李军传感器技术及应用课程设计报告标准2DOC.docx
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李军传感器技术及应用课程设计报告标准2DOC
西京学院
课程设计报告
项目名称:
基于超声波传感器的坦克火炮弹着点自动检
测系统的方案设计
所属课程:
传感器技术及应用
实践日期:
2012/11/14-2012/12/14
班级测控1001班
学号1009251003
姓名李军
成绩
机电工程系
课程设计概述:
【课程设计目的及要求】
1.课程设计目的
⑴掌握超声波传感器(空气探头)的基本原理及应用
⑵学会利用超声波传感器检测弹着点的坐标的原理
⑶完成超声波传感器的布局设计及主要的测试转换电路设计
⑷利用课堂所学知识解决实际问题,理论联系实际,提高分析问题的能力,解决问题的能力。
2.课程设计要求
⑴综合运用传感器与检测术及应用的理论知识独立完成一个超声波传感器对于炮弹弾着点的检测工作;
⑵该超声波传感器实现对于弾着点的定位功能;
⑶完成弾着点的坐标位置的分析与点位原理设计;
⑷完成自动报靶系统的基本原理以及主要的转换电路;
⑸做出信号处理软件的原理框图以及工作方式设计;
⑹培养学生创新精神和扎实的设计技能。
3.课程设计原理
(一)、传感器工作原理
图1为发射电路。
电路采用分立器件构成,VT1和VT2以及R1~R4、C1、C2构成自激多谐振荡器,超声发射器件B被联接在VT1和VT2的集电极回路中,以推挽形式工作,回路时间常由R1、C1和R4、C2确定。
超声发射器件B的共振频率使多谐振荡电路触发。
因此,本电路可工作在最佳频率上。
图2为接收电路,结型场效应VT1构成高输入阻抗放大器,能够很好地与超声接收器件B相匹配,可获得较高接收灵敏度及选频特性。
VT1采用自给偏压方式,改变R3即可改变VT1的表态工作点,超声接收器件B将接收到的超声波转换为相应的电信号,经VT1和VT2两极放大后,再经VD1和VD2进行半波整流变为直流信号,由C3积分后作用于VT3和基极,使VT3由截止变为导通,其集电极输出负脉冲,触发器JK触发D,使其翻转。
JK触发器Q端的电平直接驱动继电器K,使K吸合或释放。
由继电器K的触点控制电路的开关。
(二)传感器介绍
1发射超声波传感器
图3发射超声波传感器
2接收超声波传感器
图4接收超声波传感器
3介绍
传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子压电晶片组成,压电晶片作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子压电晶片与放大电路组成,压电晶片接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测.而实际使用中,用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。
控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
超声波传感器电源(或称信号源)可用DC12V±10%或24V±10%。
当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和频率的变化产生机械变形。
另一方面,当振动压电陶瓷时,则会产生一个电荷。
利用这一原理(压电效应:
某些晶体或多晶体陶瓷电介质,当着一定方向对其施力而使它变形时,内部就会产生极化现象,同时在它的两个对应晶片面上便产生符号相反的等量电荷当外力消失后,电荷也消失,有重新恢复不带电状态。
逆压电效应:
当在电介质的极化方向上施加电场作用时,这些电介质体会在一定的晶轴方向产生机械形变,外加电场消失,变形也消失),当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器,所谓叫双压电晶片元件,施加一个电信号时,就会因弯曲振动发射出超声波。
相反,当向双压电晶片元件施加超声振动时,就会产生一个电信号。
