传感技术应用与发展大作业论文

1、 南京理工大学课程论文课程名称： 传感技术应用与发展 论文题目： 传感器的应用与发展综述 姓 名： 马星 学 号： 1100710019 成 绩： 任课教师评语： 签名： 年 月 日传感器的应用与发展综述一、引言一个测试系统的第一个环节是信号的传感，传感即将被测的量或被观察的量通过一个被测量传感器或敏感元件转换成一个电的、液压的、气动的或其他形式的物理输出量，被测的或被观察的量与被转换的输出量之间根据可利用的物理定律应该具有一种明确的关系。用来完成这种转换的装置称为传感器或敏感元件。其中敏感元件是指直接感受被测物理量并对其进行转换的单元，而传感器则是敏感元件及其相关辅助元件和电路组成的整个装置

2、，其中敏感元件是传感器的核心部件。本文通过对部分常用传感器的原理、性能、应用等方面的探究，做出对传感器发展趋势的展望。二、不同传感器的工作原理（一）电感式传感器电感式传感器由振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成。振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量(如位移等)转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式(包括可变磁阻式与涡流式)和互感式(差动变压

3、器式)两种。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。电感式传感器组成如下图1所示。图1（二）磁电式传感器磁电式传感器是基于电磁感应原理,通过磁电相互作用将被测量(如振动、位 移、转速等)转换成感应电动势的传感器，它也被称为感应式传感器、电动式传感器。根据电磁感应定律，N匝线圈中的感应电动势。感应电动势的大小由磁通的变化率决定。磁通量协的变化可以通过很多办法来实现:如磁铁与线圈之间作相对运动;磁路中磁阻变化;恒定磁场中线圈面积变化等。因此可以制造出不同类型的磁电式传感器。磁电式传感器是一种机一电

4、能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出信号强，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围，适合于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。一种装在柴油机上的磁电式传感器原理如右图所示，它主要由旋转的触发轮（被等分的齿轮盘,上面有多齿或缺齿）和相对静止的感应线圈两部分组成。当机械运行时，触发轮与传感器之间的间隙周期性变化，磁通量也会以同样的周期变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电压信号。（三）电阻式传感器电阻式传感器种类繁多，应用广泛，其基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。在电阻式传感器中应用得最多的就是电阻应

5、变式传感器。 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。在实际应用中，应变片主要分为金属应变片和半导体应变片两种，其工作的基本原理分别基于金属的电阻应变效应和半导体的压阻效应。（四）压电式传感器压电式传感器是基于压电效应的传感器。它是一种自发电式和机电转换式传感器，其敏感元件由压电材料制成，根据压电材料受力后表面产生电荷的原理，将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

6、受外力的电量输出。而这里的压电效一般指正压电效应，即当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。（五）电容式传感器电容传感器是将被测的力学量如位移、力、速度、加速度等转换成电容变化的传感器。以平行班电容器为例，忽略边缘效应，其电容为： C=( 0A)/ (1)其中为真空介电常数，=8.8510-15F/m；为极板间介质的介电常数；A为极板面积；为极板间距离。改变A、和中的一个或多个都能改变电容的大小，可得到不同类型的电容

7、传感器，通常可分为面积变化型、介质变化型和间隙变化型三种。1. 面积变化型即改变电容面积使传感器工作，通常改变的面积与位移是成正比的，而电容大小与面积也成正比，故这类传感器的输入与输出是线性的，这也是它最大的优点。其缺点是横向灵敏度较大，对机械结构要求十分精确，测量精度相对变间隙式传感器较低。2. 介质变化型即改变极板间介质的平均介电常数，通常为改变极板间不同介电常数介质的厚度或宽度。3. 间隙变化型即改变极板间距离从而引起电容的变化。这类传感器一般是非线性的，但在/很小时可近似看成线性。其灵敏度与间隙的平方成反比，故间隙越小灵敏度越高，但同时会增大非线性误差，所以这种传感器一般在较小范围内工

