传感器课程设计多种位移传感器特性比较和研究

1、传感器课程设计报告 题 目: 多种位移传感器特性比较和研究 班 级: 学 号: 姓 名: 指导老师: 时 间: 前 言 21世纪是信息科学与技术全新发展的时代，信息技术已经成为社会发展一股新的强大推动力。传感器技术作为信息技术和产业的重要组成部分，因此受到了国家和社会各个行业的高度重视，并且迅速发展。在传感器技术这门课程中我们了解了各种各样的传感器，如：电阻式传感器变磁阻式传感器，电容式传感器，磁电式传感器，压电式传感器，热电式传感器，光电式传感器，光纤式传感器，数字式传感器，化学传感器，生物传感器等，还有更多的传感器新技术。传感器技术是以传感器为核心论述其内涵、外延的学科，也是一门涉及测量技

2、术、功能材料、微电子技术、精密与微细加工技术、信息处理技术和计算机技术等相互结合形成的密集型综合技术。当今的传感器是一种能把非电输入信息转换成电信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器未来的发展主要朝着以下四个方面：发现新效应，开发新材料、新功能；新的效应和现象的发现，是新的敏感材料的开发的重要途径，而新的敏感材料的开发是新型传感器出现的重要基础。传感器的多功能集成化和微型化；所谓集成化就是在同一芯片上，或将众多同类型的单个传感器件集成为一维，二维或三维阵列型传感器，或将传感器件与调理、补偿等处理电路集成一体化。微型传感器是朝着微米/纳米技术领域发展，其显著特征就是体积小、重

3、量很轻，这种传感器一般应用于航空航天，环境保护，生物医学和工业自动化等高科技领域。传感器的数字化、智能化和网络化；传感器的数字化提高传感器本身的多种性能。智能化是指传感器具有一种或多种敏感功能，不仅能实现信息的探测、处理、逻辑判断和双向通讯，而且具有自检测、自校正、自补偿、自诊断等多功能的器件或装置。传感器网络是一种由众多随机分布的一组同类或异类传感器节点与网关节点构成的无线网络。研究生物感官，开发仿生传感器；利用仿生学、生物遗传工程和生物电子学技术研究它们的机理，研究仿生传感器，也是一个十分引人注目的方向。所以学习与掌握各种传感器的应用对于我们电子信息类专业显得尤为重要。也是把握科技最新前沿

4、的一条途径。本次课程设计主要是传感器在测位移方面应用的研究，对不同的传感器测位移原理的特性比较和研究，自己设计3种以上位移传感器，写出设计方案，并对每种位移传感器原理、测量电路、输出特性、灵敏度、精度进行分析。比较每一种传感器的优缺点及改善方法，最后做出总结。此次课程设计可以更好的帮助我们掌握所学的知识。一、电阻应变计式传感器测位移1、电阻应变计测位移的原理：电阻应变式位移传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥电路，输出正比于被测位移的电量。它可以用来近测或远测静态与动态的位移量。2、电阻式应变计的构造及特性分析： 电阻式应变

5、计主要由敏感栅、基底、引线、盖层、粘结剂构成，按其敏感栅取材，基本可分为金属应变计和半导体应变计两大类。 电阻式应变计主要有两方面的应用：一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一方面是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用于对任何能转变成弹性元件应变的其他的物理量作间接测量。所以要求用作传感器的应变计性能要好，尤其是线性误差要小，力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。 3、电阻式应变计传感器测位移测量电路：电阻式应变计是把位移应变信号换成r/r后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，又不便直接处理。因此需要采用测量电路把应变计的r/r变化转换成可

6、用的电压或电流输出，本次设计采用本设计采用半导体应变计和最常见且广泛应用的直流电桥测量电路，主要因其灵敏度高、精度高、测量范围宽、电路结构简单、易于实现温度补偿等特点而能很好的满足测量需求，其测量电路如图1:图1 直流电桥测量电路直流电桥桥臂只能接入电阻，主要用于应变电桥输出可直接显示而无需中间放大的场合，本设计采用的半导体应变计正好符合此电路。4、 电阻应变计传感器测位移灵敏度与精度分析：灵敏度是传感器输出增量与被测输入量增量之比，而实际上灵敏度往往需要包含电源电压因素。灵敏度指标主要是看灵敏系数（k）即：k=,其中表示应变计轴向应变；应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的精度，因此k值通常采

7、用从批量生产中每批抽样，在规定的条件下测量。此次设计的灵敏度可以在实际测量中计算出来，本次采用的半导体电阻应变计传感器灵敏度高，而灵敏度影响精度，从而测量精度也比较高，在此不做过多分析。5、 电阻应变计传感器测位移输出特性分析：由测量电路可知（）时输出电压：接入应变计后的输出特性：设电桥初始平衡，四臂工作，各臂应变计电阻变化分别为、，代入上式得输出电压变化 实际我们通常采用全等臂电桥，,，则当考虑<<，上式可表示为当在单臂工作情况下，为工作应变计，为补偿应变计，为平衡固定电阻，则 而此时的输出灵敏度为2、 变面积型电容式传感器测位移1、 变面积型电容式传感器测位移原理：通常变面积型

8、电容式传感器分为角位移型和线位移型，而线位移型又分为平面线位移型和圆柱线位移型。本次设计采用差动式结构，圆柱线位移型电极，与测杆相连的可动电极随被测位移而轴向移动，从而改变活动的电极与两个固定电极板之间的面积，使电容发生变化，电容的变化引起电量的变化，从而达到被测非电量到可用电参量的转化，再接入测量电路即可测出它们之间的变化关系。其原理示意图如图2图2变面积型电容传感器原理所以：，其中为初始电容，得灵敏度 （为真空介电常数，为极板间介质的相对介电常数）2、 变面积型电容式传感器测位移测量电路：本设计采用常用的脉冲调宽电路测量。测量电路如图3所示：图3 差动脉冲调宽测量电路主要由两个电压比较器，

