000个步进位置。
在每一步,信号采集卡都必须捕获一个10000s的记录。
结果是,板载采集深度至少需要
5000record×
10000s/record=50000000s
即需要高达1GS板载采集深度的高速高分辨率信号采集卡,才能适应需求。
在连续的快速轴扫描间隔,系统将把数据从上次快速轴扫描装载到PC内存。
采集卡可以利用一种被称作PCI总线控制的技术,通过PCI总线传输数据。
利用这种方法,数据传输过程中无须CPU的干预。
此外,采集卡的持续传输速率可以高达100MB/s。
因为每次14位采样占用2字节,所以一次快速轴扫描的全部数据传输至少需要
2B/s×
50000000s/(100MB/s)=1s
这样,数据传输不会严重耽搁下次快速轴扫描的数据,因为系统已经要求了0.5s时间用于机械稳定性恢复。
如果数据传输过程暂时被Windows打断,传输时间将略微增加,但是不会丢失数据,而且一旦恢复,传输过程仅需从被打断的地方继续。
Windows2000的任务是在C语言环境下的SDK开发的,这工具提供了便捷易用的例程以满足新开始定制的Windows任务。
因为本高速高分辨率信号采集卡是即插即用的PCI设备,底层硬件细节由Windows操纵,所以不需要任何底层硬件编程。
Windows程序启动位置马达,控制扫描被测部件,然后调用C语言子程序,从采集卡提取、传输数据。
基于高性能PC的高速高分辨率信号采集卡可以提供高采样速度、高垂直分辨率、深采集深度,以及快速的数据传送,使得构筑自动化的、低成本无损探测系统成为可能。
超声波移动物体检测装置
409
图中SPKR1和SPKR2均为压电高音喇叭,用来发送和接收超声波。
电路核心为567锁相环集成电路,完成发送和接收的双重功能。
第⑤脚为方波输出,其频率由R12调整,送至Q1后,由其发射极耦合至由Q2和Q6组成的功放部分,最后推动SPKR1向外送出超声波。
接收超声波由另一只喇叭SPKR2完成,经Q3和Q4的两级高增益放大后送至第③脚,只要接收信号频率在567的带宽之内,LEDl便可发光。
567的调频输出脚为第2脚,信号由此脚经电容C9送至超低频单晶体管放大级Q5的基极,放大后集电极经电阻R9送至倍压整流电路Cll、D2、D1、C12和R13、M1,使FM信号变成模拟电压在M1上读出,M1为0—lmA模拟表。
工作时,发送部分和接收部分同时进行,将SPKRl和SPKR2同方向对准检测目标,彼此相距约为0.3米。
若目标不动,则收到的超声频率与发送频率相同,FM输出为零,M1无读数。
若目标移动,则根据多普勒效应按收频率比发送频率或高或低,FM输出不再是零,移动越快,读数越大。
若倍压整流电路改接成耳机,则根据声音高低还可辨别移动的方向。
简单易制的声光控开关
Lamborghini
734
这款声光控开关电路是根据某公司生产的产品剖析而来,它全部由分立元件构成,而且元件易购,很适合于初学者自制。
电路见图。
该装置与灯泡串联分压后由D1~D4整流成脉动电压对V1供电,再经DW和C1稳压滤波后对V2~V4供电。
白天有光照时,光敏元件阻值减小,V4饱和导通,V3虽然设计在放大状态,但由于集电极电压受V4的钳位很低,故V3不能工作。
V2处于饱和状态,V1也处于饱和状态,SCR的G极与K极之间触发电压很小,SCR不能导通,灯不亮。
晚上无光照时,光敏元件阻值增大,V4截止,V3集电极电压升高。
当MIC拾取到声音后,经V3放大后由C3耦合至V2的基极,声音信号的峰值有可能使V2进入截止区,也可能使V1进入截止区。
V1进入截止区后,SCR受触发导通,灯点亮。
V2进入截止区后,DW上电压通过R4对C2充电。
声音消失后,V2又饱和,C2正极处于地电位,使V1基极为负电位,V1保持截止,SCR保持导通,灯持续点亮。
