水流量传感器原理.doc

1工作原理 水流量传感器主要由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔元件组成。它装在热水器的进水端用于测量进水流量。当水流过转子组件时,磁性转子转动,并且转速随着流量成线性变化。霍尔元件输出相应的脉冲信号反馈给控制器,由控制器判断水流量的大小,调节控制比例阀的电流,从而通过比例阀控制燃气气量,避免燃气热水器在使用过程中出现夏暖冬凉的现象。水流量传感器从根本上解决了压差式水气联动阀启动水压高以及翻板式水阀易误动作出现干烧等缺点。它具有反映灵敏、寿命长、动作迅速、安全可靠、连接方便利启动流量超低(15L/min)等优点,深受广大用户喜爱。 水流转子组件主要由涡轮开关壳、磁性转子、制动环组成。使用水流开关方式时,其性能优于机械式压差盘结构,且尺寸明显缩校当水流通过涡轮开关壳,推动磁性转子旋转,不同磁极靠近霍尔元件时霍尔元件导通,离开时霍尔元件断开。由此,可测量出转子转速。根据实测的水流量、转子转速和输出信号(电压)的曲线,便可确定出热水器的启动水压,以及启动水压相对应的启动水流量与转子的启动转速。由控制电路,便可实现当转子转速大于启动转速时热水器启动工作；在转速小于启动转速时,热水器停止工作。这样热水器启动水压一般设定在001MPa,启动水流量为35L/min(需满足热水器标准对最高温升的限制)。另外,由于水在永磁材料磁场切割下,变成磁化水,水中的含氧量增加,使人洗浴后感觉清爽。制动环的作用是停水时,制止高速旋转的磁性转子转动,终止脉冲信号输出。控制器接收不到脉冲信号,立即控制燃气比例阀关阀,切断气源,防止干烧。 2基本原理 水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。在霍尔元件的正极串入负载电阻,同时通上5V的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。当水通过涡轮开关壳推动磁性转子转动时,产生不同磁极的旋转磁场,切割磁感应线,产生高低脉冲电平。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比,转子的转速又与水流量成正比,根据水流量的大小启动燃气热水器。其脉冲信号频率的经验公式见式(1)。 f=81q-3(1) 式中：f脉冲信号频率,H2 q水流量,L/min 由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值。根据燃气热水器机型的不同,选择最佳的启动流量,可实现超低压(002MPa以下)启动。 3水流量传感器与水气联动阀的比较 压差式水气联动阀的缺点是启动水压高,而要想降低启动水压就需要牺牲一定的稳流特性(水压波动时的流量稳定能力)。 为了能使两者兼顾,唯有加大水阀膜片,但这样随着阀体的增大成本会升高,且水流启动压力指标也不能做得太低。对水流量传感器,在出水端增加稳流组件,利用稳流。形圈的几何尺寸及物理性能,通过试验成功开发了适用于不同容量热水器的稳流组件,具有很好的稳流特性(进水压力在0105MPa变化时,出水量变化在3L/min以内),保证进水压力变化时,保持流量在一定范围内,达到恒温效果。 比较压差式水气联动阀与水流量传感器,可以看出,前者是机械式,结构较复杂,体积大,但控制电路简单；后者是电气式,结构相对简单,体积小,但控制电路复杂。更为重要的是前者启动水压较高,水路系统阻力较大,不宜用在10L/min以上的大容量热水器AZ；而后者启动水压低,水路系统阻力小,在10L/min以上的大容量热水器上已普遍采用。 4结语 近年来,采用水流量传感器测量流量在强排式数码恒温燃气热水器中被大量应用的事实证明,采用水流量传感器具有结构简单、可靠性高、测量范围广等特点。如果能配合燃气比例阀的气量比例调节,就可以实现燃气热水器在燃烧过程的全自动控制。传感器应用设计项目指南2011年09月07日文章浏览次数：11 资源来源：江苏广播电视大学第1章 传感器及测量基础 1.1 传感器概述 1.2 传感器的静态特性 1.3 传感器的动态特性 1.4 现代传感器的技术特点及发展趋势 1.5 传感器测量基础 第2章 传感器基本原理简介 2.1 阻抗变换式传感器 2.2 电量式传感器 2.3 光电变换式传感器 2.4 其他类型传感技术简介第3章 传感器研究和设计的一般方法 3.1 传感器研发概述 3.2 传感器构成法 3.3 改善传感器性能途径与方法 3.4 传感器建模与优化设计 3.5 传感器设计基础 第4章 常用非电量传感器的设计基础 4.1 常用敏感元件的选用原则和方法 4.2 传感器中常见结构型敏感元件及原理结构 4.3 力学量传感器的常见结构和设计 第5章 常用信号调理电路设计 5.1 信号调理电路的设计原则 5.2 测量电桥电路 5.3 信号放大电路 5.4 信号滤波电路 5.5 信号变换电路 5.6 抗干扰设计 第6章 集成化信号调理电路设计 6.1 专用型集成信号调理器件 6.2 多功能型集成信号调理器件 6.3 集成信号处理系统 第7章 