傳感器課程設計---多種位移傳感器特性比較和研究

1、<p><b>　　傳感器課程設計報告</b></p><p>　　題 目: 多種位移傳感器特性比較和研究 </p><p>　　班 級: </p><p>　　學 號: <

2、;/p><p>　　姓 名: </p><p>　　指導老師: </p><p>　　時 間: </p><p><b>　　前

3、 言</b></p><p>　　21世紀是信息科學與技術全新發(fā)展的時代，信息技術已經(jīng)成為社會發(fā)展一股新的強大推動力。傳感器技術作為信息技術和產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，因此受到了國家和社會各個行業(yè)的高度重視，并且迅速發(fā)展。在《傳感器技術》這門課程中我們了解了各種各樣的傳感器，如：電阻式傳感器變磁阻式傳感器，電容式傳感器，磁電式傳感器，壓電式傳感器，熱電式傳感器，光電式傳感器，光纖式傳感器，數(shù)字式傳感器，化

4、學傳感器，生物傳感器等，還有更多的傳感器新技術。</p><p>　　傳感器技術是以傳感器為核心論述其內(nèi)涵、外延的學科，也是一門涉及測量技術、功能材料、微電子技術、精密與微細加工技術、信息處理技術和計算機技術等相互結(jié)合形成的密集型綜合技術。當今的傳感器是一種能把非電輸入信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。</p><p>　　傳感器未來的發(fā)展主要朝著以下四個方面

5、：⑴發(fā)現(xiàn)新效應，開發(fā)新材料、新功能；新的效應和現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是新的敏感材料的開發(fā)的重要途徑，而新的敏感材料的開發(fā)是新型傳感器出現(xiàn)的重要基礎。⑵傳感器的多功能集成化和微型化；所謂集成化就是在同一芯片上，或?qū)⒈姸嗤愋偷膯蝹€傳感器件集成為一維，二維或三維陣列型傳感器，或?qū)鞲衅骷c調(diào)理、補償?shù)忍幚黼娐芳梢惑w化。微型傳感器是朝著微米/納米技術領域發(fā)展，其顯著特征就是體積小、重量很輕，這種傳感器一般應用于航空航天，環(huán)境保護，生物醫(yī)學和工業(yè)自動化

6、等高科技領域。⑶傳感器的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化；傳感器的數(shù)字化提高傳感器本身的多種性能。智能化是指傳感器具有一種或多種敏感功能，不僅能實現(xiàn)信息的探測、處理、邏輯判斷和雙向通訊，而且具有自檢測、自校正、自補償、自診斷等多功能的器件或裝置。傳感器網(wǎng)絡是一種由眾多隨機分布的一組同類或異類傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點構(gòu)成的無線網(wǎng)絡。⑷研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器；利用仿生學、生物遺傳工程和生物電子學技術研究它們的機理，研究仿生傳感器，也是一個十分引人注

7、目的方向。</p><p>　　所以學習與掌握各種傳感器的應用對于我們電子信息類專業(yè)顯得尤為重要。也是把握科技最新前沿的一條途徑。本次課程設計主要是傳感器在測位移方面應用的研究，對不同的傳感器測位移原理的特性比較和研究，自己設計3種以上位移傳感器，寫出設計方案，并對每種位移傳感器原理、測量電路、輸出特性、靈敏度、精度進行分析。比較每一種傳感器的優(yōu)缺點及改善方法，最后做出總結(jié)。此次課程設計可以更好的幫助我們掌握所學

8、的知識。</p><p>　　一、電阻應變計式傳感器測位移</p><p>　　1、電阻應變計測位移的原理：電阻應變式位移傳感器是把電阻應變計粘貼在彈性敏感元件上，把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應變，然后通過應變計和應變電橋電路，輸出正比于被測位移的電量。它可以用來近測或遠測靜態(tài)與動態(tài)的位移量。</p><p>　　2、電阻式應變計的構(gòu)造及特性分析：</p

9、><p>　　⑴電阻式應變計主要由敏感柵、基底、引線、蓋層、粘結(jié)劑構(gòu)成，按其敏感柵取材，基本可分為金屬應變計和半導體應變計兩大類。</p><p>　?、齐娮枋綉冇嬛饕袃煞矫娴膽茫阂皇亲鳛槊舾性?，直接用于被測試件的應變測量；另一方面是作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性敏感元件構(gòu)成傳感器，用于對任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應變的其他的物理量作間接測量。所以要求用作傳感器的應變計性能要好，尤其是線性誤差要小，

10、力學性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響小，并與彈性元件匹配。</p><p>　　3、電阻式應變計傳感器測位移測量電路：電阻式應變計是把位移應變信號換成ΔR/R后，由于應變量及其應變電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，又不便直接處理。因此需要采用測量電路把應變計的ΔR/R變化轉(zhuǎn)換成可用的電壓或電流輸出，本次設計采用本設計采用半導體應變計和最常見且廣泛應用的直流電橋測量電路，主要因其靈敏度高、精度高、測量范圍寬、電路結(jié)構(gòu)簡

