測試裝置的設計

A. 預作用噴淋系統的末端試水裝置

末端試水裝置是設置在有聯動要求的濕式、干—濕式及預作用系統上，用以檢驗系統可靠性的一種手動檢驗裝置，尤其在濕式系統中，能通過試水觀察壓力表示值和水流是否穩定，通過壓力表示值，校核試水口流量，經計算判斷系統的啟動流量是否符合要求。

由於目前國內暫時無成套的末端試水裝置可供選購，設計規范和施工及驗收規范又沒有很明確的規定，設計人員往往根據GB50261—96.第5、4、8條「末端試水裝置宜安裝在系統管網末端或分區管網末端」和本條款條文說明「末端試水裝置一般由連接管、壓力表、控制閥及排水管組成，有條件的也可採用遠傳壓力、流量測試裝置和電磁閥組成，總的安裝要求是操作簡便，檢測結果可靠」的要求，把末端試水裝置設計成如圖-1，而施工人員往往把排水管隨意就近接入廢水管或雨水管，筆者認為這樣的做法有很多弊端。

其一，壓力表不應裝在閥門前面。雖然在未開啟試水裝置前可直現地看到管網中的水壓力（靜壓）和確認管網中有水，但如果在報警閥與水流指示器之間設置了控制閥且控制閥未採用信號閥或被施工人員誤裝成普通控制閥的情況下，由於樓層面積較大，在分區管網的系統調試中只試驗了最不利點管網的末端試水裝置的聯動控制，有可能造成有的分區控制閥未打開，誤以為整個系統正常，在火災發生時，不能得到噴淋水泵的供水而不能滅火。

其二，試驗流量不準確。開啟方試水裝置進行系統試驗時，不能模擬最不利點噴頭的實際流量，造成試驗時系統有效，但實際使用時，可能由於最不利點處的噴頭開放後，實際流量達不到水流指示器或濕式報警閥的動作流量而不報警。

因為流量特性系數K=80的標准噴頭在0.1Mpa工作壓力下流量為80L/min，規范允許在最不利點處噴頭的工作壓力可以為0.05Mpa，根據公式：

q=K√10p

K—流量特性系統，標准噴頭K=80

P—噴頭處的水壓（Mpa）

q—噴頭的噴水量

最不利點噴頭的噴水量q=K√10p≈57L/min，也就是說最不利的樓層或管網分區的水流指示器的動作流量為57L/min，這就是水流指示器的最小動作流量。但是為了安全和可靠，許多生產廠家把自己生產的水流指示器的最小動作流量指標定得比較低。按照《水流指示器的性能要求和試驗方法》（GA32-92）標准規定水流指示器的靈敏度應滿足當q≤15L/min時，不應報警；15L/min<q<37.5lmin時應該報警；q=37.l min時必須報警。報警的最大流量不應大於37.5l="" min。而規范又規定濕式報警閥當系統側流量q≤15l="" min時不報警，由副閥向系統側補充壓力；當15l="" min<q≤60l="" min時，主閥板是處於開啟或者似開非開失去密封的狀態；信號管內已有水流通過，並進入延時器，只是延時器在90s內不報警而已；只有當系統側以60l="" min的流量放水時，壓力開關和水力報警才在5~90s內報警。

所以如圖-1的設置，打開閥門試水時，流量很容易就大於水流指示器的動作流量或大於濕式報警閥的動作流量，但由於流量沒有一個確定值，並不能說明當最不利點處口噴頭開放時整個系統的可靠性。

第三，排水管安裝不合理。試水裝置的排水管不應直接接入排水立管或雨水管，而應該設有間接排水的漏斗和排水管，以便在放水時能直觀地反映出水量。

通過多年的工作實踐，筆者認為，末端試水裝置應設置在系統中水力條件最為不利的噴頭末端，它應由控制閥、壓力表、試水口及排水裝置組成（見圖-2），試水口的K值應與該區域中最小噴頭的K值相同，為了模擬一隻噴頭的開放，建議採用閉式噴頭截去2個軛臂和濺水盤的方式來替代試水口。控制閥宜採用截止閥，具有調節流量的作用，而且密封面不易損傷。壓力表應設在控制閥的下游，盡量靠近試水口，以便真實反映試水口噴水時的噴水壓力，准確地計算出試水口的流量。試水口的出口不應連接排水管，必須以孔口出流的方式間接地排入排水管裝置或排水明溝。

只有這樣，才能使末端試水裝置能模似一隻噴頭的流量放水，檢驗系統能否在最不利點處開放一隻噴頭時，使系統中的水流指示器、報警閥、壓力開關、水力警鈴都能正常動作，噴淋泵能及時啟動，同時也表明了系統中任何一個噴頭開放，系統都能可靠地聯動運行。