8、作以减小非线性误差。实际应用中为提高灵敏度也常采用差动式结构。电容式传感器测出的电容或电容变化很小，必须连接适当的放大电路将其转换为电压、电流或频率等易测量，常用有运算放大器电路、电桥测量电路和调频电路。电容传感器可用于距离、速度、加速度及很多相关量的测量，它具有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好、可以实现无接触测量等特点。变面积型可用于测量距离、角度、压力；变介质型可用于测量厚度、非导电液体液面高度及相对湿度等；变间隙型主要用于测量距离和温度。（六）光电传感器光电传感器是利用光电效应工作的传感器。光电效应一般有外光电效应、内光电效应、光生伏打效应。1. 光照射到光电材料上，材料表面的

9、电子吸收能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚而逸出材料表面，这种现象称为外光电效应。光子的能量和光的频率有关，光电效应方程式为： h=0.5mv2+A (2)其中m为电子质量，v为电子逸出速度，h为普朗克常熟，为光的频率，A为物体的逸出功。由此方程式可知，每一种光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值，当入射光的频率低于该值时不能引起光电子发射。外光电效应器件有光电管和光电倍增管。2. 内光电效应又称光导效应，它是指物体受到光照射时，其导电性能如电阻率发生变化的现象。内光电效应不发生电子的逸出，电子仍留在物体内部。内光电效应器主要有光敏电阻及光导管。3. 在光线照射下能使物体产生一定方向的

10、电动势的现象称为光生伏打效应。基于光生伏打效应的器件有光电池，用于将太阳能直接转化为电能。使用时首先把变化的被测量转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号进行测量。光电检测方法具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点。三、应用实例（一）电感式传感器（1）自感式传感器自感式传感器是被广泛采用的一种电磁机械式传感器，它除可直接用于测量直线位移、角位移的静态和动态量外，还可以它为基础，用于测量力、压力、转矩等。自感式传感器有变隙式、变面积式和螺线管式三种。三种不同传感器的性能对比如下表1。类型变隙式变面积式螺线管式工作机理气隙厚

11、度的变化引起线圈的电感变化气隙导磁截面积S的变化引起线圈的电感变化衔铁插入螺管中的长度变化引起线圈的电感变化性能特点输出非线性，灵敏度和非线性都随的增大而减小，通常取0.10.5mm之间线性度好，但线性区域小，灵敏度较低测量范围大，线性度好，结构简单，便于制作、集成，灵敏度较低工作场合只能用于微小位移的测量不常用用于测量大量程的直线位移表1具体应用实例：a）电感式圆度仪电感式圆度仪测量零件的圆度、波纹度、同心度、同轴度、平面度、平行度、垂直度、偏心、轴向跳动和径向跳动，并能进行谐波分析、波高波宽分析，现已广泛应用于汽车、摩托车、机床、轴承、油泵油嘴行业工厂的车间和计量部门。 b）仿形车床仿形车

12、床通过仿形刀架按样件表面作纵向和横向随动运动，使车刀自动复制出相应形状的被加工零件，适用于大批量生产的圆柱形、圆锥形、阶梯形及其他成形旋转曲面的轴、盘、套、环类工件的车削加工。c）电感测微仪电感测微仪是一种由差动式自感传感器构成的测量精密微小位移的装置，除螺管式电感传感器外，电感测微仪还包括测量电桥、交流放大器、相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等。（2）互感式传感器互感式传感器的原理是把被测位移量转化为线圈间的互感变化。传感器本身相于一个变压器，当一次线圈接入电源后，二次线圈就产生感应电动势。当互感变化时感应电动势也相应变化。由于传感器常做成差动的形式，故称为差动变压器式传感器。按照结构不

13、同，差动变压器可分为变隙式、变面积式和螺管式三种类型，如表2所示。类型变隙式变面积式螺管式工作机理气隙厚度的变化引起线圈的互感变化气隙导磁截面积S的变化引起线圈的互感变化衔铁插入螺管中的长度变化引起线圈的互感变化性能特点灵敏度高，测量范围小衔铁是旋转的，可测量角位移灵敏度较高，线性范围较大应用测量几到几百微米的位移常做成微动同步器来测量角位移测量大量程直线位移表2具体应用实例：a）振动计 将差动变压器安装在悬臂梁上可构成振动计，如图2所示。图2b）液位计图3所示为差动变压器的液位计，差动变压器的衔铁与浮子刚性连接，当设定某一液位使衔铁处于中心位置时，差动变压器输出信号uo=0V；当液位上升或下