此后C2通过R4、R3、R2放电,放电完毕V1又处于饱和状态,SCR截止,灯熄。
调整R2、C2的大小可调整灯亮时间的长短。
最近,市场上流行一种声控娃娃的玩具,在1-3米距离内,您拍一次手,娃娃便能发出“爸爸、爸爸”或者“妈妈、妈妈”,的话音,再拍一次手又能发出“哇哇”的器声或者笑声,声音清晰宏亮。
图1为声控四声娃娃的电原理图,该电路采用FL-11集成块,外围元件少,装置简单,如将制作好的声控电路板,接上21/4英寸的扬声器,装入盒中,再外接4节5号电池和支困,接通电源,装入布娃娃体内,一击掌,其发出的哭声和叫喊爸爸、妈妈的声音几科可达到以假乱真的程度。
该电路一般不同调试即能成功。
电路工作过程 在图1所示的电原理图中,T1管是声控管,T2管是功率放大管,HTD为压电陶瓷片加一圆形塑料助音腔。
拍手声经HTD声电转换后变为电信号。
电信号加到T1管的基极b,经T1放大后从其集电极c输出,并送到集成块FL-11内部的解发端,使事先早已存储好的语音信号(即叫“爸”声、叫“妈”声、哭声、笑声)集成块FL-11的输出脚输送到T2管的基极b进行功率放大,以推动扬声器发出模拟人的语音声音来。
图2为声控娃娃的印刷线路板图。
元件的选择及功用 T1声控管采用9014普通晶体三极管(或进口C3198),T2功放管采用8050功率管(5306也可),β应≥200。
R1为振荡电阻,用来调来声音的快慢,现选用标称阻值为270k的电阻。
R2为声控灵敏度调整电阻,可在1.5M-4.7M之间选择。
现选用标称阻值为2MΩ的电阻。
如发现声控灵敏度偏低,可将2MΩ增大到3-4.7MΩ一试。
R3为功放管8050的偏置电阻,一般选用390Ω的电阻为宜。
按图4装置接好所有元器件后,将其(6V电池支架除外)装入塑料盒内,一只声控四声娃娃就制作成功了。
智能化超声波测距专用集成电路SB5227构成超声波测距仪电路图
张殊凡
464
由SB5227构成超声波测距仪的总电路如图所示。
图中省略了发送电路、接收电路及温度检测电路。
图中使用了5片集成电路:
IC1(SB5227AM或SB5227AS);
IC2(8位并行输出的串行移位寄存器74LS164);
IC3(带输出锁存的8位串行移位寄存器74LS595);
IC4(基于I2C总线的2KbE2PROM存储器AT24C02);
IC5(RS-485总线驱动器MAX485)。
在AT24C02中存储着所设定的参数,当突然断电时可防止数据丢失。
LED显示器由5位共阴极数码管构成,最高位(万位)用来显示从机地址(ADDR),其余4位显示测量值,亦可显示出距离的上、下限。
LED显示器以动态扫描方式工作。
由显示驱动器输出的串行数据经过74LS164转换成并行输出的笔段信号,依次通过限流电阻R1~R8接数码管的相应电极(笔段a~g和小数点DP)。
74LS595则构成位选通器。
举例说明,当扫到千位时,Ql=0(低电平),千位数码管即显示数据,而此时个、十、百位的数码管均消隐,依次类推。
晶振电路中包含12MHz石英晶体,振荡电容C1、C2和内部反相器。
NE555构成的超声波液位指示电路图
323
如图所示为超声波液位指示电路。
该电路由超声波发射电路和接收电路组成。
超声波发射电路由555、R1、W1、C1和超声波发射头UCM40T组成。
超声波接收电路由与发射头相匹配的接收头UCM40R、级联放大器BG1和BG2、检测电路组成。
当液面接近接收头时,电压表偏转角增大,且液面离得越近,对应的偏转角越大。
由于超声波具有不受被测液体的浓度和导电性能影响的特性,因此本电路要比一般的接触式液位显示电路要优越,精度会更高。
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