B. 怎麼對進行斷路器性能測試方法

斷路器的測試是如何進行的？

不同的斷路器測試設備用於檢查電力系統上斷路器的運行和狀況。如何測試斷路器涉及許多不同的測試技術和測試儀類型。這將定義如何通過不同的測試工具測試斷路器，以在一系列條件或操作類型下檢查設備。了解如何使用您可能需要的不同測試裝置來測試斷路器。

使用不同設備進行測試：

要考慮如何測試斷路器，需要對斷路器本身有深入的了解：

1.這個怎麼運作

2.它的公差，

3.先前測試的參考值，

4.用於比較實際結果的初始值，有時由額定時序圖定義，

5.製造商提供的既定設置或初始功能。

從這個意義上說，如何測試斷路器成為趨勢分析，因為測試結果並不總是確定的，但與以前的數據或結果相比才有意義。

使用斷路器分析儀進行測試

斷路器不同分合閘操作的定時測試是測試斷路器的一種有效方法，不僅分析跳閘時間，而且分析不同操作中各極的基本同步性。這定義了如何通過其操作的不同模擬來測試斷路器，可以直接從斷路器分析儀發出命令，或由外部信號啟動，檢查每個極的打開或關閉時間，在單個或組合操作中，以及檢查可能導致危險的不同步的極點或失配時間之間的可能差異。如何使用斷路器分析儀測試斷路器還取決於要確認的可能問題的類型，這會導致檢查其他功能，例如可能的彈跳。

用微歐表測試

斷路器通常承受巨大的電流值。更大的接觸電阻會導致更大的損耗、低載流能力和威脅斷路器中的熱點，因此使用微歐表進行電阻測試是測試斷路器以識別和避免即將發生的問題的另一種方法。如何使用微歐表測試斷路器還需要可靠的測量和大功率的寬注入范圍，以實現更長的測試引線、更少的連接問題和更准確的測量。

使用大電流初級注入測試儀進行測試

低壓斷路器和塑殼斷路器的脫扣時間特性分析使用大電流注入進行，作為檢查整個功能的方法。如何測試這種類型的斷路器取決於其最大額定電流、跳閘保護設置以及定義過載和短路跳閘啟動水平和時間延遲的反向曲線類型；所有這些功能都必須使用適當的初級注入測試裝置進行檢查，該測試裝置能夠模擬所需的相應大電流故障並捕捉斷路器的答案。一個易於升級功率容量的系統，可以在不同的可能情況和斷路器范圍內測試斷路器；如何測試這種斷路器還需要測試裝置的可彎曲設計以有效地實現一定的大電流工作，並且設計可以將其放置在更靠近斷路器的位置，從而通過更小的測試來降低所需的功率線索；Raptor 系統就是這種情況，它是一種模塊化且靈活的初級注入系統，可輕鬆快速地使其功率容量適應不同斷路器的幾個高電流額定值。

C. 復合絕緣子憎水性測試裝置是什麼

GD-710復合絕緣子憎水性測試裝置由帶電噴水裝置、絕緣子噴水圖像拍攝裝置、憎水性分析軟體光碟、攜帶型微型計算機、USB數據傳輸線等組成。

1.噴水裝置

（1）裝置採用了紅外遙控、單片機自控技術和微型電泵驅動等技術，自動化程度高。

（2）裝置採用模塊化結構，由四部分組成：①紅外控制信號發射部分、②空心絕緣操作桿、③紅外信號接收和微型電泵控制部分、④微型電泵驅動噴水部分。各部分拆裝、更換方便。裝置結構緊湊，重量輕，便於攜帶和操作，適合現場使用。

（3）紅外信號發射部分由供電電源、空心絕緣棒、嵌於棒內的紅外信號發射器、凸出於空心絕緣棒表面並與紅外信號發射器連接的操作按鈕、嵌於棒內的並與紅外信號發射器連接的紅外信號發射頭構成。供電電源為12V高能鹼性電池。

（4）空心絕緣操作桿的材料為玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料，為操作提供有效安全絕緣距離（500KV,單獨配置）。空心絕緣操作桿後端通過連接附件與紅外信號發射部分螺紋連接，其前端則通過連接附件與電動噴水部分螺紋連接。連接附件為不銹鋼材料。

（5）紅外信號接收和微型電泵控制部分由嵌於空心絕緣操作桿前端內的紅外信號接收頭、可充電電源、紅外信號接收和微型電泵控制器三部分構成。紅外信號接收頭通過導線與紅外信號接收和微型電泵控制器相連。可充電電源、紅外信號接收和微型電泵控制器兩部分封裝在鋁制殼體內並用合頁套接固定在空心絕緣操作桿前端。可充電電源為1600mAh鋰電池，可保證裝置噴水2小時，能滿足現場長時間測量要求。（充電器標准配置）可充電電源充電器採用12v充電器。

