电气毕业论文

传感器与测量技术课程设计题目 常用传感器原理与应用分析 姓 名 学 号 院（系） 电子电气工程学院 班 级 P09电气一班 指导教师 职 称 教授 二O一一年七月十日14摘 要传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。如在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等，在超声波技术中则强调的是能量的转换，如压电式换能器。这些提法在含义上有些狭窄，而传感器一词是使用最为广泛而概括的用语。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，获得最佳数据的显示与控制都是不可能实现的。传感器的输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。对于初学者和应用传感器的工程技术人员来说，应先从工作原理出发，了解各种传感器，而对工程上的被测对象应着重于如何合理选择和使用传感器。关键词：传感器、工作原理、信号转换淄博职业学院毕业设计 目 录摘 要I目 录II第一章传感器的概述11.1传感器的定义与分类11.2 传感器的作用与地位21.3 传感器的发展动向2第二章 传感器的原理与应用.4 2.1 电阻应变式传感器42.1.1 电阻应变式传感器定义及组成.4 2.1.2 电阻式传感器的特点.42.1.3 电阻应变式传感器的工作原理42.1.4 电阻应变式传感器的应用实例52.2 电感式传感器62.2.1 电感式传感器的定义及组成6 2.2.2 电感式传感器的特点.62.2.3 电感式传感器的工作原理.72.2.4 电感式传感器的的应用82.3 电容式传感器.92.3.1 电容式传的定义及组成.92.3.2 电容式传感器的特点.92.3.3 电容式传感器器工作原理.92.3.4 电容式传感器的应用.10第三章 总 结11参考文献14第一章 传感器的概述 1.1 传感器的定义及分类传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。如在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等，在超声波技术中则强调的是能量的转换，如压电式换能器。这些提法在含义上有些狭窄，而传感器一词是使用最为广泛而概括的用语。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，获得最佳数据的显示与控制都是不可能实现的。传感器的输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。传感器技术是一门知识密集型技术，它与许多科学有关。传感器的原理各种各样，其中类十分繁多，分类方法也很多。(1) 根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器、及气敏传感器等。(2) 根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式、及电势式等。(3) 根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器、和数字式传感器。及模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字信号。(4) 根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。对于初学者和应用传感器的工程技术人员来说，应先从工作原理出发，了解各种传感器，而对工程上的被测对象应着重于如何合理选择和使用传感器。1.2 传感器的作用与地位人类社会已进入信息时代，信息技术对社会的发展、科学的进步起着决定性的作用。人们的社会活动主要依靠对信息资源的开发与获取以及传输与处理。信息的采集离不开传感器技术，传感器作为一个能将被测的非电量变换成电量的器件，是连接被测对象和检测系统的接口，科学研究与自动控制过程中所获取的所有信息，都要通过传感器获取，并通过它转换为容易处理的电信号。传感器位于信息采集系统之首，属于感知、获取及检测信息的窗口，并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。没有传感技术，整个信息技术的发展就成了一句空话。传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。正是由于传感器的重要性，愈来愈多的科技工作者和企业对传感器技术予以了高度重视，促使传感器技术加速发展，以适应信息处理技术的需要。因此，20世纪80年代以来世界各国都将传感器技术作为重点研究领域。1.3传感器技术的发展动向传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透于各个学科领域，但是它们的本质依然是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性将非电量转换成电量。目前，传感器技术的主要发展方向有两点：一是对传感器本身的研究，研究传感器的新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是对传感器系统的研究，研究如何将检测功能与信号处理技术相结合，实现传感器的集成化和智能化。131发现新现象利用物理现象、化学效应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，重新认识各种已发现的物理现象、化学效应和生物效应(如压电效应、热释电现象、磁阻效应等)，以探索新现象和发现新效应是传感技术发展的一项重要工作，是研制新型传感器的重要基础。例如日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁传感器，是传感器技术的重大突破。132开发新材料传感器材料是传感器技术发展的重要基础。有机材料作为传感器材料的研究引起了国内外学者的极大兴趣。133采用微细加工技术将硅集成电路加以移植并发展，形成了传感器的微细加工技术。这种技术能将电路尺寸加工到光波长数量级，并能形成低成本超小型传感器的批量生产。此外，国内外专家和学者对各种领域内的传感器研究也充满了兴趣，如：多功能集成传感器的研究，智能传感器的研究，航天传感器的研究，仿生传感器的研究。1.4传感器技术的特性及标定在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出一输入特性。如果把传感器看作二端口网络，即有两个输入端和两个输出端，那么传感器的输出一输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。141传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出一输入关系。只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。