毕业设计（论文）-传感器的应用与分析.doc

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1、 毕业设计 题 目 传感器的应用与分析 系 部 工 程 与 机 电 系 班 级 专 业 机械制造与自动化 姓 名 指导教师 年 3 月 15 日 23前 言 本论文主要介绍了各类传感器的工作机理、基本结构、相应的测量电路和大量的应用实例。本论文有三个特点：其一是重于实践。本书专门编写了实践指导，并融入传感器产品的命名方法、选型原则等实用知识。其二是对于每种传感器均引入丰富而有代表性的应用实例，井与实际生活及工程实际相联系。其三是注重对学生自学能力的培养。 本论文共分六章。第一章介绍了传感器的分类、特性、命名方法及传感器的材料，力求使读者对传感技术有一整体的认识。第二章至第六章分别介绍了电阻应变

2、式、电容式、热电式、霍尔式、光电式传感器的机理、结构、测量电路及应用。本论文可作为自动化类、电气工程类、机电技术类、电子技术类、仪器仪表类、计算机应用类等专业本、专科教学用书，泡可作为有关工程技术人员的技术参考书。 作者在编写本论文的过程中，参阅了相关教材和专著，在此向各位原编著者致谢。 由于编者水平有限，书中难免存在一些缺点和错误，殷切希望广大读者批评指正。目录0 绪论(2)0.1 传感器的地位和作用(3)0.2 传感技术的特点(4)0.3 本论文的任务(5)1 传感技术概念.(5)1.1 传感器的定义、组成与分类(6)1.2 传感器的数字模型概念.(8)1.3 传感器的基本特性.(11)（

3、1）、传感器的静态特性.(11)（2）、传感器的动态特性.(11)（3）、传感器的线性度.(11)（4）、传感器的灵敏度.(12)（5）、传感器的分辨力.(12)2 应变式电阻传感器.(12)3 热电式传感器.(15)4 电容式传感器.(17)5 霍尔传感器.(18)6 光电式传感器.(19) 参考文献.(22)0 绪论传感技术是以传感器敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理“效应”、化学“反应”以及生物“机理”作为理论基础，以研究传感器的材料、设计、制作、应用为主要内容，综合了物理学、微电子学、光学、化学、仿生学、材料学等方面的知识和技术而形成的一门综合性学科，是现代信息产业(传感技术、通信

4、技术和计算机技术)的三大支柱之一。 何谓传感器?传感器是一种能把特定的按测量信息(包括物理量、化学旦、生物学量等)按照一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。当今的“可用信号”是指便于处理和传畅的电信号等，因此可把传感器狭义地定义为：能把外界非电信息按一定规律转换成与之有确定对应关系的电信息的输出器件或装置。01传感器的地位和作用 在基础科学和尖端技术的研究中，必须借助于配备有相应传感器的高精度测控仪器或大型切控系统才能奏效。大到上千光年的茫茫宇宙，小到10“：cm的粒子世界；长到数十亿年的天体演化，短到10”s的瞬间反应；高到5xlr。5xl08霓的超高温或3x10。Pa的超高压，低到o

5、01K的超低温或10“Pa的超真空；强到25T以上的超强磁场，弱到10“T的超届磁场要测量或控制如此极端巨微的信息，人的感官或一般电子设备远已无能为力。而传感器的发展依赖于传感器敏感材料的开发，加工技术的提高，新物理“效应”、新化学“反应”及新生物“机理”的挖掘和应用。美国把传感技术列为犯世纪90年代22项关键技术之一，日本也将传感技术列为十大技术之首，因而传感技术已成为一些发达国家研究的重要热门技术之一。 从茫茫太空到浩渴海洋，从各种复杂工程系统到日常生活的衣食住行领域都离不开各种各样的传感器。 在机器人技术领域，作为第三次产业革命的典型代表智能机器人，特大量使用视觉、触觉、听觉、嗅觉以及各

6、种内脏传感器。一些机器人专家认为，“智能机器人系统应该是一个传感器系统的集成而不是机构的集成”。 在航空、航天技术领域，传感器应用非常多，范围非常广，仅阿波罗10号飞船就使用了大量传感器，对3295个测量参数进行监测，可以说整个飞船就是高性能传感器的集合体。 在兵器领域，国外新设计的引信，除具有引爆炸药的功能外，同时采用几个传感器，以分别监测环境和目标信息，从而更好地解决了安全、可靠和通用性问题。战场侦察传感器系统是20世纪60年代在美国、苏联和欧洲等国家和地区发展起来并装备部队的侦察武器。由于现代战争的突发性，侦察兵难以隐蔽和渗透，因此替代侦察兵的战场侦察传感器也应运而生c初期研制了侦察用的