（6）電動噴水部分是由微型電泵、水壺以及可旋轉噴頭構成。微型電泵封裝於微型電泵腔中，並通過導線與無線信號接收和微型電泵控制器相連。微型電泵腔通過連接附件與水壺螺紋連接，微型電泵通過水管與水壺內腔相通。可旋轉噴頭通過連接附件與微型電泵腔連接，連接附件通過水管與微型電泵連接實現向可旋轉噴頭供水。可旋轉噴頭經特殊工藝制備，可任意調節噴水角度，可噴射實心圓椎體水霧，從而可以保證待測試樣表面各部分均勻受水。

2.絕緣子噴水圖像拍攝裝置

本裝置採用數字圖像分析技術來判斷復合絕緣子表面的憎水性狀態，因此需要獲取絕緣子的噴水圖像。拍攝需要克服一些不利的現場條件，特別是拍攝目標較小（一般復合絕緣子傘裙的直徑為十幾厘米）、拍攝距離較遠（一般都有1米以上的距離）和操作穩定性較差（如遠距離高光學變焦拍攝帶來的抖動、操作人員在塔上手持拍攝帶來的抖動等）。為了克服以上問題，噴水圖像的拍攝裝置應採用具有高像素、高光學變焦性能、高存儲量、定焦速度快、曝光速度快、防抖動性能優異及具有靜像拍攝功能的微型數碼攝像機。

3.憎水性分析軟體

本裝置通過憎水性分析軟體來分析運行復合絕緣子的憎水性狀態。本軟體的核心功能為憎水性等級判斷，由客觀判斷和主觀判斷兩部分組成。

（1）客觀判斷

憎水性的客觀判斷是本軟體的特色部分，所依據的判斷方，即通過軟體設計的判斷方法，對拍攝到的圖像進行分析並得出檢測結論。

（2）主觀判斷

在實現了憎水性等級客觀判斷功能的基礎上，本軟體還設計了憎水性等級主觀判斷功能。主觀判斷所依據的方法為傳統HC分級法所採用的圖像對比法，即在軟體中嵌入HC分級法的標准圖像，將現場獲得的噴水圖像輸入軟體後，通過對比其與各標准圖像的相似性來獲得憎水性等級。一般情況下，主觀判斷只是作為一種輔助判斷方法，用以驗證客觀判斷的結果。

操作細則

1、復合絕緣子憎水性檢測應選擇良好天氣下進行，不易在雷、雨、雪、霧等天氣下進行，同時環境濕度應盡量不大於80%。

2、復合絕緣子憎水性檢測時，為了防止噴水裝置儲水瓶中的水結冰以及噴出的水霧在絕緣子表面結冰，環境溫度應高於0℃。

3、復合絕緣子憎水性檢測時，風力應不大於3級。

4、待測桿塔的三相復合絕緣子串均應進行憎水性測量；對於每支待測復合絕緣子，可選擇靠近接地側1-3個大傘裙的上表面進行憎水性帶電測量，但盡量不選擇接地側第一傘。

5、復合絕緣子憎水性檢測需3名及以上工作人員，其任務分工是：塔上噴水操作1名，塔上拍攝操作1名，地面指揮1名。

6、登塔前，噴水操作人員在噴水裝置的儲水瓶中裝滿去離子水，並檢察裝置是否漏水，電源電量是否充足；拍攝操作人員檢查攝像機的電池的電量是否充足，記憶棒和磁帶是否正確裝入攝像機。

7、塔上操作人員攜帶噴水裝置和拍攝裝置登塔至懸掛待測絕緣子的橫擔上或其附近，也可以在登塔後用定滑輪將裝置吊上。

8、名塔上操作人員在橫擔上或靠近橫擔處距離絕緣子掛點1.5米以內的范圍內選擇合適的操作位置，至少需要保證拍攝操作人員滿足上述要求。

9、拍攝操作人員打開數碼攝像機電源，攝像機鏡頭對准待測傘裙，並使拍攝角度盡量大；調整光學放大倍數，使待測傘裙的影像正好充滿攝像機觀察屏，如不能滿足該條件，則將光學放大倍數調制到最大。

10、噴水操作人員調節噴頭的出水方向使其與待測傘裙基本平行，使噴水裝置的噴頭距離待測傘裙約10cm左右但噴頭略高於待測傘裙。

11、拍攝操作人員打開錄像開關並指示噴水操作人員開始噴水；噴水操作人員點動噴水裝置的控制按鈕對待測傘裙進行30ml定量噴水；如果現場風力較大或噴水距離不滿足（10）要求，可適當增加噴水量，以傘裙表面水分狀態不再發生明顯變化為止；噴水操作結束10秒後，錄像結束。

