毕业论文----传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究.doc

毕 业 论 文题 目：传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究绪论作为机电一体化学生，将来工作学习都会以机电为主，所以必须对机电专业的相关知识有所了解，然而传感器在机电一体化中占据了一定的地位。本文简述了传感器在机电一体化系统中的作用及其地位，也讲述了在机电一体化中常见的传感器类型、特点、结构及用途等，还介绍了在机电一体化中传感器的选择指标以及传感器在以后的发展方向和未来发展前景。传感器作为信息集训的一脉正在越来越广泛的普及及发展到我国的各行各业各个领域，其中为使我国从劳动密集型向技术型转化，必须利用其信息技术，即传感器技术，使传感器在工业自动化，农业国防军工，能源交通，家用电器等应用领域均有其开发市场。在我国尤以传感器技术的潜力最大。应用方面主要用于化学方面、环境保护方面、生物工程方面以及医疗卫生方面等等。关键词：传感器 传感器技术 应用领域 目 录一、传感器的基础知识.4（一）、传感器的定义和组成.4 （二）、传感器的分类. 4（三）、常用传感器的结构特点、及用途.4二、如何为机电一体化系统选择传感器（举例说明）.6（一）、如何选择传感器.6（二）、霍尔式传感器的结构、表现形式及应用.7三、机电一体化系统中传感器的发展方向及未来发展前景.9（一）、现代传感技术的发展方向.9（二）、未来发展前景.9四、结束语.10五、参考文献.10一、传感器的基础知识（一）、传感器的定义和组成1、传感器的定义人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长。传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。根据国家标准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、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。传感器的组成：（1）敏感元件：直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。（2）转换元件：能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。（二）、传感器的分类传感器可以从不同角度进行分类。1、按被测量的属性分：位移、速度、加速器、力、压力、流量、温度等传感器。2、按传感器的工作原理分：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、激光式、光电式等传感器。3、按信号转换特征分：结构型传感器、物性型传感器。结构型传感器是被测量的变化转换成敏感元件结构参数的变化而工作的（如电容、电感传感器等），物性型传感器则是利用敏感元件材料的物理性质的某一特点而工作的（如压电、磁电、光电传感器等）。 4、按传感器输出参量的状态分:模拟传感器、数字传感器。5、按工作时是否需要外部能源分：参量型传感器、发典型传感器。参量型传感器（也称为无源传感器、能量控制型传感器）必须借助与外加能源才能产生输出信号（如电容、电感传感器等），发电型传感器（也称为有源传感器、能量转换型传感器）则在感受被测量时自身产生具有能量的信号（如压电、磁电传感器等）。（三）、常用传感器的结构特点、及用途.随着材料科学的发展，物理型传感器将发挥越来越重要的作用。电阻应变式、电感式、电容式、压电式传感器是测量工作中使用最多的传感器，他们的工作原理简单，测量转化电路也基本固定，应用技术比较成熟，下面就此几种常用的传感器进行一下分析，首先我们必须了解他们的结构、特点以及在生活中的用途。1、电阻应变式传感器 电阻应式变传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。电阻应变式传感式是利用电阻应变片将应变为电阻变化的传感器。 应变式传感器特征：不同材料类型：金属应变片、半导体应变片应变范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度。主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小。2、电感式传感器电感式传感器 ：是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器具有以下特点： （1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。 （2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。 （3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。 电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。3、电容式传感器把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。4、压电式传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。传感器在生活中应用很广泛，不只是以上几种传感器在生活中有应用，还有很多很多，例如：霍尔式传感器、热电偶传感器等等二、如何为机电一体化系统选择传感器（举例说明）（一）如何选择传感器选择传感器主要考虑传感器的类型、灵敏度、频率响应特性、线性范围、可靠性与稳定性、精度、工作方式等几个方面的因素。 1、传感器类型为实现对某一参数的测试，可供选用的传感器类型可能会有很多。