基于以上作用,便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
超声波传感器的探头主要是由压电晶片组成通过压电效应和逆压电效应实现了超声波的产生和接收。
(三)测量转换电路的工作原理
(1)测量电路的基本组成部分
测量转换电路由同步电路,脉冲发生器,功率放大器,发射超声波传感器,接收超声波传感器,选频器,检波器,低通滤波器,低频放大器,整形电路,微分电路,脉冲放大电路,计时电路,显示器等。
图5测量转换电路
图6计时脉冲图
(2)工作原理
图7传感器阵列弹着点定位模型
如图7所示,传感器阵列弹着点定位模型由分别位于A、B、C、D点(以o为圆心、r为半径的圆与靶面坐标轴的交点)的超声波发射接收装置组成,该测量系统利用炮弹发射的回波信号,采用超声波传感器获取回波信号的时间差来实现定位。
C、D点分别安装两对不同频率的超声波发射接收装置,A、B点安装分别与C、D点传感器同频率的超声波接收装置,c、d发射不同频率的超声波,接触炮弹后由炮弹表面反射产生回波,回波信号分别由a、b接收。
a接收的回波信号经处理触发计时电路开始计时,直到c接收到回波信号计时停止,计为t1;b接收的回波信号经处理触发计时电路开始计时,直到d接收到回波信号计时停止,计为t2。
(3)弹着点坐标的确定
由图7知,M(x,y)为火炮弹着点,CM、DM分别与圆交于N、Q,定义方向角α、θ、β分别为CM与y轴夹角、DM与x轴夹角、OM与x轴夹角。
这里考虑到传感器圆形阵列(r<)相对较小,因此可近似认为MA=MN,MB=MQ。
由圆和三角形
(4)确定空气探头超声波传感器指向性
课程设计内容:
【设计方案规划及技术要求】
1.设计方案的规划
通过同步电路控制脉冲发生器,计时电路,超声波发生器等,用计时电路的时间T,超生波在空中传播速度S=344m/s和各个传感器的具体位置的坐标(为了方便计算,人为建立坐标)
2.技术要求包括
传感器的距坐标原点的位置精确到千分之一;为了避开大自然声波带选用标准脉冲40KHz的脉冲发生器;9V--16稳压电源;其他电路都要求是稳定,可靠的;计时电路计时精度0.1
s。
【方案设计】
总体设计:
我们把系统的总电路分为三个大块:
1.超声波发射及驱动放大电路;
2.超声波回波接收检波滤波整形微分;
3.计时显示部分电路。
4、同步电路
超声波信号由QA206D产生,通过QA206D输出一个40kHz的脉冲信号,持续发射216
s。
原始信号是5p-pV,经过运放放大3倍,驱动超声波发射头发出15p-pV,40kHz的脉冲超声波。
接收头与发射头配对,接受后将超声波调制脉冲变为交变电压信号,经运放放大5倍后加至高通有源滤波电路。
滤除一些低频杂波,送至计时电路处理。
通过程序计算得到所测距离后,转化成ASCII码送到液晶显示器显示
1.信号发射驱动:
1.1发射
图8脉冲发生器QA206D
QA206D函数/任意波形发生器是一款双通道发生器,基于DDS直接数字频率合成技术,可生成稳定、精确、纯净和低失真的输出信号;丰富的标准配置接口,可轻松实现仪器远程控制,为用户提供更多解决方案,可满足当前复杂信号需求的快速、功能全面的信号发生器。
QA206D包括与其相配套的PC端控制软件SignalVirtuoso(信号处理能手)。
SignalVirtuoso充分利用PC屏幕强大,生动的彩色图形界面显示功能,采用3D效果控件,操控简单方便,轻而易举产生高质量的标准脉冲信号等。
1.2信号放大
图9信号放大电路
电位经过运放放大,驱动超声波发射头发出40kHz的连续脉冲超声波,要使运放方大三倍,需使R2=3R1,令R1=1K
,R2=3K
。
Vcc=+15.5v,Vcc=-15.5v。
2.信号接收放大滤波检波整形微分
2.1接收放大:
图10回波信号放大电路
接收头与发射头配对,接受后将超声波调制脉冲变为交变电压信号输入到运放进行放大。
TL084CN有4个运放可以同时工作,于是我们的电路中所有的放大工作都在一个芯片里头,包括后面的有源滤波中的运放。