12、一片傘裙憎水性測量結束後，兩名塔上操作人員重復（9）-（11）步驟，開始對下一片傘裙進行憎水性測量。

13、一相絕緣子憎水性測量結束後，兩名塔上操作人員重復（8）-（12）步驟，開始對下一相絕緣子進行測量。

14、一基桿塔測量結束後，兩名塔上操作人員返回地面；回放每片傘裙的噴水錄像，並將噴水操作結束後2秒區間中的畫面截取一楨轉拍至記憶棒中；也可以用數據線將拍攝裝置與計算機連接並使用相關截圖軟體截取。

15、記錄檢測的背景信息，包括：絕緣子型號、安裝日期、檢測時間、檢測位置、檢測時的天氣、光照、溫度、濕度和污染情況等。

16、將記憶棒中的憎水性圖像通過USB電纜輸入到筆記本電腦中並通過憎水性分析軟體進行憎水性狀態的判斷，存儲判斷結果，同時存儲測量時的背景信息。

17、工作人員轉移至下一待測桿塔進行憎水性測量。

18、如果現場無風，或風力很小，可以考慮直接用靜像拍攝模式來獲取憎水性圖片，拍攝時間為噴水操作結束後10秒內。

D. 火力發電廠風量測量裝置究竟該如何選型

這個問題很普遍。由於目前常用形式的空預期總有不同程度的漏灰，所以熱風裡面都有比較多的灰，而許多差壓式的風量測量裝置雖然宣傳上說是有防堵，實際上防堵效果很差，特別是在目前火電用煤煤質很差的情況下，給大家增加很極大的麻煩，也威脅到機組的經濟、安全運行。
帶巴字的流量測量裝置，多是那種兩根桿或者一根桿子上有很多窟窿的差壓式流量測量裝置，這類裝置其實是不適合用在火電的各種風量測量上的（蒸汽流量測量倒是挺好），這類裝置設計上鼓吹的防堵形式在實際應用中其實很糟糕，以至於後來不得不增加反吹掃裝置，這樣一來不光是增加了成本，更增加了維護量，而且對於價格不菲的微差壓變送器也造成了損壞的幾率，這在大量事實中被證實了的。
後來文丘里式的一些流量計盛行了一段時間，其實測量效果還是不好，一方面，對於截面積較大的管道，應該網格法多布點測來那個，而文丘里類的能投入的測量點很少，電廠的管道例如你說的二次風，很少有足夠的直管段，而多數的文丘里類測量裝置最多在一個截面上投入2-4個點，這是不行的。另外一方面，防堵的措施仍然無效。我們在電廠見過許多被換下的多喉頸雙喉嚨徑測量裝置裡面如你說的那樣全是灰。
你說的那種你沒見過的是啥類型的，哪裡產的，請你描述一下，我來幫你分析一下。

