1014604754《传感器原理与应用》课程设计报告磁电式轮速传感器系统设计.doc
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1、传 感 器 原 理 及 应 用 设 计 实 验 报 告实验题目:磁电式轮速传感器系统设计专 业: 电子信息科学与技术 2011年 6月目 录摘 要-2引 言-2第一章 传感器的基本概念-31.1传感器的定义-31.2传感器的组成-31.3敏感元件的分类-41.4传感器主要性能指标-51.5几种常用传感器-6第二章 传感器在汽车测速中的应用-9 2.1轮速传感器-92.2轮速信号的检测-102.3轮速传感器系统硬件-102.4信号处理电路-112.5总线通信电路-11第三章 结果预算-123.1信号处理电路-123.2传感器信息-123.3仪表盘信息传输-12第四章 结论及总结-84.1结论-1
2、34.2设计心得-13参考文献-13摘 要随着社会科技的发展,传感器网络化是传感器领域发展的一项新兴技术。它在网络协议的基础上实现传感器信号的数字化、网络化变送。网络技术可解决汽车电子化中的线路复杂和线束增加问题,在汽车电控中采用网络化传感器是一个发展方向。本设计介绍一种基于CAN总线的汽车轮速传感器的设计方法及有关芯片的功能,设计研究了轮速传感器信号处理电路并用单片微机进行信号的采集和处理。所设计的传感器测速系统测量,其有实用性强、准确度高等特点,具有广阔的应用前景。引 言 目前,网络技术是汽车电子领域发展的一项新技术。它不仅是解决汽车电子化中的线路复杂和线束增加问题的技术,而且其通讯和资源
3、共享能力成为新的电子与计算机技术在车上应用的一个基础,是车上信息与控制系统的支撑。 汽车电子网络按功能可分为面向控制的网络(CON)和面向信息传输的网络(ION)。按网络信息传输速度,美国汽车工程师协会(SAE)将网络分为A,B,C三类。A类为低速网,波特率在9600bps以下,进而波特率在125kbps以下为中速网B类,125kbps以上为高速网C类。车轮速度(即车轮绕轮轴旋转的线速度)传感器(简称轮速传感器)信号,可供发动机控制模块、防抱制动系统(ABS)控制模块及仪表控制模块共享,使车辆在制动过程中,防抱制动控制模块和发动机控制模块联合控制,达到最佳制动效能。发达国家虽已普遍使用ABS系
4、统,但对轮速信号处理的方法以硬件和软件的形式作为ABS系统的电子控制器(ECU)的一部分而制成专用电路和芯片加以保护。国内对轮速信号的处理大多存在轮速识别的门槛值过高(车速即车体的速度低于10km/h时就无法正确测量车轮速度)的问题。 本设计针对轮速传感器产生的信号特点,设计了基于CAN总线的汽车轮速传感器信号处理电路,并用单片机对此信号采集、量化。结果显示:设计出的轮速传感器系统具有轮速测量门槛低(车速达3km/h)、工作可靠、抗干扰能力强等优点,同时,可作为CAN总线局域网的测点,实现传感器信号的数字化、网络化的变送。第一章 传感器基本概念在当今信息化时代发展过程中,各种信息的感知、采集、
5、转换、传输和处理的功能器件传感器或智能传感器,已经成为各领域中不可或缺的重要技术工具。获取各种信息的传感器无疑“掌握”着这些领域和系统的命脉。传感器是信息采集系统的首要部件,是现代化测量和自动化的主要环节,是现代信息产业的源头,又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。现在,传感器技术与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱,可以设想如果没有高度保真和性能可靠的传感器,没有先进的传感器技术,那么信息的准确获取就成了句空话,信息技术和计算机技术就成了无源之水。目前,从宇宙探索、海洋开发、环境保护、灾情情报到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人民的日常生活等,无一
6、不于传感器技术紧密相联系。可见应用、研究和开发传感器和传感器技术是信息时代的必然要求。因此,可以毫不夸张地说:“没有传感器及传感器技术将没有现代科技的迅速发展”。11 传感器的定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,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。“传感器”在新韦式大词典中定义为: “从一个系统接受功率,通常以另一
7、种形式将功率送到第二个系统中的器件”。 根据这个定义,传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式,所以不少学者也用“换能器Transducer”来称谓“传感器Sensor”,亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器,其主要特征是能感知和检测某一形态的信息,并将其转换为另一种形态的信息。12 传感器的组成传感器主要是由敏感元件、转换元件和基本电路三大部分组成,核心是转换元件,决定传感器的工作原理,框图如下:被测信息输出信息信号调节电路敏感元件转换元件 辅助电路1、敏感元件 敏感元件是传感器的核心元件,它能直接感受或响应被测非电量,并按照一定规律转换成与被测有确定对应关系的其它量的元件,在实际应用
8、时应注意的是:并非所有的非电量都能用现有的技术直接转换为电量,而是要先进行预转换,然后再转换为电量。2、转换元件 转换元件是传感器中另一个核心元件,也称变换器或是转换器,它是指能将敏感元件所感受的或响应与检测的待测信息转换成适宜传输和检测的电信号的部分。转换元件根据直接转换和间接转换的原理又分为一次转换型和二次转换型。(1)一次转换型 一次转换型又称直接转换型,通常物理性传感器是属于一次转换,如温度传感器、压力传感器、磁场传感器等。在转换过程中,它将被测非电量直接传换成有用的电量。(2)二次转换型 结构型传感器(如角度、厚度、位置)均属于二次型传感器,在转换过程中,通常必须通过前置敏感元件与转
9、换后才能完成,即实现“被测非电量 有用非电量 有用电量”的二次转换过程。3、信号调节电路 信号调节电路又称信号调理电路,它是集成或是单片传感器中的重要电路,在信号调理过程中,它能把转换元件输出的电信号调整成便于显示、记录、处理和控制的电信号。4、辅助电路 辅助电路是指传感器的电源供电电路(交、直流电源)和外围电路。在实际应用和设计中,传感器的组成并不完全和上述完全一致,这要看被测对象、转换原理、使用环境和性能要求等具体情况的不同而存在差异。13 敏感元件的分类传感器的品类繁多,原理各异,检测门类极多,因此分类也各有不同。目前,尚无一统一的分类方法,但较多的分类方法有两种:一是根据将外界输入信号