142传感器的动态特性传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。虽然传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为一阶或二阶系统(高阶可以分解成若干个低阶环节)，因此一阶和二阶传感器是最基本的。传感器的输入量随时间变化的规律是各种各样的，下面在对传感器动态特性进行分析时，采用最典型、最简单的正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。143传感器的无失真测试条件对于任何一个传感器(或测试装置)，总是希望它们具有良好的响应特性，精度高、灵敏度高，输出波形无失真的复现输入波形等。实现上述要求，需要满足一定的条件，称此条件为传感器的无失真测试条件。144传感器的标定传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态指标标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。有时根据需要也要对横向灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。第二章 传感器的工作原理2.1 电阻应变式传感器2.1.1 电阻应变式传感器定义与组成电阻应变式传感器是利用金属的电阻应变效应制造的一种测量微小变化（机械）的传感器。将电阻应变片粘接到各种弹性敏感元件上，可构成测量力、压力、力矩、位移、加速度等各种参数的电阻应变式传感器。它是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数最广泛的传感器之一。电阻应变式传感器有弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成。2.1.2 电阻应变式传感器的特点（1）这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；（2）易于实现测量过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥控；（3）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；（4）可以测量各种物理量。2.1.3 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘结在弹性敏感元件表面上的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此，电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计或选择它的结构形式。电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变式传感器的核心元件。电阻应变式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。其类型很多，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等，是目前使用最广泛的传感器之一。2.1.4 电阻应变式传感器的应用实例电阻应变仪电阻应变仪是利用应变片直接测量应变的专用仪器，在科研和工业生产中常常需要研究机械设备构件或组件承受应变的状况，测量构件形变时的应变力，如高压容器(高压气瓶、高压锅炉)，生产过程中必须采用应变测量方法检测耐压和变形时压力。火炮生产需了解火炮发射时炮管形变，飞机导弹研制时要在特殊的“风洞”实验场中模拟高空状态下飞行时机身、机翼等各部件的形变情况。汽车制造需测试汽车底盘承压时的形变。电阻应变仪按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动态应变仪，按应变力频率又可细分为：静态，5Hz；静动态，几百赫；动态，5kHz；超动态，几十千赫。图235是交流电桥电阻应变仪原理框图，主要由电桥、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示电路组成。电桥(半桥或全桥)用4002000Hz高频正弦电压提供桥压，可测应变频率低于桥压频率的10倍，如桥压20kHz，可测量20200Hz频率应变力，电桥输出调幅调制波。放大器采用窄频带交流放大器，将电桥输出的调幅波进行放大，以满足相敏检波器的要求。振荡器产生等幅正弦波，提供电桥电压和相敏检波器的参考电压。振荡频率(载波)一般要求不低于被测信号频率的610倍。相敏检波器，将放大后的调幅波，用检波器将它还原(解调)为被测应变信号波形。一般检波器只有单相电压(或电流)输出，不能区分双相信号，如果应变有拉应变和压应变，以中心(静止)位置为转折点，要求区分两边不同位置时，可通过相敏检波电路区分双相信号。相移器，相敏检波器的参考信号与被测信号有严格的相位关系，由移相电路实现。滤波器，相敏检波输出的被测信号是被低频应变信号调制的高频信号，包括被检测的低频信号外，还有高频信号，为了还原被检测的信号，必须用低通滤波器去掉高频分量，保留低频应变信号。 2.2 电感式传感器2.2.1电感式传感器的定义及组成电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种传感器。由铁芯和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。根据工作原理的不同，电感式传感器可分为变磁阻式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器等种类。变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。变隙式差动电感压力传感器，它主要由c形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。2.2.2 电感式传感器的特点 (1)工作可靠，寿命长；(2)灵敏度高，分辨率高；(3)测量精度高，线性好；(4)性能稳定，重复性好。电感式传感器的主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，存在交流信号零位信号，传感器自身频率响应低，不适合用于高频动态测量。2.2.3电感式传感器的原理变磁阻式传感器变磁阻式传感器是将位移、转速、加速度等非电物理量转换为磁阻变化的传感器。变磁阻式传感器的原理结构如图31所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定： 式中 线圈总磁量；I通过线圈的电流；N线圈的匝数；穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得 式中：磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为： 式中 铁芯材料的导磁率；衔铁材料的导磁率；磁通通过铁芯的长度；磁通通过衔铁的长度；铁芯的截面积；衔铁的截面积；空气的导磁率；气隙的截面积； 气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即：上式表明，当线圈匝数为常数时，电感仅仅是磁路中磁阻。