E. 熱能表檢定裝置的裝置主要部分介紹

控制櫃的功能如下：
（1）可用啟動、停止按鈕來開啟和停止裝置。
（2）通過指示燈可清晰反映恆溫槽、氣泵、儀表、各個加熱管的運行狀態。
（3）通過變頻器、差壓表、壓力表、溫控儀、大小流量計的大屏幕顯示儀來實現顯示時的數據。
（4）實時顯示裝置的A、B、C相電流及相電壓。
（5）採用六位數字式高准確度熱電阻檢定儀來測量直流電阻的阻值，從而准確的得到恆溫槽的標准溫度值。
（6）採用主控機和微控機進行實時通訊，雙向傳輸數據和指令。 熱水流量檢定裝置由加熱循環水箱、變頻水泵、熱水流量標准器（標准表）、熱水試驗管路、換向器、控制系統等組成。
1.循環熱水箱
根據熱能表檢定規程的要求，熱能表的總量檢定及流量檢定應在（50±5）℃的水溫下進行。因此循環水箱不僅要具有加熱及溫度調節功能，還要有較好的保溫功能。熱水箱內部水循環保持水溫均勻穩定。
循環熱水箱由加熱管、鉑電阻溫度感測器及PID溫度調節儀組成，是整個裝置熱水流量的來源。為熱能表檢定裝置而設計的保溫設備，由內、中、外三層組成。中層為性能良好的保溫材料。外觀美觀，加熱快且保溫性能好。為了縮短加熱時間，提高檢定效率，本系統設計了大功率純不銹鋼加熱管，加熱快，壽命長，對緩沖罐也保溫並微加熱，對熱水箱內熱水緩慢循環，水溫均勻穩定。
其技術指標如下： 使用介質 軟水 電導率 >5μS/cm 容量 1m 功率 9kw 升溫速度 >10℃/1h 2、變頻水泵
變頻水泵是整個系統的動力來源，其性能嚴重影響到檢定系統的穩定性，我們採用的是日本三菱變頻配西德威樂水泵。其性能好轉速均勻穩定，噪音低，壽命長，保證了裝置流量的穩定性要求。
3、調節閥和開關閥
閥門是整個流量控制的重要部件，它的好壞直接關繫到整個裝置的性能。本裝置採用的閥門有調節閥（調節流量大小）和開關閥（控制水流的方向及水流的導通與切斷）兩類。
4、標准表
所謂標准表法檢定裝置指以標准流量計為流量計作為檢定的標准表。本裝置採用科隆公司的電磁流量計作為標准表，該電磁流量計是國際上信譽良好的品牌，0.2級；脈沖當量高達0.1ml/p，即最小讀數可至0.1ml。因此其精度高，重復性好，性能穩定可靠。
5.精密電子稱
精密電子稱是質量法檢定裝置熱水流量標准系統的主要標准器。本裝置採用瑞士品牌，皮薩三檔自動轉換的精密電子稱，其特點是測量精度高（准確度為1/6000）、抗過沖能力強、皮重允許達到稱量95%、自動復零、自動換檔、量程寬（一台抵三台）、經濟實用、性能穩定性、維護簡單、壽命長。 配對溫度感測器檢定裝置由恆溫槽、二等標准鉑電阻溫度計、熱電阻檢定儀組成。
1.恆溫槽
用來模擬熱量表進水口與出水口的環境溫度。為了減小設備體積，操作方便，採用兩槽一體式熱量表專用恆溫槽。
設備採用大功率加熱器作為加熱裝置，以製冷壓縮機作為降溫裝置，其特點是升溫和降溫速度快，過度時間短（小於4分鍾），是國內外溫度波動度小及溫度均勻度好的恆溫槽，大大提高了系統的精度和效率。
其技術指標如下： A槽 B槽 工作溫度范圍 4℃-95℃ 室溫-95℃ 溫度波動度 ±0.01℃/30 min ±0.01℃/30 min 溫度均勻度 0.005℃-0.01℃ 0.005℃-0.01℃ 過渡時間 ≤4min ≤4min 槽體容積 13L 13L 工作介質 軟水 軟水 總功率 2.2kw 1.5kw 電源 220V/50Hz 220V/50Hz 外型尺寸 900（mm）×450（mm）×1150（mm） 2.二等標准鉑電阻溫度計
該設備是整套裝置中溫度測量的標准器具，採用兩只石英外護管二等標准鉑電阻溫度計。特點是具有極佳的長期和短期穩定性。
3.熱電阻檢定儀
用於測量直流電阻的阻值(二等標准鉑電阻溫度計)，依此得到恆溫槽的標准溫度值。本裝置採用一台六位半數字式高准確度熱電阻檢定儀，該儀表測量准確度高，分辨力高達萬分之一歐，穩定性、線性度好，抗干擾能力強，而丑具有兩個測量通道。該儀表不需要配備其它設備即可直接測量四線制(或兩線制)直流熱電阻。
其技術指標如下： 測量范圍 0 -220.0000Ω 分辨力 0.1mΩ 測量速度 3次/秒 誤差 ±(0．006%RD+1 0字) 長期穩定性 在產品參比條件下，一年內的誤差符合±(0.0 1%RD+1 0字) 計算器檢定裝置是對熱量表的計算器部分進行准確性測試的裝置。它由標准電阻箱、脈沖信號發生器、恆溫槽、二等標准鉑電阻、熱電阻檢定儀等組成。
工作原理：根據被檢熱量表的流量感測器及配對溫度感測器是否可拆卸，又有兩種不同的檢測方法，即完全模擬信號法和組合模擬信號法。
完全模擬信號法工作原理：採用標准脈沖發生器和標准電阻箱為被檢計算器提供模擬流量和溫度信號，在經過一段時間的熱能積算後，將檢定裝置提供的標准熱能值與被檢計算器顯示的熱能進行比較，從而確定計算器的准確性。該方法主要實用於對在生產過程中還沒有裝配流量如感器和配對溫度感測器的熱量表的檢定。
組合模擬信號法工作原理：由兩個恆溫水槽模擬供熱管路中供水、回水的溫度，用標准脈沖發生器提供一定數量的標准流量值，將兩支標准鉑電阻溫度計和被檢計算器的兩個溫度感測器分別置於兩個恆溫水槽中，由兩個恆溫槽標准溫度計算出的焓差值與標准流量的乘積得出標准熱量值，與熱量表計算器顯示的熱能累計值相比較，從而確定溫度感測器和計算器的准確性。該方法主要實用於已經裝配好配對溫度感測器且無法拆卸的熱量表的檢定。

