傳感器課程設(shè)計(jì)多種位移傳感器特性比較和研究

1、傳感器課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目: 多種位移傳感器特性比較和研究 班 級: 學(xué) 號: 姓 名: 指導(dǎo)老師: 時(shí) 間: 前 言 21世紀(jì)是信息科學(xué)與技術(shù)全新發(fā)展的時(shí)代，信息技術(shù)已經(jīng)成為社會發(fā)展一股新的強(qiáng)大推動力。傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)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(shù)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，化學(xué)傳感器，生物傳感器等，還有更多的傳感器新技術(shù)。傳感器技術(shù)是以傳感器為核心論述其內(nèi)涵、外延的學(xué)科，也是一門涉及測量技

2、術(shù)、功能材料、微電子技術(shù)、精密與微細(xì)加工技術(shù)、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等相互結(jié)合形成的密集型綜合技術(shù)。當(dāng)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。傳感器未來的發(fā)展主要朝著以下四個方面：發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)，開發(fā)新材料、新功能；新的效應(yīng)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(chǔ)。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(bǔ)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(shù)領(lǐng)域發(fā)展，其顯著特征就是體積小、重

3、量很輕，這種傳感器一般應(yīng)用于航空航天，環(huán)境保護(hù)，生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)自動化等高科技領(lǐng)域。傳感器的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(bǔ)償、自診斷等多功能的器件或裝置。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由眾多隨機(jī)分布的一組同類或異類傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器；利用仿生學(xué)、生物遺傳工程和生物電子學(xué)技術(shù)研究它們的機(jī)理，研究仿生傳感器，也是一個十分引人注目的方向。所以學(xué)習(xí)與掌握各種傳感器的應(yīng)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

4、的一條途徑。本次課程設(shè)計(jì)主要是傳感器在測位移方面應(yīng)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(shè)計(jì)3種以上位移傳感器，寫出設(shè)計(jì)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(jìn)行分析。比較每一種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及改善方法，最后做出總結(jié)。此次課程設(shè)計(jì)可以更好的幫助我們掌握所學(xué)的知識。一、電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器測位移1、電阻應(yīng)變計(jì)測位移的原理：電阻應(yīng)變式位移傳感器是把電阻應(yīng)變計(jì)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(yīng)變，然后通過應(yīng)變計(jì)和應(yīng)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(yuǎn)測靜態(tài)與動態(tài)的位移量。2、電阻式應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造及特性分析： 電阻式應(yīng)變

5、計(jì)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(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)兩大類。 電阻式應(yīng)變計(jì)主要有兩方面的應(yīng)用：一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應(yīng)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(yīng)變的其他的物理量作間接測量。所以要求用作傳感器的應(yīng)變計(jì)性能要好，尤其是線性誤差要小，力學(xué)性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響小，并與彈性元件匹配。 3、電阻式應(yīng)變計(jì)傳感器測位移測量電路：電阻式應(yīng)變計(jì)是把位移應(yīng)變信號換成r/r后，由于應(yīng)變量及其應(yīng)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(yīng)變計(jì)的r/r變化轉(zhuǎn)換成可

6、用的電壓或電流輸出，本次設(shè)計(jì)采用本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)和最常見且廣泛應(yīng)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)簡單、易于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)而能很好的滿足測量需求，其測量電路如圖1:圖1 直流電橋測量電路直流電橋橋臂只能接入電阻，主要用于應(yīng)變電橋輸出可直接顯示而無需中間放大的場合，本設(shè)計(jì)采用的半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)正好符合此電路。4、 電阻應(yīng)變計(jì)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(shí)際上靈敏度往往需要包含電源電壓因素。靈敏度指標(biāo)主要是看靈敏系數(shù)（k）即：k=,其中表示應(yīng)變計(jì)軸向應(yīng)變；應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)直接關(guān)系到應(yīng)變測量的精度，因此k值通常采

7、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(shè)計(jì)的靈敏度可以在實(shí)際測量中計(jì)算出來，本次采用的半導(dǎo)體電阻應(yīng)變計(jì)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。5、 電阻應(yīng)變計(jì)傳感器測位移輸出特性分析：由測量電路可知（）時(shí)輸出電壓：接入應(yīng)變計(jì)后的輸出特性：設(shè)電橋初始平衡，四臂工作，各臂應(yīng)變計(jì)電阻變化分別為、，代入上式得輸出電壓變化 實(shí)際我們通常采用全等臂電橋，,，則當(dāng)考慮<<，上式可表示為當(dāng)在單臂工作情況下，為工作應(yīng)變計(jì)，為補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)，為平衡固定電阻，則 而此時(shí)的輸出靈敏度為2、 變面積型電容式傳感器測位移1、 變面積型電容式傳感器測位移原理：通常變面積型

