传感器自动化课程设计论文

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1、吉 林 建 筑 工 程 学 院 城 建 学 院 电 气 信 息 工 程 系 自 动 化 课 程 设 计第 1 页 共 19 页第 1 章 绪 论1.1 传 感 器 的 定 义能 感 受 规 定 的 被 测 量 件 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

2、 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 是 信 息 技 术 的 前 沿 尖 端 产 品 ， 被 广 泛 用 于 工 农 业 生 产 、 科 学 研 究 和 生 等 领域 ， 尤 其 是 温 度 传 感 器 ， 使 用 范 围 广 ， 数 量 多 ， 居 各 种 传 感 器 之 首 。 温 度 传 感 器 的 发 展大 致 经 历 了 以 下 3个 阶 段 ;(1) 传 统 的 分 立 式 温 度 传 感 器 (含 敏 感 元 件 );主 要 是

3、能 够 进 行 非 电 量 和 电 量 之 间 转 换 。(2) 模 拟 集 成 温 度 传 感 器 /控 制 器 ;(3) 智 能 温 度 传 感 器 。 目 前 ， 国 际 上 新 型 温 度 传 感 器 正 从 模 拟 式 向 数 字 式 、 由 集 成 化 向智 能 化 、 网 络 化 的 方 向 发 展 。1.2 传 感 器 的 分 类可 以 用 不 同 的 观 点 对 传 感 器 进 行 分 类 ： 它 们 的 转 换 原 理 (传 感 器 工 作 的 基 本 物 理 或化 学 效 应 )； 它 们 的 用 途 ； 它 们 的 输 出 信 号 类 型 以 及 制 作 它 们 的 材

4、 料 和 工 艺 等 。根 据 传 感 器 工 作 原 理 ， 可 分 为 物 理 传 感 器 和 化 学 传 感 器 二 大 类 ： 传 感 器 工 作 原 理 的分 类 物 理 传 感 器 应 用 的 是 物 理 效 应 ， 诸 如 压 电 效 应 ， 磁 致 伸 缩 现 象 ， 离 化 、 极 化 、 热 电 、光 电 、 磁 电 等 效 应 。 被 测 信 号 量 的 微 小 变 化 都 将 转 换 成 电 信 号 。 化 学 传 感 器 包 括 那 些 以化 学 吸 附 、 电 化 学 反 应 等 现 象 为 因 果 关 系 的 传 感 器 ， 被 测 信 号 量 的 微 小 变 化

5、 也 将 转 换 成电 信 号 。 有 些 传 感 器 既 不 能 划 分 到 物 理 类 ， 也 不 能 划 分 为 化 学 类 。 大 多 数 传 感 器 是 以 物理 原 理 为 基 础 运 作 的 。 化 学 传 感 器 技 术 问 题 较 多 ， 例 如 可 靠 性 问 题 ， 规 模 生 产 的 可 能 性 ，价 格 问 题 等 ， 解 决 了 这 类 难 题 ， 化 学 传 感 器 的 应 用 将 会 有 巨 大 增 长 。1.2.1 传 感 器 按 照 其 用 途 分 类压 力 敏 和 力 敏 传 感 器 位 置 传 感 器液 面 传 感 器 能 耗 传 感 器速 度 传 感

6、器 加 速 度 传 感 器吉 林 建 筑 工 程 学 院 城 建 学 院 电 气 信 息 工 程 系 自 动 化 课 程 设 计第 2 页 共 19 页射 线 辐 射 传 感 器 热 敏 传 感 器24GHz雷 达 传 感 器1.2.2 传 感 器 按 照 其 原 理 分 类振 动 传 感 器 湿 敏 传 感 器磁 敏 传 感 器 气 敏 传 感 器真 空 度 传 感 器 生 物 传 感 器 等 。1.2.3 传 感 器 按 照 其 输 出 信 号 为 标 准 分 类模 拟 传 感 器 将 被 测 量 的 非 电 学 量 转 换 成 模 拟 电 信 号 。数 字 传 感 器 将 被 测 量 的

7、 非 电 学 量 转 换 成 数 字 输 出 信 号 (包 括 直 接 和 间 接 转 换 )。膺 数 字 传 感 器 将 被 测 量 的 信 号 量 转 换 成 频 率 信 号 或 短 周 期 信 号 的 输 出 (包 括 直接 或 间 接 转 换 )。开 关 传 感 器 当 一 个 被 测 量 的 信 号 达 到 某 个 特 定 的 阈 值 时 ， 传 感 器 相 应 地 输 出 一个 设 定 的 低 电 平 或 高 电 平 信 号 。1.2.4 传 感 器 按 照 其 材 料 为 标 准 分 类在 外 界 因 素 的 作 用 下 ， 所 有 材 料 都 会 作 出 相 应 的 、 具 有

8、 特 征 性 的 反 应 。 它 们 中 的 那些 对 外 界 作 用 最 敏 感 的 材 料 ， 即 那 些 具 有 功 能 特 性 的 材 料 ， 被 用 来 制 作 传 感 器 的 敏 感 元件 。 从 所 应 用 的 材 料 观 点 出 发 可 将 传 感 器 分 成 下 列 几 类 ：(1)按 照 其 所 用 材 料 的 类 别 分 ： 金 属 聚 合 物 陶 瓷 混 合 物(2)按 材 料 的 物 理 性 质 分 ： 导 体 绝 缘 体 半 导 体 磁 性 材 料(3)按 材 料 的 晶 体 结 构 分 ： 单 晶 多 晶 非 晶 材 料与 采 用 新 材 料 紧 密 相 关 的