F. [測試技術動態壓力感測器設計]微型動態壓力感測器

測 試 技 術

感測器設計（動態壓力）

設計作品名稱：電團岩子式水流壓力感測器 作品設計人員：王思雲（[1**********]）王劍峰（[1**********]）

組員：王世斌（[1**********]）餘光林（[1**********]） 王澤青（[1**********]）

課程名稱：測試技術

學院：機械與交通學院

專業：交通運輸

設計時間：2013年11月26日-2013年12月1日

電子式水流壓力感測器的設計

有關壓力感測器簡介—帶或耐—壓力感測器是工業實踐中最為常用的一種感測器，而我們通常使用的壓力感測器主要是利用壓電效應製造而成的，這樣的感測器也稱為壓電感測器。

我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質，當沿著一定方向受到機械力作用發生變形時，就產生了極化效應；當機械力撤掉之後，又會重新回到不帶電的狀態，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產生出電的效應，這就是所謂的極化效應。科學家就是根據這個效應研製出了壓電感測器。

壓電效應是壓電感測器的主要工作原理，壓電感測器不能用於靜態測量，因為經過外力作用後的電荷，只有在迴路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電感測器只能夠測量動態的應力。諸如空氣流動壓力，液體流動壓力，接下來我們設計的動態壓力感測器就是利用水流壓力來測量各種數據的感測器——水流壓力感測器

目 錄

緒論......................................................................................

1.1 背景....................................................................................................

1.2 應用實例..........................................................................................

原理分析..............................................................................

2.1 工作原理...........................................................................................

實現過程..............................................................................

3.1 電路圖設計.......................................................................................

3.2 電路模擬...........................................................................................

心得體會 ...............................................................................

緒 論

1.1 背景

水流壓力感測器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸蠢春鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之後，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的「居里點」）。由於隨著應力的變化電場變化微小，壓電系數比較低，所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬於人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。

這種壓電電阻效應是由於應力的作用，引起導體與價電子帶能量狀態的變化，以及載流子數量與遷移率變化所產生的一種現象。日本從1970年開始研究開發，首先應用在血壓計上，之後在過程式控制制領域及轎車發動機控制部分都獲得了廣泛的應用。最近幾年在家用電器、家用水表、等應用領域普遍採用電子壓力感測器作為壓力控制、流量監控的效果。

圖1 電子壓力感測器模型

1.2 應用實例

圖2 水流壓力感測器在全自動洗衣機中的應用

圖3 水流壓力感測器結構圖

圖4 水流壓力感測器在水表中的應用 測量流量

圖2是水流壓力感測器在全自動洗衣機中的應用實例。如圖所示，利用氣室，將在不同水位情況下水壓的變化，作為空氣壓力的變化檢測出來，從而可以在設定的水位上自動停止向洗衣機注水。圖3是水流壓力感測器在水表當中的應用實例，利用管道當中的水流壓力壓迫管壁上的流量感測器，將壓力信號轉換成數字信號顯示在水表上。

第2章 原理分析

2.1 工作原理

圖1為PS水流壓力感測器的截面結構圖，圖2為其感測器部分的結構。如圖所示，在壓力感測器半導體矽片上有一層擴散電阻體，如果對這一電阻體施加壓力，由於壓電電阻效應，其電阻值將發生變化。受到應變的部分，即膜片由於容易感壓而變薄，為了減緩來自感測器底座應力的影響，將壓力感測器片安裝在玻璃基座上。

如圖2，圖3所示，當向空腔部分加上一定的壓力時，膜片受到一定程度的拉伸或收縮而產生形變。壓電電阻的排列方法如圖3所示，受到拉伸的電阻R2和R4的阻值增加；受到壓縮的電阻R1和R3阻值減小。圖4由於各壓電電阻如圖4那樣組成橋路結構，如果將它們連接到恆流源上，則由於壓力的增減，將在輸出端獲得輸出電壓ΔV，當壓力為零時的ΔV等於偏置電壓Voffset,在理想狀態下我們希望Voffset=0V，實際上在生成擴散電阻體時，由於所形成的擴散電阻體尺寸大小的不同和存在雜質濃度的微小差異，因此總是有某個電壓值存在。壓力為零時，R1=R2=R3=R4=R，我們把加上一定壓力時R1、R2電阻的變化部分記作ΔR；相應R3、R4電阻的變化部分記作-ΔR，於是ΔV=ΔRI 。這個ΔV相對壓力呈現幾乎完全線性的特性，只是隨著溫度的變化而有所改變。

第3章 實現過程

3.1 電路圖設計

圖5是PS壓水流壓力感測器的外圍電路設計實例，圖中用恆流源來驅動壓力感測器。

圖5 水流壓力感測器設計電路

由於橋路失衡時的輸出電壓比較小，所以必須用運放IC1b和IC1C來進行放大。圖中VR1為偏置調整，VR2為壓力靈敏度調整，VR3為沒有加壓時輸出電壓調整，C1、C2用於去除雜訊。另外，如果電源電壓波動的話，將引起輸出電壓的變化，所以必須給電路提供一個穩定的電源。