10、转换为电信号所采用的效应分类;另一种是根据输出量分类。1、按被测量分类物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类,基于化学反应的原理。生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将敏感元件分46类)。2、按输出量分类 按输出量分类有模拟式传感器和数字式传感器。其中传感器的特点是模拟式输出信号为模拟量,而数字的位数字量。且数字传感器便于和单片机或是微处理器联用构成智能仪器和实时操作系统。3、技术要求 无论哪种传感器,在使用时军事作为测量和控
11、制系统的首要原件,必须具有快速、准确、可靠和廉价的基本特点。因此须具有以下技术要求:l 量程大或工作范围宽,并具有一定的过载能力;l 匹配特性好,灵敏度高,线性度好;l 反应速度快,可靠性好;l 稳定性好,即传感器的静动态响应准确度能满足设计要求,并能长期稳定;l 适应性强,即动作能量小,对被测量的影响小;l 性价比高,使用、维修和校准简单方便。14 传感器的主要性能指标在检测控制系统和科学实验中,需要对各种参数进行检测和控制,而要达到比较优良的控制性能,则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量,这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和
12、动态特性。1、反映传感器静态特性的性能指标静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时,系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。(1) 线性度指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。(2) 灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量y 与引起该增量的相应输入量增量x 之比。它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化,显然,灵敏度S 值越大,表示传感器越灵敏.(3) 迟滞传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说,对于同一大小的输入信号,
13、传感器的正反行程输出信号大小不相等,这个差值称为迟滞差值。(4) 重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。(5) 漂移传感器的漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面:一是传感器自身结构参数;二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂移,即周围环境温度变化而引起输出量的变化,温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20)时的输出值的变化量与温度变化量之比(6) 测量范围(measuring range)传感器所能测量
14、到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。 (7) 量程(span)传感器测量范围的上限值与下限值的代数差,称为量程。(8) 精度(accuracy)传感器的精度是指测量结果的可靠程度,是测量中各类误差的综合反映,测量误差越小,传感器的精度越高。传感器的精度用其量程范围内的最大基本误差与满量程输出之比的百分数表示,其基本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差,由系统误差和随机误差两部分组成。工程技术中为简化传感器精度的表示方法,引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示,代表传感器测量的最大允许误差。如果传感器的工作条件偏离正常工作条件,还会带来附
15、加误差,温度附加误差就是最主要的附加误差。(9) 分辨率和阈值(resolution and threshold)传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。对于某些传感器,如电位器式传感器,当输入量连续变化时,输出量只做阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。对于数字式仪表,分辨力就是仪表指示值的最后一位数字所代表的值。当被测量的变化量小于分辨力时,数字式仪表的最后一位数不变,仍指示原值。当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值,即零点附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性,形成所谓“死区
16、”(dead band),则将死区的大小作为阈值;更多情况下,阈值主要取决于传感器噪声的大小,因而有的传感器只给出噪声电平。(10) 稳定性(stability)稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是不论什么时候,传感器的特性参数都不随时间变化。但实际上,随着时间的推移,大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感元件或构成传感器的部件,其特性会随时间发生变化,从而影响了传感器的稳定性。稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔后,传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示,称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示,也可用绝对误差来表示。2、传感器动态特性的性能
17、指标动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时,系统的输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。15 几种常用传感器1、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量,如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。2、称重传感器称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力-电转换装置,是电子衡器的一个关键部件。能够实现力-电转换的传感器有多种,常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平,电容式用于部分电子吊秤,而绝大多数衡器产品所用
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