的函数，只要改变或均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。2.2.4 电感式传感器的应用变磁阻式传感器的应用图38所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。图39所示为变隙式差动电感压力传感器，它主要由c形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。2.3 电容式传感器2.3.1电容式传感器的定义与组成电容式传感器是将被测量如尺寸、位移、压力等非电量的变化转化成电容量的变化的一种传感器。目前电容式传感器已在位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，以及压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量得到了广泛应用。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高。2.3.2 电容式传感器的特点电容式传感器的优点是：结构简单，体积小，分辨率高；可实现非接触测量；动态响应好；温度稳定性好，本身发热极小；能在高温辐射和强振动等恶劣环境下工作。其缺点是：电容量小(一般为几十到几百微法)；功率小，输出阻抗高，因此，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。2.3.3 电容式传感器的工作原理电容式传感器的基本原理是基于物体间的电容量与其结构参数之间的关系。由绝缘介质分开，两个平行金属板组成的平板电容器，如图42所示。由物理学可知，如果不考虑边缘效应，其电容量为： 式中，为极板相对覆盖面积，为两平行极板间距离，为极板间介质相对介电常数，为真空介电常数；为电容极板间介质的介电常数，且满足。当被测参数变化使得式(41)中的、或发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，若仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，这就组成了电容式传感器。在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容式传感器的灵敏度。改变平行极板间距的传感器可以测量微米数量级的位移，改变面积S的传感器则适用于测量厘米级的位移，改变介电常数式的传感器适用于液面和厚度的测量。根据上述原理可知，电容式传感器有三种基本类型，即变极距型(变间隙型)、变面积型和变介质型。而它们的电极形状又有平板型、圆柱型和球平面型三种。2.3.4电容式电感器的应用随着新工艺、新材料问世，特别是电子技术的发展，电容式传感器的应用越来越广泛。电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、加速度等机械量，还可用来测压力、液位、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、电解质的湿度、密度、厚度等。电容式压力传感器图416为差分电容式压力传感器的结构图。它由一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成差分电容器。 当被测压力作用于膜片并使之产生位移时，使两个电容器的容量一个增加，一个减小，该电容的变化经测量电路转换成电压或电流输出，它反映了压力的大小。第三章 总结论文的写作是一个长期的过程，需要不断的进行精心的修改，不断地去研究各方面的文献，认真总结。历经了这么久的努力，终于完成了这个论文。在这次毕业论文的写作的过程中，我拥有了无数难忘的感动和收获。当我知道老师把论文内容定下来以后，我便立刻在学校的图书馆着手资料的收集工作中，当时面对众多网络资料库的文章真是有些不知所措，不知如何下手。我将这一困难告诉了同学，在同学的细心的指导下，终于使我了解了应该怎么样利用学校的浩瀚的资源找到自己需要的青春文学方面的资源，找了大概100篇左右相关的论文，认真的阅读，总结笔记，为自己的论文打好基础。主要是为了发现过去那些论文之中的观点，然后避免有重复的观点出现，争取从一个全新的角度去研究青春文学。在搜集资料后，我在电脑中都进行分类的整理，然后针对自己不同部分的写作内容进行归纳和总结。尽量使我的资料和论文的内容符合，这有利于论文的撰写。然后及时拿给同学进行沟通，听取同学的意见后再进行相关的修改。同学的意见总是很宝贵的，可以很好的指出我的资料收集的不足以及需要什么样的资料来完善文章。资料已经查找完毕了，我开始着手论文初稿的写作。初稿的写作显得逻辑结构有点不清晰，总是想到什么相关的问题就去写，而没有很好的分出清晰的层次，让文章显得有点凌乱，这样的文章必然是不符合要求的，但毕竟是初稿，在同学的指导下还要进行反复的修改。写作毕业论文是我们每个大学生必须经历的一段过程，也是我们毕业前的一段宝贵的回忆。当我们看到自己的努力有收获的时候，总是会有那么一点点自豪和激动。任何事情都是这样子，需要我们脚踏实地的去做，一步一个脚印的完成，认真严谨，有了好的态度才能做好一件事情，一开始都觉得毕业论文是一个很困难的任务，大家都难免会有一点畏惧之情，但是经过长时间的努力和积累，经过不断地查找资料后总结，我们都很好的按老师的要求完成了毕业论文的写作，这种收获的喜悦相信每个人都能够体会到。这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，相信对我未来的学习和工作有很大的帮助。 在这次毕业论文中同学之间互相帮助，共同商量相关专业问题,这种交流对于即将面临毕业的我们来说是一次很有意义的经历,大学两年都一起走过了,在最后我们可以聚在一起讨论学习,研究专业问题,进而更好的了解我们每个人的兴趣之所在,明确我们的人生理想,进而在今后的生活和工作中更好的发挥自己的优势,学好自己的专业,成为一个对于社会有用 的人. 在此更要感谢我的专业老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。参考文献1 杨利军 洪志刚. 传感器原理及应用.中南大学出版社.20062 强锡富. 传感器. 北京：机械工业出版社，1989 3 张福学. 现代实用传感器电路. 北京：中国计量出版社，19974 黄继昌等编著. 传感器的原理及应用实例. 北京：人民邮政出版社，19985 马西秦. 自动检测技术. 北京：机械工业出版社，2006.6 张洪润，张亚凡.传感器技术与应用教程.北京：清华大学出版社，2005.47 何道清. 传感器与传感器技术. 北京：科学出版社，20048 何希才.传感器及其应用电路. 北京：电子工业出版社，20019 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用. 北京：国防工业出版社.10 网上查询