3.2 電路模擬

心得體會

測試技術（感測器技術）是一門理論性和實踐性都很強的專業基礎課，也是一門綜合性的技術基礎學科，它需要數學、物理學、電子學、力學、機械等知識，同時還要掌握各種物理量的變換原理、各種靜態和動態物理量（如力、振動、雜訊、壓力和溫度等）的測定，以及實驗裝置的設計和數據分析等方面所涉及的基礎理論。在做此次設計前，我把老師所講的測試技術教材通讀了一遍，對測試技術有了一定得了解。因為在這之前，沒有接觸過類似的課程設計，所以這次實驗，我們感覺有些困難。 感測技術是一門綜合性的課程知識，想做好這次實驗，必須要有較好的理論知識，例如：電路，模電，還有畫圖時，也要用軟體畫圖multisim模擬軟體的使用。只有熟悉了這些們課程才能真正的完成這次實驗。首先，是電路圖的設計，要明白感測器的原理及在電路中的作用是什麼。雖然最終設計出的電路圖不是很復雜，但是也是幾經周折。其次，是在multisim中連接電路元件，讓我們進一步得熟悉了這個軟體的功能，並能運用自如。最後，是電路的模擬，可以說是最關鍵的一部了，前面所有的工作都是在為它打基礎，一旦模擬失敗就意味著所有得努力可能全部白費。模擬的結果雖然顯示出數字來了，但是和是要得要求相差很遠。因此，就一次一次的調試，改變電阻的阻值，以及滑動變阻器的阻值，最終把結果調試出來了。

通過這次感測器的設計,使我們學到了不少實用的知識,更重

要的是,做設計的過程,思考問題的方法,這與做其他的設計是通用的,真正使我們受益匪淺.在這次設計的過程中我們要培養自己的獨立分析問題，和解決問題的能力。在調試電路圖的過程中，要自己學會思考。最後，通過這次設計我們不但對理論知識有了更加深刻的理解，更加增強了我們的綜合能力，希望以後能多有這樣的作業，使我們能把所學的專業知識實踐運用。使我們整體對各個方面都得到了不少的提高讓我們得到更好的鍛煉。

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要：本文介紹了一種基於MSP430 單片機的溫度測控裝置。該裝置可實現對溫度的測量，並能根據設定值對環境溫度進行調節，實現控溫的目的。控制演算法基於數字PID演算法。

0 引言
溫度是工業控制中主要的被控參數之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術和微型計算機的迅速發展，微機測量和控制技術得到了迅速的發展和廣泛的應用[1]。單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優點，應用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。
本文設計了一種基於MSP430單片機的溫度測量和控制裝置，能對環境溫度進行測量，並能根據溫度給定值給出調節量，控制執行機構，實現調節環境溫度的目的。

1 整體方案設計
單片機溫度控制系統是以MSP430單片機為控制核心。整個系統硬體部分包括溫度檢測系統、信號放大系統、A/D轉換、單片機、I/O設備、控制執行系統等。
單片機溫度控制系統控猜神制框圖如下所示：

溫度感測器將溫度信息變換為模擬電壓信號後，將電壓信號放大到單片機可以處理的范圍內，經過低通濾波，濾掉干擾信號送入單片機。在單片機中對信號進行采樣，為進一步提高測量精度，采樣後對信號再進行數字濾波。單片機將檢測到的溫度信息與設定值進行比較，如果不相符，數字調節程序根據給定值與測得值的差值按PID控制演算法設計控制量，觸發程序根據控制量控制執行單元。如果檢測值高於設定值，則啟動製冷系統，降低環境溫度；如果檢測值低於設定值，則啟動加熱系統，提高環境溫度，達到控制溫度的目的。

2 溫度信號檢測
本系統中對檢測精度要求不是很高，室溫下即可，所以選用高精度熱敏電阻作為溫度感測器。熱敏電阻具有靈敏度較高、穩定性強、互換精度高的特點。可使放大器電路極為簡單, 又免去了互換補償的麻煩。
熱敏電阻具有負的電阻溫度特性,當溫度升高時,電阻值減小,它的阻值—溫度特性曲線是一條指數曲線,非線性度較大。而對於本設計，因為溫度要求不高，是在室溫環境下，熱敏電阻的阻值與環境溫度基本呈線性關系[2]，這樣可以通過電阻分壓簡單地將溫度值轉化為電壓值。
給熱敏電阻通以恆定的電流，可得到電阻兩端的電壓，根據與熱敏電阻特性有關的溫度參數T0 以及特性系數k，可得下式
T＝T0-kV(t) (1)
式中T為被測溫度。
根據上式，可以把電阻值隨溫度的變化關系轉化為電壓值隨溫度變化的關系,由於熱敏電阻的電信號一般都是毫伏級，必須經過放祥緩大，將熱敏電阻測量到的電信號轉化為0～3.6之間，才能在單片機中使用。
下圖為放大電路原理圖。穩壓管的穩壓值為1.5V。