8、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。本次設(shè)計(jì)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(dá)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(guān)系。其原理示意圖如圖2圖2變面積型電容傳感器原理所以：，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)）2、 變面積型電容式傳感器測位移測量電路：本設(shè)計(jì)采用常用的脈沖調(diào)寬電路測量。測量電路如圖3所示：圖3 差動脈沖調(diào)寬測量電路主要由兩個電壓比較器，

9、一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器ff和兩個充放電回路和，還有差動放大組成。接通電源后，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(dāng)f點(diǎn)電位升到與參考電壓相等時(shí)，比較器產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，為低，為高（）。此時(shí)，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(dāng)g點(diǎn)電位與參考電壓相等時(shí)，比較器輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，循環(huán)上面的過程。3、 變面積型電容式傳感器測位移靈敏度及精度分析：由圖2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。4、 變面積型電容式傳感器測位移輸出特性分析：當(dāng)時(shí)，兩端間的平均電壓為0。>時(shí)，兩端的平

10、均電壓為:(和分別為端和端的輸出方波脈沖寬度，也就是和的充電時(shí)間)在此差動式變面積型電容傳感器中：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。3、 反射式光纖傳感器測位移1、 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：圖4反射式光纖傳感器測位移原理這個光強(qiáng)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

11、光的光強(qiáng)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(dá)到測試位移的目的。2、 反射式光纖傳感器測位移測量電路：本設(shè)計(jì)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(dāng)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：待添加的隱藏文字內(nèi)容2圖5 反射式光纖傳感器測量位移3、 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(qiáng)，所以測量精度通常很高。靈敏

12、度均可以在實(shí)際測量中分析，在此不做過多分析。4、 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：圖6反射式光纖位移測量輸出特性曲線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(jìn)入接收端的緣故。4、 三種位移傳感器的的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方法1、 電阻應(yīng)變計(jì)位移傳感器特性：應(yīng)用和測量范圍廣；分辨力和靈敏度高，尤其是半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，靈敏度可以達(dá)到幾十毫伏每伏，測量精度也較高（一般達(dá)1%3%f.s，高精度達(dá)0.1%0.01%f.s）；結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小，對復(fù)雜的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，易于實(shí)施對環(huán)境干擾

13、的隔離或補(bǔ)償，從而可以在高低溫、高壓、高速、強(qiáng)磁場、核輻射等環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好；商品化，選用和使用都方便，也便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動化測量。缺點(diǎn)：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(yīng)變計(jì)的非線性及材料結(jié)構(gòu)與內(nèi)耗等造成的非線性誤差。改進(jìn)方法：在工作溫度變化較大時(shí)，可以通過熱輸出補(bǔ)償辦法消除對測量的應(yīng)變的干擾，常采用溫度自補(bǔ)償法和橋路補(bǔ)償法。其中溫度自補(bǔ)償法又包含單絲自補(bǔ)償法和雙絲自補(bǔ)償法；橋路補(bǔ)償法包含雙絲半橋式和補(bǔ)償塊法。 電阻應(yīng)變計(jì)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(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償，通常采用差動電

14、橋補(bǔ)償法和恒流源補(bǔ)償法。2、 變面積型電容式傳感器特性：首先，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(qiáng)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。缺點(diǎn)：當(dāng)極板厚度與極距之比相對較大時(shí)，就不能忽視邊緣效應(yīng)，邊緣效應(yīng)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(fù)雜等缺點(diǎn)。改進(jìn)方法：我們可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)消除邊緣效應(yīng)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(shù)等。3、 反射式光纖傳感器特性：光纖傳感器靈敏度高，抗電磁干擾、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(diǎn)，光纖傳感器已經(jīng)成為機(jī)載光學(xué)傳感器的必然發(fā)展趨勢。缺點(diǎn)：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(qiáng)度影響，從而影響測量精度；還會受到環(huán)境光的影響等。改進(jìn)方法：對于光源波動所產(chǎn)生的測量誤差，通常采用補(bǔ)償措施，主要有光源的負(fù)反饋穩(wěn)定法，組合型光纖探頭法，增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。5、 總結(jié)通過本次課程設(shè)計(jì)我們對所學(xué)過的多種傳感器的特性以及測量方