我所了解的传感器

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测试与检测技术基础传感器部分课程报告我所了解的传感器——传感器技术漫谈班级:机械16班姓名:马骥遥学号:20110105702014年4月24日2我所了解得传感器——传感器技术漫谈马骥遥2011010570指导教师:王雪(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)摘要传感器是一种可以将感测到的被测量信息按一定规律转化为电信号或其它所需信号的测试装置,是目前用途最为广泛,最有发展潜力的检测装置。它集信息的传输、处理、储存、转换等多功能与一身,是实现自动化控制的首要环节。本文简要概述了传感器的基本分类、基本原理,着重研究了视觉传感器的相关问题,探讨了传感器的未来发展趋势,并举例介绍了传感器科技尖端的研究成果。关键词传感器视觉传感器一、传感器的基本分类和基本原理传感器的种类很多,常见的传感器有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、激光传感器、霍尔传感器、生物传感器、化学传感器等。1.1电阻式传感器电阻式传感器是将被测量,如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换成电阻值的一种测量装置。电阻式传感器具有结构简单、原理基础、输出精度较高、线性和稳定性较好、成本较低等优势,使其成为广泛应用的传感器。目前常见的电阻式传感器的类型有如下几种:1.1.1电阻式应变片电阻式应变片3电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成,弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形,并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化,从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。电阻应变式传感器的优点是精度高,测量范围广寿命长,结构简单,频响特性好,能在恶劣条件下工作,易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱,一般需要采取一定的补偿措施。1.1.2电位计式传感器电位器式传感器电位器式传感器是一种把机械的线位移和角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻和电压输出的传感元件。按其结构形式不同,电位器式传感器可分为线绕式、薄膜式和光电式等。按照输入和输出的特性不同,可分为线性电位器和非线性电位器。电位器式传感器的主要优点有:结构简单、尺寸小、精度高、重量轻、输出信号大、性能稳定。主要缺点是要求输入能量大、电刷与电阻元件之间容易磨损。41.1.3压阻式传感器压阻式压力传感器压阻式加速度传感器压阻式压力传感器示意图5压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料的压阻效应是指,单晶硅材料在受到力的作用后,电阻率发生变化,通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量,如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度等的测量和控制。传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内,引出电极引线而成。压阻式压力传感器不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力,而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔,另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形,直径与厚度比约为20~60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥,其中两条位于压应力区,另两条处于拉应力区,相对于膜片中心对称。此外,也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面的某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条,两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥,从而可以测量应力大小。压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布,测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中,使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05%的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中,压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。单个传感器直径仅2.36毫米,固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的±0.22%。在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到10微米,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。此外压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。1.1.4电阻式气敏传感器6电阻式气敏传感器Arduino模拟气体传感器气敏传感器是一种检测特定气体的传感器,其中应用最广泛的是半导体气敏传感器。半导体气敏传感器将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。气体敏感元件,大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后,引起其电学特性(例如电导率)发生变化。某种半导体式气敏传感器的特性曲线气敏传感器的应用主要有:一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息从而可以进行检测、监控、报警还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。71.1.5电阻式热敏传感器热敏电阻8热敏探头热敏传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。金属随着温度变化,其电阻值也发生变化。对于不同金属来说,温度每变化一度,电阻值变化是不同的,而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻共有两种变化类型,正温度系数即温度升高阻值增加,以及负温度系数即温度升高阻值减少。根据不同的金属可以制作不同的热敏传感器,用来测量温度的变化情况。近年来,我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长,带动了传感器市场的、快速上升。热敏传感器作为传感器中的重要一类,占整个传感器总需求量的40%以上。温度传感器用途十分广阔,可用作温度测量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、温度测量、紫外光和红外光测量、微波功率测量等而被广泛的应用于彩电、电脑彩色显示器、切换式电源、热水器、电冰箱、厨房设备、空调、汽车等领域。近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。1.1.6电阻式湿敏电阻9湿敏传感器湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。工业上流行的湿敏电阻主要有氯化锂湿敏电阻以及有机高分子膜湿敏电阻。氯化锂湿敏电阻结构氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料,是在众多的感湿材料之中,首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件。氯化锂电解质感湿液当量电导随着溶液浓度的增加而下降,电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压,从而实现感湿。多片电阻组合式氯化锂湿敏传感器是利用湿敏元件的电阻值随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器。湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质,或者通过蒸发、涂覆等工艺制各一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的,在湿敏元件的吸湿和脱湿的过程中,水分子分解出的离子H+的传导状态发生变化,从而使元件的电阻值随湿度而变化。氯化锂感湿基片的结构为选用绝缘材料的衬底,在上方制作一对金属电极,涂覆一层电解质溶液感湿膜,氯化锂感湿膜由氯化锂和聚乙烯醇混合制作,其可在120度高温环境中稳定工作。氯化锂是典型的离子晶体,属于非亲合型电解质,氯化锂溶液中,Li+对极性水分子的吸引力极强,离子水分程度最高。氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点,氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史,有着多种多样的产品型式和制作方法,都应用了氯化锂所具备的各种特点,尤其是稳定性强的优点。此外氯化锂湿敏元件线性测湿量程较窄大约在20%RH左右,在该测量范围10内,其线性误差小于2%RH,测量精度很高。1.2电容式传感器将被测的力学量(如位移、力、速度等)转换成电容变化的传感器称为电容传感器。电容传感器演示电容式温度湿度模拟传感器11电容式称重传感器电容式位移传感器电容式转速传感器12手机触屏中的电容式传感器从能量转换的角度而言,电容变换器为无源变换器,需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量,这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量,而其测量方法的相互关系也很密切。另外,在有些条件下,这些力学量变化相当缓慢,而且变化范围极小,如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率,其他传感器很难做到实现高分辨率要求,在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1~5μm数量级;而有一种电容测微仪,他的分辨率为0.1nm,比前者提高了四个数量级,最大量程为1250μm,而且为零磁滞,因此他在精密小位移测量中受到青睐。电容式传感器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若。忽略边缘效应,平板电容器的电容为εA/δ,式中ε为极间介质的介电常数,A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化,并可用于测量。因此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(见电容式压力传感器)。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。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。对于上述这些力学量,尤其是缓慢变化或微小量的测量,一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜。电容式传感器的突出优点有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好等。1.3电感式传感器13电感式接近传感器电感式浮球液位传感器电感式位移传感器14电感式水位传感器电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置,是铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的,其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时,就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感传感器主要包括自感式、互感式和电涡流式传感器。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)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。电感传感器的缺点是,它的频率响应较低,不宜快速动态测控等。电感传感器的使用要求较多,具体如下:(1)检测距离的衰减性。滑翘为铁质,适合电感式传感器检测;而滑翘被测部分的尺寸略小于标准检测物尺寸(标准被测物尺寸为3倍额定检测距离,此应用中,标准尺寸应为120*120mm),这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