力、位移及相关量传感器 7.1 电容式膨胀尺寸传感器设计 7.2 应变式机器人腕力传感器设计 7.3 采用PSD的光电式柔性腕力传感器设计 7.4 采用半导体磁阻元件的非接触旋转传感器设计 7.5 采用随动测量方法的霍耳式位移传感器设计 第8章 温度、压力、流量传感器 8.1 热电偶温度传感器电路设计 8.2 采用微悬臂梁的温度传感器设计 8.3 采用声表面波谐振器的无线温度传感器设计 8.4 光纤式压力温度复合传感器设计 8.5 流体压力、差压复合式传感器设计 8.6 耐氢脆、耐腐蚀、中温、高压传感器设计 8.7 双膜盒式光纤压力传感器设计 8.8 检测高温的电涡流传感器设计 8.9 工程机械液压系统监测传感器的设计 第9章 家电传感器 9.1 红外线耳式体温传感器设计 9.2 洗衣机的位移传感器设计 9.3 恒定光源浑浊度传感器设计 9.4 变光源型浑浊度传感器设计 9.5 人体探测/防盗报警传感器设计 第10章 汽车传感器 10.1 汽车传感器概述 10.2 热线式空气流量传感器设计 10.3 汽车踏板力传感器设计 10.4 磁电式汽车轮速传感器设计 10.5 光学式燃油性质传感器设计 10.6 电容式燃油性质传感器设计第11章 电力传感器 11.1 电能计量中的大电流检测传感器原理和设计 11.2 霍耳效应式电流传感器设计 11.3 三相无功电流传感器设计 11.4 光学组合互感器设计 11.5 光电混合式电流传感器设计 11.6 高压电气设备泄露电流传感器设计 第12章 多功能、集成及智能化传感器 12.1 采用专用集成芯片的液位传感器设计 12.2 采用铂电阻和AD 693的温度传感器设计 12.3 微型风速风向传感器设计 12.4 智能单向加速度/速度/位移传感器设计 12.5 基于集成调理器的电容式含水率传感器设计 12.6 同时测量位移和角度的电容式传感器设计 12.7 基于单一元件的多功能触觉传感器设计 汽车传感器设计选项宋国庆2011年10月26日文章浏览次数：3 资源来源：江苏广播电视大学1 汽车传感器概述 2 热线式空气流量传感器设计 3 汽车踏板力传感器设计 4 磁电式汽车轮速传感器设计 5 光学式燃油性质传感器设计 6 电容式燃油性质传感器设计 家电传感器设计选题宋国庆2011年10月26日文章浏览次数：3 资源来源：江苏广播电视大学家电传感器设计的几个选项，供大家参考 1 红外线耳式体温传感器设计 2 洗衣机的位移传感器设计 3 恒定光源浑浊度传感器设计 4 变光源型浑浊度传感器设计 5 人体探测/防盗报警传感器设计 电力传感器设计选项1 电能计量中的大电流检测传感器原理和设计 2 霍耳效应式电流传感器设计 3 三相无功电流传感器设计 4 光学组合互感器设计 5 光电混合式电流传感器设计 多功能传感器设计选题1 采用专用集成芯片的液位传感器设计 2 采用铂电阻和AD 693的温度传感器设计 3 微型风速风向传感器设计 4 智能单向加速度/速度/位移传感器设计 5 基于集成调理器的电容式含水率传感器设计 6 同时测量位移和角度的电容式传感器设计 7 基于单一元件的多功能触觉传感器设计 教学辅导12011年10月26日文章浏览次数：0 资源来源：江苏广播电视大学同学们，本学期我们将一起学习一门新的课程：传感器与测试技术课程设计。有的同学可能会问：学习这门课程有什么作用？对我们今后的学习和工作有什么帮助？如何学习好这门课程？本文重点针对前二个问题谈谈我的认识和体会。其他问题今后陆续再讨论。 “911”恐怖袭击事件震撼了世界，结束了美国本土无战事的历史，世界上再无一个绝对安全之地，美国人自信的安全感被一举打破，美国进入了保护国家安全的新时期！美国掌握先进的信息获取技术，具有世界上最先进的传感器、仪器设备等信息获取装置，拥有世界上最大的信息网络和大量高素质的情报工作人员以及庞大的有关危险分子的信息数据库，然而恐怖分子可以在美国自由往来，接受飞行训练，甚至2名已被美国移民局列入监视名单的劫机者登记时还使用了真实姓名，恐怖分子携带作案工具，堂而皇之的通过了机场安全检测，顺利地完成了劫机活动并丧心病狂的实施了恐怖袭击。美国情报部门和国家安全部门所倚重的传统的传感技术与仪器、业界专家所认为的完善的机场探测与安全技术在事实面前显得十分幼稚、低能而茫然。人们不禁要问：“技术有用吗？” 科学技术是人类社会存在和发展的基石，技术不但需要，而且还应该与时俱进，随着社会发展的需要得到加强和升华。传感器是信息链的重要一环，是信息科学与技术的重要组成部分，当今世界科学技术和社会经济发展的需求、国防建设和国家安全需求，尤其是“911”之后所面临的国际反恐需求，使传感器技术凸显其重要性，并从多方面提出了学科升华的要求。加强传感器技术研究是社会发展的需要和在世界信息科学与产业界取得竞争优势的重要举措。敏感元件和传感器作为获取自然物质信息的第一环节，仍然是激励信息科学技术发展的关键和制约其发展的瓶颈。 传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、建筑、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域，可以说是无所不在。