9、一个双稳态触发器ff和两个充放电回路和，还有差动放大组成。接通电源后，若触发器为高电平，为低电平（0），则触发器通过对充电；当f点电位升到与参考电压相等时，比较器产生一脉冲使触发器翻转，为低，为高（）。此时，由电容通过二极管迅速放电到0，从而触发器由端经向充电；当g点电位与参考电压相等时，比较器输出一脉冲使触发器翻转，循环上面的过程。3、 变面积型电容式传感器测位移灵敏度及精度分析：由图2分析可知变面积型电容式传感器的灵敏度为，和变极距型相比，灵敏度较低，所以才采用差动放大提高灵敏度，从而提高其精度。4、 变面积型电容式传感器测位移输出特性分析：当时，两端间的平均电压为0。>时，两端的平

10、均电压为:(和分别为端和端的输出方波脉冲宽度，也就是和的充电时间)在此差动式变面积型电容传感器中：此测量电路不需要载频和附加解调电路，无波形和相移失真，输出信号只需要通过低通滤波器引出，直流信号的极性取决于和，而且可以得到线性输出；这种电路便于与传感器做在一起，从而减少传输误差和干扰。3、 反射式光纤传感器测位移1、 反射式光纤传感器测位移的原理：这是一种我们常见的光纤式传感器，其原理图如图4所示：图4反射式光纤传感器测位移原理这个光强度外调制环节通常在光纤外部，所以光纤本身只起传光作用，它分为发送光纤和接收光纤两部分，光纤发射的光通过反射器反射到光纤接收部分，有一部分光返回光纤，通过测出反射

11、光的光强度就可以知道物体的位置变化，被反射的光再通过光电转换元件转换为电信号，然后经过测量电路测量其变化，达到测试位移的目的。2、 反射式光纤传感器测位移测量电路：本设计主要是采用的y型光纤，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用，当光纤发射光通过传输射到反射器上，经反射器反射至接收光纤端，然后转至光电转换元件，转为电信号，输出端接数字电压显示即可。其测量框图如图5所示：待添加的隐藏文字内容2图5 反射式光纤传感器测量位移3、 反射式光纤传感器测位移灵敏度及精度分析：光纤传感器的灵敏度高，它的抗干扰能力强，所以测量精度通常很高。灵敏

12、度均可以在实际测量中分析，在此不做过多分析。4、 反射式光纤传感器测位移输出特性分析：我们可以从图6分析其输出特性：图6反射式光纤位移测量输出特性曲线从图中我们可以看出输出电压的变化在一定范围内随着位移的的增大而增大，但大到一定值将不再增大，反而减少，这是由于反射的光有一部分出去了，而没进入接收端的缘故。4、 三种位移传感器的的优缺点及改进方法1、 电阻应变计位移传感器特性：应用和测量范围广；分辨力和灵敏度高，尤其是半导体应变计，灵敏度可以达到几十毫伏每伏，测量精度也较高（一般达1%3%f.s，高精度达0.1%0.01%f.s）；结构轻小，对试件影响小，对复杂的环境适应性强，易于实施对环境干扰

13、的隔离或补偿，从而可以在高低温、高压、高速、强磁场、核辐射等环境中使用，频率响应好；商品化，选用和使用都方便，也便于实现远距离、自动化测量。缺点：工作在高温环境下容易产生温度偏差以及弹性元件本身的非线性、电桥的非线性、应变计的非线性及材料结构与内耗等造成的非线性误差。改进方法：在工作温度变化较大时，可以通过热输出补偿办法消除对测量的应变的干扰，常采用温度自补偿法和桥路补偿法。其中温度自补偿法又包含单丝自补偿法和双丝自补偿法；桥路补偿法包含双丝半桥式和补偿块法。 电阻应变计式传感器为了提高灵敏度、改善非线性误差和温度特性，通常接全桥。对于改善非线性误差，我们也要进行非线性误差补偿，通常采用差动电

14、桥补偿法和恒流源补偿法。2、 变面积型电容式传感器特性：首先，电容式传感器结构简单、高分辨力、可以非接触测量，并能在高温辐射和强烈振动等恶劣条件下工作；而变面积式传感器的输出特性呈线性，所以其适合测量较大的直线位移和角位移。缺点：当极板厚度与极距之比相对较大时，就不能忽视边缘效应，边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性；还有寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及连接电路较复杂等缺点。改进方法：我们可以采用带有保护环的结构消除边缘效应的影响，消除寄生电容的方法通常有以下几种：驱动电缆法，整体屏蔽法，采用组合式与集成技术等。3、 反射式光纤传感器特性：光纤传感器灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路有可挠曲性、结构简单、体积小和重量轻等特点，光纤传感器已经成为机载光学传感器的必然发展趋势。缺点：y型反射式光纤传感器具有一个输入和一个输出端，易受射入的光强度影响，从而影响测量精度；还会受到环境光的影响等。改进方法：对于光源波动所产生的测量误差，通常采用补偿措施，主要有光源的负反馈稳定法，组合型光纤探头法，增大了线性范围和提高了灵敏度。对于外界光的影响，我们可以采用调制解调的方法消除，从而提高了测量的精度和稳定性。5、 总结通过本次课程设计我们对所学过的多种传感器的特性以及测量方