不同类型的传感器在原理、测量方式、信号输出方式、精度、动态特性等诸多方面有着很大的差异。例如，测试机床主轴的振动时，可以选用电容式位移传感器，而用电感式位移传感器则无法满足要求。 2、灵敏度 一般来说，传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度高的传感器所能感受的最小被测参数变化小，当被测参数发生变化时，传感器将会产生较大的输出变化。但应注意： 灵敏度越高，外部干扰、噪声越容易混入。（1）一般来说，灵敏度越高测量（线性）范围越小。（2）如果被测参数为二维或三维向量，则各测量方向上的单向灵敏度越高越好、交叉灵敏度越低越好。 3、频率响应特性在被测参数的频带内，所选传感器应能实现近似的不失真测试；与幅频特性对应的灵敏度应尽可能高些，与相频特性对应的响应时间越短越好。物性型传感器的频响特性比结构型传感器要好；非接触式传感器的频响特性比接触式传感器要好。 4、线性范围任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测试精度的基本条件。 线性范围一般与灵敏度相互矛盾。 5、可靠性与稳定性 可靠性是指仪器、装置及其它产品在规定的条件下、规定的时间内实现指定功能的能力。传感器的可靠性主要取决于设计、制造及使用时的工作环境条件等因素，特别是受后者的影响很大。稳定性指的是测试装置在长时间工作后或工作条件发生变化后保持其性能不变的能力。稳定性主要有时间稳定性和温度稳定性。稳定性是传感器可靠工作的条件和保证。 6、精度 传感器的精度表示其输出与输入的被测量值的一致程度。传感器是测试系统最前沿的环节，其输出能否真实准确地反映输入的被测量值，将直接影响整个系统的使用性能。选用传感器时，要综合考虑精度的使用要求与经济性。一般在满足精度使用要求的前提下，尽可能选用价廉的传感器。 7、工作方式：（1）接触测量与非接触测量（2）破坏性检验与非破坏性检验（3）在线测试与非在线测试 8、其它选用传感器时还要兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维护等因素。据此上述要求我们来讲一下霍尔式传感器，在讲述之前首先我们必须了解其传感器的概念、效应、以及表现形式和应用。（二）霍尔式传感器的结构、表现形式及应用霍尔式传感器是一种磁电转换元件，它利用某些半导体材料所具有的霍尔效应来实现某些参数的测量。1、 霍尔效应将一金属或半导体薄片置于磁场中并在相对的两个控制电极之间通入电流时，由于运动的电子在磁场中受到洛伦兹力的作用而在另两个电极的位置产生电子堆积，从而在这两个电极上形成电动势，称为霍尔电势，上述现象就称为霍尔效应。霍尔电势为霍尔效应与霍尔元件a) 霍尔效应 b) 霍尔元件结构示意图 c) 符号 d) 封装式中 霍尔电势；霍尔元件的灵敏度；磁场的磁感应强度；控制电流；控制电流方向与磁感应强度方向的夹角。改变、中的任何一个参数都会使霍尔电势发生变化。霍尔元件霍尔传感器的核心是霍尔元件。霍尔元件常用的半导体材料是n型硅，其他还有锑化铟（1nsb）、砷化铟（1nas）、砷化镓（gaas）等。霍尔元件的结构示意图、霍尔元件的符号、霍尔元件的封装形式。2、集成霍尔传感器（1）线性集成霍尔传感器线性集成霍尔感器a) 单端输出 b) 差动输出（2）开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器3、霍尔传感器的应用 （1）能转换为磁感应强度变化的参量的测量（如位移、转速、加速度、压力等） （2）能转换为电流变化的参量的测量 （3）用作乘法器（电功率测量中的电流与电压的相乘等）图3-40 霍尔传感器的几种应用a) 线位移测量b) 角位移测量c) 信号相乘运算d) 零件计数e) 转速测量 f) 压力测量三、机电一体化系统中传感器的发展方向及发展前景(一)现代传感技术的发展方向当前，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。1、发现新现象，开发新材料，新现象、新原理、新材料是发展传感器技术，研究新型传感器的重要基础，每一种新原理、新材料的发现都会伴随着新的传感器种类诞生。2、集成化，多功能化向敏感功能装置发展 传感器的集成化，最近积极地应用了半导体集成电路技术及其开发思想用于传感器制造。如采用微细加工技术制作微型传感器 ；采用厚膜和薄膜技术制作传感器等。 3、向未开发的领域挑战生物传感器 到目前为止，正大力研究。开发的传感器大多为物理传感器，今后应积极开发研究化学传感器和生物传感器。特别是智能机器人技术的发展，需要研制各种模拟人的感觉器官的传感器，如已有的机器人力觉、触觉传感器、味觉传感器等。(二)未来发展前景未来发展会让人们会看到传感器技术上的多种变化，会让人们感受到传感器在生活中谱写的篇章越来越美好，越来越精彩。 传感器技术会朝着各种领域发展：化学传感器在工农业生产、家庭安全、环境监测、能源、医疗卫生等领域具有十分重要的作用,需求将越来越迫切。化学传感器今后发展重点是微型化、智能化、多功能化。深入研究有机、无机生物类化学传感器的工作原理,提高敏感材料功能设计能力,灵活地应用微机械加工技术,敏感膜修饰技术,微电子技术、光纤技术、生物工程技术等多种枝术融合,使传感器性能最优化。 应用仿生学、传感器学、计算科学联理作为仿生传感器取得了重大进展,生物传感器是跨学科的科学,它着眼于保健、环境、衣业和食品工业的检测的需求。 环境保护愈来愈普遍受到人们的重视。目前我国传感器第一大用户冶金行业,所需100种专用高附加值传感器几乎全部依靠进口（例如钢水包的高温称重传感器）。 从节能、环保、提高汽车安全性和舒适件等方面分析，将会有一个较大的市场需求。 为了以后能够在这些方面能够突飞猛进，为了以后传感器在生活上能够取到举足轻重的地位，必须让技术与现实状况相结合，向其所要达到的标准，所要需求的方向迈进，传感器技术最终一定能在社会上取得重要的位置。总结 在本次