14、降时，浮子随之上升或下降，导致衔铁发生位移，输出电压uo0V，其大小与衔铁的位移（即液位的变化）成正比。通过相应的测量电路便能测定该液位的高低，并以一定的方式显示出来。图3c）差动压力变送器差动压力变送器适用于测量各种液体、水蒸气及气体的压力，主要由膜盒、随膜盒膨胀与收缩的铁芯、感应线圈以及电子线路等组成。（3）涡流式传感器将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电动势，并自发形成闭合回路，产生感应电流。该电流就像水中旋涡一样在导体中转圈，因此被称为涡流。涡流现象被称为涡流效应，电涡流式传感器就是利用涡流效应来工作的。原理如下图4。图4具体应用实例：a）电涡流位移计电涡流位移计用来测量各

15、种形状金属导体的位移量，测量位移的范围可从01mm到030mm，国外个别产品已达80mm，一般的分辨率为0.05%m。b）电涡流振幅计电涡流振幅计可以对各种振动的幅值进行非接触测量。c）电涡流转速计在旋转体上开一条或数条槽（凹槽或凸槽），旁边安装一个电涡流传感器。当轴转动时，传感器与转轴之间的距离发生改变，使输出信号也随之变化。该输出信号经放大、整形后，由频率计测出变化的频率，从而测出转轴的转速。若转轴上开有m个槽，频率计读数为f（单位Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）为： n=60f/m (3) 同样，可以将电涡流传感器安装在金属产品输送线上，对产品进行计数。d）涡流探伤仪涡流探伤仪

16、是一种无损检测装置，可用于探测金属导体表面或近表面裂纹、热处理裂纹以及焊缝裂纹等缺陷。在探伤时，传感器与被测导体保持距离不变。遇有裂纹时，金属的电阻率、磁导率发生变化，引起传感器的输出信号也发生变化，从而达到探伤的目的。 e）涂层测厚仪涂层测厚仪又称为覆层测厚仪，所利用的涡流技术既可测量导磁材料，如钢铁上的铜、锌、镉、铬的镀层和油漆层表面上非导磁覆盖层的厚度，又能测量镀在铁磁性金属物质的表面，如铝的阳极氧化层以及铝、铜、锌等材料表面上油漆、喷塑和橡胶的非铁磁性金属镀层的厚度。 （二）磁电式传感器（1）输出特性由磁电式传感器工作原理可知，其产生的交流电压信号的频率与齿轮转速和齿数成正比。在齿数确

17、定的情况下，传感器线圈输出的电压频率正比于齿轮的转速，其关系为 f=nz (4)式中，n 为发动机转速，r/ s；z 为触发轮被等分的齿数；f 为磁电式传感器的输出信号频率，Hz 。磁电式传感器的输出电压不仅与传感器和触发轮间的间隙d有关,而且与n 有关。在同一d 条件下,传感器输出的峰值电压随n 升高而增大；在同一n 条件下,d 越小, 其输出峰值电压越高。由此可以拟合出传感器的输出峰值电压特性为 V=Kn/d (5) 式中, V 为传感器输出峰值电压,V；n 为发动机转速,r/ s；d 为传感器与触发轮间的间隙,mm；K 为与传感器有关的参数。（2）具体应用实例：a）磁电式转速传感器磁电式

18、转速传感器是利用磁电感应来测量物体转速的，属于非接触式转速测量仪表。磁电式转速传感器可用于表面有缝隙的物体转速测量，有很好的抗干扰性能，多用于发动机等设备的转速监控，在工业生产中有较多应用。磁电式转速传感器是以磁电感应为基本原理来实现转速测量的。磁电式转速传感器由铁芯、磁钢、感应线圈等部件组成的，测量对象转动时，转速传感器的线圈会产生磁力线，齿轮转动会切割磁力线，磁路由于磁阻变化，在感应线圈内产生电动势。磁电式转速传感器的感应电势产生的电压大小，和被测对象转速有关，被测物体的转速越快输出的电压也就越大，也就是说输出电压和转速成正比。但是在被测物体的转速超过磁电式转速传感器的测量范围时，磁路损耗