11、單、易于實現(xiàn)溫度補償?shù)忍攸c而能很好的滿足測量需求，其測量電路如圖1:</p><p>　　圖1 直流電橋測量電路</p><p>　　直流電橋橋臂只能接入電阻，主要用于應變電橋輸出可直接顯示而無需中間放大的場合，本設計采用的半導體應變計正好符合此電路。</p><p>　　電阻應變計傳感器測位移靈敏度與精度分析：靈敏度是傳感器輸出增量與被測輸入量增量之比，而實際上靈

12、敏度往往需要包含電源電壓因素。靈敏度指標主要是看靈敏系數(shù)（K）即：K=,其中表示應變計軸向應變；應變計的靈敏系數(shù)直接關系到應變測量的精度，因此K值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定的條件下測量。此次設計的靈敏度可以在實際測量中計算出來，本次采用的半導體電阻應變計傳感器靈敏度高，而靈敏度影響精度，從而測量精度也比較高，在此不做過多分析。</p><p>　　電阻應變計傳感器測位移輸出特性分析：</p>

13、<p>　?、庞蓽y量電路可知（）時輸出電壓：</p><p>　?、平尤霊冇嫼蟮妮敵鎏匦裕涸O電橋初始平衡，四臂工作，各臂應變計電阻變化分別為、、、，代入上式得輸出電壓變化</p><p>　　實際我們通常采用全等臂電橋，,，則</p><p>　　當考慮<<，上式可表示為</p><p>　　當在單臂工作情況下，為

14、工作應變計，為補償應變計，，為平衡固定電阻，則</p><p>　　而此時的輸出靈敏度為</p><p>　　變面積型電容式傳感器測位移</p><p>　　變面積型電容式傳感器測位移原理：</p><p>　?、磐ǔＷ兠娣e型電容式傳感器分為角位移型和線位移型，而線位移型又分為平面線位移型和圓柱線位移型。</p><p&g

15、t;　?、票敬卧O計采用差動式結(jié)構(gòu)，圓柱線位移型電極，與測桿相連的可動電極隨被測位移而軸向移動，從而改變活動的電極與兩個固定電極板之間的面積，使電容發(fā)生變化，電容的變化引起電量的變化，從而達到被測非電量到可用電參量的轉(zhuǎn)化，再接入測量電路即可測出它們之間的變化關系。</p><p><b>　　其原理示意圖如圖2</b></p><p>　　圖2變面積型電容傳感器原理&l

16、t;/p><p>　　所以：，其中為初始電容，得靈敏度 （為真空介電常數(shù)，為極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)）</p><p>　　變面積型電容式傳感器測位移測量電路：本設計采用常用的脈沖調(diào)寬電路測量。測量電路如圖3所示：</p><p>　　圖3 差動脈沖調(diào)寬測量電路</p><p>　?、胖饕蓛蓚€電壓比較器，一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器FF和兩個充放電回路和，

17、還有差動放大組成。</p><p>　?、平油娫春?，若觸發(fā)器為高電平，為低電平（0），則觸發(fā)器通過對充電；當F點電位升到與參考電壓相等時，比較器產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，為低，為高（）。此時，由電容通過二極管迅速放電到0，從而觸發(fā)器由端經(jīng)向充電；當G點電位與參考電壓相等時，比較器輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，循環(huán)上面的過程。</p><p>　　變面積型電容式傳感器測位移靈敏度及精度分析：由圖2

18、分析可知變面積型電容式傳感器的靈敏度為，和變極距型相比，靈敏度較低，所以才采用差動放大提高靈敏度，從而提高其精度。</p><p>　　變面積型電容式傳感器測位移輸出特性分析：</p><p>　?、女敃r，兩端間的平均電壓為0。>時，兩端的平均電壓為:</p><p>　　(和分別為端和端的輸出方波脈沖寬度，也就是和的充電時間)在此差動式變面積型電容傳感器中：

19、</p><p>　　⑵此測量電路不需要載頻和附加解調(diào)電路，無波形和相移失真，輸出信號只需要通過低通濾波器引出，直流信號的極性取決于和，而且可以得到線性輸出；這種電路便于與傳感器做在一起，從而減少傳輸誤差和干擾。</p><p>　　反射式光纖傳感器測位移</p><p>　　反射式光纖傳感器測位移的原理：這是一種我們常見的光纖式傳感器，其原理圖如圖4所示：<

20、/p><p>　　圖4反射式光纖傳感器測位移原理</p><p>　　這個光強度外調(diào)制環(huán)節(jié)通常在光纖外部，所以光纖本身只起傳光作用，它分為發(fā)送光纖和接收光纖兩部分，光纖發(fā)射的光通過反射器反射到光纖接收部分，有一部分光返回光纖，通過測出反射光的光強度就可以知道物體的位置變化，被反射的光再通過光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過測量電路測量其變化，達到測試位移的目的。</p><