检测到接受的原始信号从发射时的方波变为了杂正弦波,幅值大约在20mV,于是把放大倍数定在5倍,也就是R3=1k
,R4=5k
。
2.2滤波:
图11滤波电路
放大后的信号介入C1,经C1,R5和运放组成的滤波系统滤波后从运放输出。
用一阶有源高通滤波。
C1用的型号是103,也就是0.01
F,R5=6.2k
。
截止频率f=
=
=
=2.6kHz
采用的是一阶滤波,也就是频率在2.6kHz以下的信号以20dB的速率衰减。
滤去了一些低频噪声。
2.3检波-LM567
放大滤波后的信号经过C2入LM567。
LM567为通用音调译码器,是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器。
LM567内部结构及工作原理
图12检波-LM567
2.4微分电路电路图
图13微分电路
通过微分电路把接收来的超声波变成尖脉冲,便于计时电路计时和观测。
2.5脉冲放大电路
图14脉冲放大电路
设计的宽频带大功率脉冲放大器要求输出功率大,对杂波和谐波有较高的抑制能力,另外放大模块要具有很高的线性度。
因此选用三个增强型MOS场效应管,且第一,二级使用的MOS场效应管有快速切换开关,来保证脉冲调制信号的下降沿和上升沿完好,减少杂波和谐波的干扰。
最后一级选用MOSPRTMRF157作为输出级。
3计时电路和显示数码管
3.1总体分布图
图15计时电路
3.2555片子介绍
图16555片子
3.3555内部电路
由三个分压电阻,运算放大器,RS触发器,三极管,非门电路;Vco等于三分之二Vcc,V2=1/3Vcc,利用三极管特性产生输出脉冲。
图17555内部电路
3.4总电路图
图18总电路图
3.574LS160内部原理图及引脚图
图1974LS160内部原理图及引脚图
3.674LS160实现六分频的电路及状态转换图
图20状态转换图
3.7与数码管连接的电路图
图21数码管连接的电路图
3.874LS48的驱动显示电路
图2274LS48的驱动显示电路
由于七段数码管是共阴极的,所以选74LS48有较大的适应电压,可达到30V,功耗约40mA。
4同步电路设计
4,1设计
图23同步电路的原理图
4.1写出输出函数和激励函数的表达式
J1=K1=1;
4.2列真值表
图24真值表
4.3状态表和状态图
图25状态表和状态图
4.4描述电路的逻辑功能
【小结】
超声测距技术是一门融合了声学、力学、电子学、材料学等多方面技术的学科,每一项技术的新发现都会推动超声学的进展。
新型换能器及大功率驱动电源等技术的发展必将使超声的测距范围进一步扩大,结合快速时延搜索算法,超声测距技术将广泛应用于移动机器人自动导航系统、汽车防撞预警系统、机械手定位系统、交通流量监测系统等方面。
另外,若在超声测距中采用扩频技术,将在很大程度上解决远距离测量与分辨力之间的矛盾,提高测距系统的信噪比和分辨率。
通过实训基本掌握超声波传感器(空气探头)的基本原理及应用,学会利用超声波传感器检测弹着点的坐标的原理,能完成超声波传感器的布局设计及主要的测试转换电路设计
锻炼自己利用课堂所学知识解决实际问题,理论联系实际,提高分析问题的能力,解决问题的能力。
测量转换电路中遇到很多问题,通过同学讨论,请教吴松林等老师和上网查找资料解决。
计时电路的计时精度还没达到预期精度还需改进,总之通过这次实训有很大的收获。
最后希望吴松林老师给我指出不足之处,是使我能得到提高。
【参考文献】
[1]吴松林等.《传感器及检测技术基础》.北京:
北京理工大学出版社,2009.8
[2]王瑞华:
脉冲变压器设计[M],北京:
科学出版社,1996年(6月),第3页—
第5页.
[3]
[4]
[5]
[6]江晓安等.《数字电子技术》.西安.西安电子科技大学出版社,2008.6(2012.7重印)
指导教师评语及成绩:
评语:
指导教师签名:
批阅日期:
2012年月日
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- 传感器 技术 应用 课程设计 报告 标准 DOC