由於感測器輸出微弱的模擬信號，當信號中存在環境干擾時，干擾信號也被同時放大，影響檢測的精度，需用濾波電路對先對模擬信號進行處理，以提高信號的抗干擾能力。本系統採用巴特沃斯二階有源低通濾波電路。選取該巴特沃斯二階有源低通濾波電路的截止頻率
fH=10 kHz 。

3 控制系統設計
3.0 軟體設計
單片機溫度控制器控制溫度范圍100℃到400℃，採用通斷控制，通過改變給定控制周期內加熱和製冷設備的導通和關斷時間，來提高和降低溫度，以達到調節溫度的目的。
軟體設計中選取控制周期TC 為200(T1×C) ，導通時間取Pn ×T1×C ，其中Pn 為輸出的控制量，Pn值介於0～200之間， T1 為定時器定時的時間，C為常數。由上兩式可看出，通過改變T1 定時時間或常數C，就可改變控制周期TC 的大小。溫度控制器控制的最高溫度為400℃，當給定溫度超過400℃時以400℃計算。
圖3為采樣中斷流程圖。

數模轉換部分使用單片機自帶的12位A/D轉換器，能同時實現數模轉換和控制，免去使用專用的轉換晶元，使系統處理速度更快，精度更高，使電路簡化。采樣周期為500 μs ，當採集完16個點的數據以後，設置標志「nADCFlag =1」，通知主程序採集完16個點的數據，主程序從全局緩沖區里讀出數據。
為進一步減小隨機信號對系統精度的影響，A/D轉換後，用平均值法對采樣值進行數字濾波。每16個采樣點取一次平均值。然後將計算到的平均值作為測量數據進行顯示。同時，按照PID演算法，對溫度采樣值和給定值之間的偏差進行控制謹兆模，得到控制量。采樣全過程完成後就可屏蔽采樣中斷，同時啟動T1定時[3]，進入控制過程。
溫度值和熱敏電阻的測量值在整個溫度采樣區間內基本呈線性變化，因此在程序中不需要對測量數據進行線性校正。MSP430的T1定時器中斷作為控制中斷，溫度采樣過程和控制輸出過程採用了互鎖結構，即在進行溫度采樣，溫度值處理和運算等過程時T1不定時，待采樣全過程進行完時再啟動T1定時並同時屏蔽采樣中斷。T1定時開始就進入控制過程，在整個控制過程中都不採樣，直到200(T1×C) 定時時間到，要開始新一輪的控制周期。在啟動采樣的同時屏蔽T1中斷。
圖4為T1定時中斷流程圖。

圖中，M代表定時器控制周期計數值，N則表示由調節器計算出的控制量。首先判斷控制周期TC是否己經結束。若控制周期TC已結束(即M=0)，則屏蔽T1定時器中斷，進行新一輪溫度采樣；若控制周期TC還未結束〔即M≠0 〕，則開始判斷導通時間是否結束。若導通時間己結束(即N=0)，則置輸出控制信號為低，並重新賦常數C值，啟動定時器定時，同時退出中斷服務程序；若導通時間還未結束(即N ≠0 )，則置輸出控制信號為高，控制執行其間繼續導通，重新賦常數C值，啟動定時器定時，同時退出中斷服務程序。

3.1 數字PID
本文控制演算法採用數字PID 控制，數字PID 演算法表達式如下所示：

其中，KP 為比例系數；KI=KPT/TI 為積分系數；T 為采樣周期，TI 為積分時間系數；KD=KPTD/T 為微分系數，TD 為微分時間系數。u(k) 為調節器第k次輸出， e(k) 為第k 次給定與反饋偏差。
對於PID 調節器，當偏差值輸出較大時，輸出值會很大，可能導致系統不穩定，所以在實際中，需要對調節器的輸出限幅[4]，即當|u|>umax 時，令u=umax 或u=-umax ，或根據具體情況確定。

3.2 溫度調節
PI 控制器根據溫度給定值和測量值之間的偏差調節，給出調節量，再通過單片機輸出PWM 波，調節可控硅的觸發相位的相位角，以此來控制執行部件的關斷和開啟時間，達到使溫度升高或降低的目的。隨後整個系統再通過檢測前一階段控制後的溫度，進行近一步的控制修正，最終實現預期的溫度監控目的。

4 結論
本設計利用單片機低功耗、處理能力強的特點，使用單片機作為主控制器，對室內環境溫度進行監控。其結構簡單、可靠性較高，具有一定的實用價值和發展前景。

參考文獻
[1] 趙麗娟，邵欣.基於單片機的溫度監控系統的設計與實現.機械製造，2006，44(1)
[2] 張開生，郭國法.MCS-51 單片機溫度控制系統的設計.微計算機信息，2005，(7)
[3] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙..MSP430 系列16 位超低功耗單片機原理與應用.清華大學出版社，2004，148-155
[4] 賴壽宏.微型計算機控制技術.北京:機械工業出版社，1994:90-95