21、p>　　反射式光纖傳感器測位移測量電路：本設計主要是采用的Y型光纖，兩束多模光纖一端合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別作為接收光纖和光源光纖，光纖只起傳輸信號的作用，當光纖發(fā)射光通過傳輸射到反射器上，經(jīng)反射器反射至接收光纖端，然后轉(zhuǎn)至光電轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)為電信號，輸出端接數(shù)字電壓顯示即可。其測量框圖如圖5所示：</p><p>　　圖5 反射式光纖傳感器測量位移</p><p>　　

22、反射式光纖傳感器測位移靈敏度及精度分析：光纖傳感器的靈敏度高，它的抗干擾能力強，所以測量精度通常很高。靈敏度均可以在實際測量中分析，在此不做過多分析。</p><p>　　反射式光纖傳感器測位移輸出特性分析：我們可以從圖6分析其輸出特性：</p><p>　　圖6反射式光纖位移測量輸出特性曲線</p><p>　　從圖中我們可以看出輸出電壓的變化在一定范圍內(nèi)隨著位移

23、的的增大而增大，但大到一定值將不再增大，反而減少，這是由于反射的光有一部分出去了，而沒進入接收端的緣故。</p><p>　　三種位移傳感器的的優(yōu)缺點及改進方法</p><p>　　電阻應變計位移傳感器</p><p>　?、盘匦裕孩賾煤蜏y量范圍廣；②分辨力和靈敏度高，尤其是半導體應變計，靈敏度可以達到幾十毫伏每伏，測量精度也較高（一般達1%～3%F.S，高精度達

24、0.1%～0.01%F.S）；③結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小，對復雜的環(huán)境適應性強，易于實施對環(huán)境干擾的隔離或補償，從而可以在高低溫、高壓、高速、強磁場、核輻射等環(huán)境中使用，頻率響應好；④商品化，選用和使用都方便，也便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。</p><p>　?、迫秉c：工作在高溫環(huán)境下容易產(chǎn)生溫度偏差以及彈性元件本身的非線性、電橋的非線性、應變計的非線性及材料結(jié)構(gòu)與內(nèi)耗等造成的非線性誤差。</p>&

25、lt;p>　?、歉倪M方法：在工作溫度變化較大時，可以通過熱輸出補償辦法消除對測量的應變的干擾，常采用溫度自補償法和橋路補償法。其中溫度自補償法又包含單絲自補償法和雙絲自補償法；橋路補償法包含雙絲半橋式和補償塊法。</p><p>　　電阻應變計式傳感器為了提高靈敏度、改善非線性誤差和溫度特性，通常接全橋。對于改善非線性誤差，我們也要進行非線性誤差補償，通常采用差動電橋補償法和恒流源補償法。</p>

26、;<p>　　變面積型電容式傳感器</p><p>　?、盘匦裕菏紫?，電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、高分辨力、可以非接觸測量，并能在高溫輻射和強烈振動等惡劣條件下工作；而變面積式傳感器的輸出特性呈線性，所以其適合測量較大的直線位移和角位移。</p><p>　　⑵缺點：當極板厚度與極距之比相對較大時，就不能忽視邊緣效應，邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性；還有寄生電

27、容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及連接電路較復雜等缺點。</p><p>　?、歉倪M方法：我們可以采用帶有保護環(huán)的結(jié)構(gòu)消除邊緣效應的影響，消除寄生電容的方法通常有以下幾種：驅(qū)動電纜法，整體屏蔽法，采用組合式與集成技術等。</p><p><b>　　反射式光纖傳感器</b></p><p>　?、盘匦裕汗饫w傳感器靈敏度高，抗電磁干擾

28、、耐腐蝕、電絕緣性好、防爆、光路有可撓曲性、結(jié)構(gòu)簡單、體積小和重量輕等特點，光纖傳感器已經(jīng)成為機載光學傳感器的必然發(fā)展趨勢。</p><p>　?、迫秉c：Y型反射式光纖傳感器具有一個輸入和一個輸出端，易受射入的光強度影響，從而影響測量精度；還會受到環(huán)境光的影響等。</p><p>　?、歉倪M方法：對于光源波動所產(chǎn)生的測量誤差，通常采用補償措施，主要有光源的負反饋穩(wěn)定法，組合型光纖探頭法，增

29、大了線性范圍和提高了靈敏度。對于外界光的影響，我們可以采用調(diào)制解調(diào)的方法消除，從而提高了測量的精度和穩(wěn)定性。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　通過本次課程設計我們對所學過的多種傳感器的特性以及測量方法有了更深的理解，也了解了當今傳感器的發(fā)展趨勢，在設計的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題，提高傳感器的性能，查閱各種資料，以保證此次設計的最優(yōu)化，本次課程設

30、計讓我們對傳感器技術實際應用把握得更好。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 賈伯年，俞樸，宋愛國主編.《傳感器技術》.東南大學出版社（第3版）</p><p>　　2 袁希光主編.《傳感器技術手冊》.國防工業(yè)出版社</p><p>　　3 錢鋒，張鄂，沈生培.《一種新型電容式直線位移測