19、会过大，使得输出电势饱甚至是锐减。磁电式转速传感器的工作方式决定了它有很强的抗干扰性，能够在烟雾、油气、水汽等环境中工作。磁电式转速传感器输出的信号强，测量范围广，齿轮、曲轴、轮辐等部件，及表面有缝隙的转动体都可测量。磁电式转速传感器的工作维护成本较低，运行过程无需供电，完全是靠磁电感应来实现测量，同时磁电式转速传感器的运转也不需要机械动作，无需润滑。磁电式转速传感器的结构紧凑、体积小巧、安装使用方便，可以和各种二次仪表搭配使用。 b）霍尔式传感器霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种磁敏式传感器。霍尔传感器是一种当交变磁场经过时产生输出电压脉冲的传感器。脉冲的幅度是由激励磁场的场

20、强决定的。因此，霍尔传感器不需要外界电源供电。它可以直接测量磁场和微位移量，应用于电池测量、压力、加速度、振动等方面的测量领域。目前霍尔传感器已从分立元件发展到集成电路的阶段，正越来越受人们的重视，霍尔传感器的应用非常的广泛，在测量领域，可用于测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。在通讯领域，可用于放大器、振荡器、相敏检波、混频、分频已经微波功率测量等。在自动化技术领域，可用于无刷直流电机、速度传感、位置传感、自动记数、接近开关、霍尔自整角机构成的伺服系统和自动电力拖动系统等。具体应用领域包括：电子式水表、气表、电表和远程抄表系统；控制设备中传送速度的测量；无刷直流电机的旋转和速度控制；在

21、工程中测量转动速度和其他机械上的自动化应用；转速仪、速度表以及其他转子式计量装置等。（三）电阻传感器电阻式传感器中，应变式传感器由于其精度高，测量范围广使用寿命长，性能稳定可靠，结构简单，体积小，重量轻等一系列特点，被广泛用于生产实际中。a）电阻应变式称重传感器电阻式应变传感器在实际工程中应用广泛，其中一种应用便是作为电子称中的核心部分电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器，是通过把一种被测量(质量)转换成另外一种被测量(输出)来测量质量的力传感器，其工作原理是：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的

22、阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。b）电阻应变式传感器及其在高应变桩基动测中的应用高应变试桩的基本参数是应力和速度，由于打击力巨大，对应的应力大，速度高，目前直接测量力和速度的各种传感器难以满足要求，因此高应变动力测桩中力和速度都是采用间接测量的方法，其中测力的方法便是通过测量桩身的应变推算出桩身的应力。这其中便用到了电阻式应变传感器。在高应变试桩力的测量中，之所以用电阻应变式传感器是因为其价格低廉、粘贴容易等优点，但是要想获得比较理想的测试效果，必须要严格按操作规范对传感器进行安装。如为减少可能出现的

23、偏心锤击的影响，测试时必须安装应变计传感器的安装两只；安装完毕后的应变计应紧贴桩身表面，初始变形不得超过规定值，测试过程中不得产生相对滑动；当进行测试时，应先将传感器引线与桩身固定可靠，防止引线振动受损等等。目前在高应变动测中都是采用箔式金属应变片，这是因为同半导体应变片相比，金属材料应变片价格便宜，电阻温度系数小，但灵敏度不及半导体应变片高。半导体应变片的突出优点是灵敏系数很高，机械滞后小主要缺点是温度稳定性差，非线性大，需分别进行补偿。故从减小温度对应变测量的影响考虑，选用箔式金属应变片。（四）压电式传感器火电厂的汽轮发电机组是一个大型的转动机械, 其运行的可靠性, 在很大程度上取决于机组