9、传 感 器 开 发 工 作 ， 可 以 归 纳 为 下 述 三 个 方 向 ：(1)在 已 知 的 材 料 中 探 索 新 的 现 象 、 效 应 和 反 应 ， 然 后 使 它 们 能 在 传 感 器 技 术 中 得到 实 际 使 用 。(2)探 索 新 的 材 料 ， 应 用 那 些 已 知 的 现 象 、 效 应 和 反 应 来 改 进 传 感 器 技 术 。(3)在 研 究 新 型 材 料 的 基 础 上 探 索 新 现 象 、 新 效 应 和 反 应 ， 并 在 传 感 器 技 术 中 加 以具 体 实 施 。吉 林 建 筑 工 程 学 院 城 建 学 院 电 气 信 息 工 程 系

10、 自 动 化 课 程 设 计第 3 页 共 19 页现 代 传 感 器 制 造 业 的 进 展 取 决 于 用 于 传 感 器 技 术 的 新 材 料 和 敏 感 元 件 的 开 发 强 度 。传 感 器 开 发 的 基 本 趋 势 是 和 半 导 体 以 及 介 质 材 料 的 应 用 密 切 关 联 的 。 表 1.2中 给 出 了 一些 可 用 于 传 感 器 技 术 的 、 能 够 转 换 能 量 形 式 的 材 料 。1.2.5 传 感 器 按 照 其 制 造 工 艺 分 类集 成 传 感 器 薄 膜 传 感 器 厚 膜 传 感 器 陶 瓷 传 感 器集 成 传 感 器 是 用 标

11、准 的 生 产 硅 基 半 导 体 集 成 电 路 的 工 艺 技 术 制 造 的 。 通 常 还 将 用 于初 步 处 理 被 测 信 号 的 部 分 电 路 也 集 成 在 同 一 芯 片 上 。薄 膜 传 感 器 则 是 通 过 沉 积 在 介 质 衬 底 (基 板 )上 的 ， 相 应 敏 感 材 料 的 薄 膜 形 成 的 。 使用 混 合 工 艺 时 ， 同 样 可 将 部 分 电 路 制 造 在 此 基 板 上 。厚 膜 传 感 器 是 利 用 相 应 材 料 的 浆 料 ， 涂 覆 在 陶 瓷 基 片 上 制 成 的 ， 基 片 通 常 是 Al2O3制 成 的 ， 然 后 进

12、 行 热 处 理 ， 使 厚 膜 成 形 。陶 瓷 传 感 器 采 用 标 准 的 陶 瓷 工 艺 或 其 某 种 变 种 工 艺 (溶 胶 -凝 胶 等 )生 产 。完 成 适 当 的 预 备 性 操 作 之 后 ， 已 成 形 的 元 件 在 高 温 中 进 行 烧 结 。 厚 膜 和 陶 瓷 传 感 器这 二 种 工 艺 之 间 有 许 多 共 同 特 性 ， 在 某 些 方 面 ， 可 以 认 为 厚 膜 工 艺 是 陶 瓷 工 艺 的 一 种 变型 。 每 种 工 艺 技 术 都 有 自 己 的 优 点 和 不 足 。 由 于 研 究 、 开 发 和 生 产 所 需 的 资 本 投

13、入 较 低 ，以 及 传 感 器 参 数 的 高 稳 定 性 等 原 因 ， 采 用 陶 瓷 和 厚 膜 传 感 器 比 较 合 理 。1.3 传 感 器 的 特 性传 感 器 的 特 兴 奋 伪 静 态 特 性 与 动 态 特 性 。1.3.1 传 感 器 静 态 特 性传 感 器 的 静 态 特 性 是 指 对 静 态 的 输 入 信 号 ， 传 感 器 的 输 出 量 与 输 入 量 之 间 所 具 有 相互 关 系 。 因 为 这 时 输 入 量 和 输 出 量 都 和 时 间 无 关 ， 所 以 它 们 之 间 的 关 系 ， 即 传 感 器 的 静态 特 性 可 用 一 个 不 含

14、 时 间 变 量 的 代 数 方 程 ， 或 以 输 入 量 作 横 坐 标 ， 把 与 其 对 应 的 输 出 量作 纵 坐 标 而 画 出 的 特 性 曲 线 来 描 述 。 表 征 传 感 器 静 态 特 性 的 主 要 参 数 有 ： 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 。定 义 为 在 全 量 程 范 围 内 实 际 特 性 曲 线 与 拟 合 直 线 之 间 的 最 大 偏 差 值 与 满 量 程 输 出

15、值 之比 。吉 林 建 筑 工 程 学 院 城 建 学 院 电 气 信 息 工 程 系 自 动 化 课 程 设 计第 4 页 共 19 页（ 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 量与 引 起 该 增 量 的 相 应 输 入 量 增 量 之 比 。 用 S表 示 灵 敏 度 。（ 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 成 为 迟 滞

16、 。 对 于 同 一 大 小 的 输 入 信 号 ， 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 ） 。1.3.2传 感 器 动 态 特 性所 谓 动 态 特 性 ， 是 指 传 感 器 在 输 入 变 化 时 ， 它 的 输 出 的 特 性 。 在 实 际 工 作 中 ， 传 感器 的 动 态 特 性 常 用 它 对 某 些 标 准 输 入