传感器毕业论文

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1、湖南生物机电职业技术学院毕业设计（论文）题目： 传感器的应用非电量测量专业： 机电一体化班级：姓名：指导教师：摘要本论文主要介绍传感器基本知识、电阻应变式传感器、电感式传 感器、电容式传感器、磁电式传感器的原理和应用，其中磁电式传感 器重点介绍霍尔元件。The present paper mainly introduced the sensor elementary knowledge, the resistance should the variant sensor, the inductance type sensor, the electric capacity type sensor,

2、 the electromagnetic sensor principle and the application, in which electromagnetic type sensor introduce the Hall part with emphasis.第一章 传感器的基本知识1.1 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、

3、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。1.2 传感器的分类传感器常用的有如下三种：（1）按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等 传感器（2）按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光 栅、热电偶等传感器。（3）按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1和0或 “开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。1.3 传感器的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信号的响应来表示。这是因

4、为传感器对标准输入信 号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响 应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃 信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。1.4 传感器的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、分辨力和迟滞等

5、。1.4.1 传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使 仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非 线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输 入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和 为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。1.4.2 传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量变化Ax的比值。它 是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，贝庆敏度S 是一个常数。否则，它将随输

6、入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲 之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度 应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈 差。1.4.3 传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量 从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变 化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时， 其输出才会发生变化。通常传感器在满量程

7、范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满 量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述 指标若用满量程的百分比表示，贝称为分辨率。1.4.4 传感器的迟滞特性迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出 -一 输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值厶MAX与满量程输出 FS的百分比表示。迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。1.4.5 各种类型传感器简介（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、

8、 湿敏等电阻式传感器件。（2）电阻应变式传感器 传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金 属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、 横向效应小等优点。（3）压阻式传感器 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而 制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基 片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。 用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗

9、片，硅片为敏感 材料而制 成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感 器应用最为普遍。（4）热电阻传感器 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度 有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛 的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温 度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200C+500C范围内的温度。第二章 电阻应变式传感器2.1 概述电阻应变式传感器（straingauge type transducer ）以电阻应变计为转换元件的 电阻式传感器。电阻应变式传

10、感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成， 可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形， 并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而 可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。2.2 电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值 变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：R=P *L/S式中：P金属导体的电阻率（Qcm2/m）S导体的截面积（cm2）L导体的长度（m）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变

11、化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时， 其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减 小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电 压），即可获得应变金属丝的应变情2.3 陶瓷压力传感器原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使 膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥）， 由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成 正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.

12、0 / 3.3 mV/V等， 可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定 性，传感器自带温度补偿070C，并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定 特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40135C，而且具有测量的高精 度、高稳定性。电气绝缘程度2.4 应变片 压力传感器原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压 阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式 加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低

13、的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是 一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的 主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金 属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和 剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起 产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片 在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后

14、续的仪 表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、 绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设 计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致 使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显， 调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几 十欧至几十千欧左右。保护层金J1电阻应变丝引线L基怀E1金属电阴应娈丝的结构力学传感器是将各种力学量

15、转换为电信号的器件，力学量可分为几何学量、运动学 量及力学量三部分，其中几何学量指的是位移、形变、尺寸等，运动学量是指几何学量 的时间函数，如速度、加速度等。力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。根据被 测力学的不同，这里我们首先要介绍的是应用最为广泛的应变式压力传感器，在以后的 网页中，我们将逐步介绍其它类型的力学传感器。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、 压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容 式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高 的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这

16、类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变 片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感 器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两 种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊 的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片 也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种 应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后 续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机 构。第三章 电感式传感器3.1.电感式传感器的工作原