24、的振动状态。因此, 对汽轮发电机组进行振动监控, 对防止重大的设备损坏事故有着重要的意义。压电式传感器是用于测量机组振动的新型传感器, 用压电式传感器取代磁电式传感器是汽轮发电机组监控系统的一个新趋势。压电式加速度传感器的一般原理结构如右图所示。当压电式加速度传感器与被测加速度的机件紧固在一起后, 传感器受机件加速度作用, 惯性质量块产生惯性力, 其方向与加速度方向相反, 大小由F= ma 决定。此惯性力作用在压电晶片上, 产生电荷。电荷由引出极输出, 由此将加速度转换为电荷。在之前的监测系统中，一直是使用磁电式传感器，但是由于磁电式传感器内永磁铁在高温环境下容易发生磁衰，且其使用寿命一般都在

25、12年，导致必须频繁更换，所以压电式传感器逐渐将其取代。压电式加速度传感器具有频带宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，在实际应用中, 是在压电式加速度传感器的基础上又增加了一个放大电路, 使传感器成为了一个振动速度传感器, 这个振动速度传感器的性能指标、安装条件等各方面都与磁电式振动速度传感器相兼容。因此, 不用改变汽轮发电机组的振动监控系统, 就可应用压电式振动速度传感器。（五）电容式传感器利用电容传感器制成的湿度测量仪，可以实现对周围空气湿度的测量。它是一种变介质型电容传感器，极板间放置有特殊塑料，其介电常数随空气湿度的变化而变化，从而将电容大小与空气湿度的变化联系起来，实现空

26、气湿度的测量。利用变介质型电容传感器也可以制作测厚仪（如右图）。待测金属板从电容两极板间通过，电容的两极板与待测金属材料构成两个串联的电容。当金属板的厚度改变时，相当于两电容各自的间距发生变化，使总电容变化，最终导致输出的电压或电流值发生变化，即测出金属板厚度的变化。此方法可以测量固体或液体的厚度，但要求待测物体的成分（如含水量）和温度不变。（六）光电传感器利用光电传感器可以制成物品计数器，用于工厂中传送带上物品的计数。光敏器件可以使用光敏电阻。当光源与光敏器件之间无物品阻挡时，光线可以照射到光敏元件上；当有物品阻挡时，光线不能照射到光敏元件上，这样，当一个物品经过时，光敏电阻的阻值发生变化，

27、经过后续电路的处理可以得到一个电流脉冲，利用计数电路进行计数。这种方法可用于传送带上分隔物品的计数。利用光敏传感器也可以做成条形码扫描器。如图，扫描笔在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管发出的光被吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗；若遇到白色间隔，光敏三极管可以接收到反射光而导通。这样，保持基本匀速地划过条形码，则经后续电路处理后，条形码上的信息就以间隔的高低电平及其持续的时间反映出来，再进一步处理后可完成识别。光电池广泛用于太阳能帆板上，为卫星、空间站和环保汽车等提供电力供应。四、思考与总结传感器自问世以来发展飞速，除以上介绍的种类外，还有气敏传感器、红外辐射传感器、固态图像传

28、感器、光纤传感器、微型传感器等多种传感器。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现代们学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。经过多年发展，人们已经发展出多种改善传感器性能的技术，包括差动技术、平均技术、补偿与修正技术、屏蔽、隔离与干扰抑制及稳定性处理技术等，极大地改善了传感器的性能，使之更敏感、更稳定、更方便。 如今，传感器的发展动向分为开发新型传感器，开发新材料，采用新工艺，面向智能化、集成化、多功能化等几个方面。 新型传感器，大致应包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等诸方面。它们之间是互

29、相联系的。 材料方面，近年来对传感器材料的开发研究有较大进展，其主要发展趋势有以下几个方面：从单晶体到多晶体、非晶体；从单一型材料到复合材料；原子(分子)型材料的人工合成。有复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。例如半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料、智能材料等。 新工艺方面，范围很广，主要指与发展新兴传感器联系特别密切的微细加工技术，又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体淀积(CVD)、外延、扩散、腐蚀、光刻等，迄今已有大量采用上述工艺制成的传感器的国内外报道。 集成化是一个发展方向，传感器集成化包括两种定义，一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排