7、磁、声、振动传感器；80年代采用红外ccD器件等新成果，提高了战场传感器的性能。各国研制的重要新型精确打击武器目标敏感弹都是以传感器为技术核心的c 在生产企业中，随着生产过程自动化程度的提高，传感器成为实现测试与控制的关银环节。如果没有传感器对原始信息的准确捕获与转换，那么对信息的准确测试与控制就将无法实现。例如：在木材干燥系统中，窑内木材含水率、平衡含水率、温度等参量的获取均离不开相应的传感器。在中密度纤维板的调施胶控制系统中，进料时要自动对原料称重，分析原料成分或浓度，然后依据即定配方自动计算多种原料的比例加入量，并顺序检测各个原料罐的液位信号控制各原料的投料量。在施胶阶段，主要通过不断检

8、测纤维的输出量来动态地调节施胶量。所有这些环节均需要使用各种传感器对相应的非电量进行检测和控制，使设备或系统自动、正常地运行在最佳状态，保证生产的高效率和高质量。 在交通领域，为了研究飞机的强度，要在机身、机冀上贴上几百片应变片，在试飞时还要利用传感器测量发动机的参数(转速、转矩、振动等)以及机上有关部位各种参数(应力、温度、流量、油箱液位等)。一辆现代化汽车装备的传感器就达30多种，用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等。美国为实现“汽车电子化。，正准备在一辆汽车上安装如多种传感器。 生物传感器的发展将引起临床检测领域的一场革命，使复杂的医学生化检测过程大为简化，进而走出实验室，

9、步人普通病人的家庭，使普通病人也能熟练掌握和操作这些仪器，随时了解自己的病情，为治疗和康复提供有利条件。0.2传感技术的特点 传感技术的特点集中体现在知识密集性、内容离散性、品种庞杂性、功能智能性、测试精确性、工艺复杂性和应用广泛性上o (1)知识密集性。传感技术中几乎牵涉到支撑现代文明的所有科学技术。各类传感器机理各异，与多门学科紧密相关。在理论上，以物理学中的“效应”、“现象”，化学中的“反应”，生物学中的“机理”为基础；在技术上，涉及到电子、机械制造、化学工程、生物工程等学科。因此，传感技术是多学科相互渗透的知识密集型学科。 (2)内容离散性。传感技术所涉及和利用的物理学中的“效应”，化

10、学中的“反应”，生物学中的“机理”，不仅为数甚多，而且彼此独立。因此有关传感技术的教材、参考书的目录虽章节顺序各异，但都有其各自的目的。 (3)品种庞杂性。自然界中各种信息千差万别，对应不同的信息就有不同类别的传感器，如液位传感器、温度传感器、速度传感器等，品种累多。对于自然界中一种信息的检测，就可根据不同原理、不同材料制作许多种类的传感器，例如仅线位移传感器就有18种；由于产品更新换代快，新的传感器不断出现，品种也在不断增加。总之传感器具有品种庞杂的特点。 (4)功能智能性。传感器具有多种作用，既可代替人类五官感觉的功能也能检测人类五宦不能感觉的信息(如超声波、红外线、。射线、p射线、Y射线

11、等)，称得上是人类五官功能的扩展。同时，还能在人类无法忍受的高温、高压等恶劣环境下工作，而且具有记忆、存储、解析、统计处理、自诊断、自校准和自适应等功能，因而称其为“智能性”。 (5)测试精确性。传感器检测各类信息的量程宽间，湿度从而向面RH到100RH o (6)工艺复杂性。传感器制作涉及许多高新技术，如集成技术、薄膜技术、超导技术、键合技术、高密封技术、特种加工技术以及多功能化、智能化技术等，工艺难度大，要求高。例如直径为1M的微型传感器精加工技术、厚度为lPm以下的硅片超薄加工技术、耐压几百兆帕的大压力传感器的密封技术等均极其复杂而又需要高精尖技术。 (7)应用广泛性。从航天、航空、兵器

12、、船舶、交通、冶金、机械、电子、化工、轻工、能源、煤炭、石油、医疗卫生、生物工程、宇宙开发等领域，到农、林、牧、副、渔五业，直到人们日常生活的方方面面，几乎处处都应用到传感技术。03 本论文的任务本课程具有涉及学科范围广、综合性强的特点，通过对本课程的学习(1)对传感技术有一个整体的认识o(2)对各类传感器的机理、优缺点和应用有(3)具有正确选择传感器的能力。(4)对传感器和由传感器组成的检测系统有(5)具备传感器实用电路的自学能力。l 传感技术概论 为了研究自然现象和制造劳动工具，人类仅靠五官获取外界信息己远远不够，故发明了能代替或补充五官功能的传感器。传感器的历史远比近代科学的历史悠久，天平自埃及五朝即开始使用，利用液体形胀特性检测温度姑于16世纪，19世纪奠定电磁学基础的法拉第物理法则仍是当今电磁传感器的工作原理。对自然现象的定量认识，先要通过传感器获取信息，然后通过处理获取的信息，弄清白然现象的本质。以电量为输出的传感器虽然历史不长，但发展迅速，目前只要谈