敏感元件与传感器技术发展迅猛，是当代科学技术发展的重要标志，与通信技术、计算机技术构成信息科学技术的三大支柱。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的自然信息的种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息获取技术即传感技术必须跟上信息化发展的需要。传感器是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。当计算机技术和通信技术飞速发展时，信息获取装置即传感器发展的相对滞后造成了“大脑发达、五官不灵”，这已经开始引起人们的警觉和各发达国家的重视，对传感器技术和产品的需求迅速提升。传感技术将成为二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器技术直接相关。关于保护美国武器系统质量优势至关重要关键技术中8项为无源传感器。美国空军2000年举出15项有助于提高21世纪空军能力关键技术，传感器技术名列第二。美国还成立了国家技术小组（BTG），帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作。日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为大核心枝术，日本科学技术厅制定的二十世纪九十年代重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项是与传感器技术密切相关。德国视军用传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，俄罗斯的军事航天计划中也列有传感器技术。 先进的科学技术总是最先被应用于战争。以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施，而当前由信息技术发展推动的军事革命把重点从作战平台转向如何观察战场、怎样传递所观察到的战场情况、怎样运用那些性能优越的精确武器的问题上来，从重视军舰、坦克和飞机转为重视信息获取技术和信息获取装置的作用，传感器、通信以及精确制导武器等已在战争中至关重要的作用。海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署了4280辆坦克，多国部队只有3800辆坦克。但结果是伊拉克的坦克89被毁，而多国部队的坦克仅损失20辆。这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优势及精确制导武器方面的明显差距造成的。从重视作战平台到重视传感器，是信息时代军队武器装备发展思路的重大变化，将对未来军事力量的建设带来重要影响。充分发挥信息优势，可以减少飞机、坦克、舰空母舰等作战平台的数量，而维持作战能力不变甚至使作战能力得到提高。兰彻斯特方程谈到，进攻要想成功，就得使用三倍于防守方的兵力。而信息技术的发展使人类能对战场了如指掌，使得拥有信息优势的一方能更具战略性优势，可以打击战略要害，以更为有效的方式运用力量，大大提高使用兵力的效率。二战以来，飞机、坦克、军舰等作战平台本身性能的提高几乎接近极限，而作战平台上所载的电子信息装备和精确制导武器、弹药的发展却仍有很大的余地。信息技术在军事上的应用不断赋予现有的作战平台新的活力，实现作战能力的更新和提高。在资金有限的情况下，拥有足够好的作战平台就足够了，在武器发展的优先顺序上，应将重点放在各种作战平台的综合运用和发挥综合作用上，使之具有更高的效能和效率，充分利用信息技术，使作战平台和传感器的发展更好地结合起来，不断改善和提高现有作战平台潜力。传统的有人操作的大型作战平台将会逐渐退出战争舞台，军事革命的技术将迫使人们重新思考是否把军事平台用做施加武力的载体，因为在一个信息获取无处不在的世界上，与一个能够洞察一切的对手进行战争，将会有很大的麻烦。因此，必须考虑重建武装力量，使之具有很强的信息获取、信息传输、信息处理能力，更强的机动性，更好的远程作战能力，更加轻便灵活，甚至达到能使人员脱离战场的程度。（陈伯江光明日报2001-01-16）美国陆军第三军军长兼胡德堡基地司令利昂?J?拉波特中将认为：信息时代的战争要把传感器、情报分析系统和发射器要连接成一个整体，提高官兵的战场态势感知能力，要求部队充分利用传感器网，集中精力关注实时敌情。美军在陆、海、空、天部署了各种各样的传感器并连接成网，用于探测和跟踪敌军情况。由功能和用途各不相同的单个传感器连接成网，能够提高探测速度，实现传感器间的互相查询，使数字化部队能够实时地关注敌情，全面提高其战场态势感知能力。传感器与发射器相连接，进入网络系统，现在需要数分钟间才能完成的事情，实现传感器至发射器的连接后，在几秒钟内就能完成，极大的提高了部队的反应机动能力和战斗力。（军事科学院研究员樊高月 解放军报2001年01月17日 第9版） 由近期的几场高技术条件下的局部战争可以看到，随着新军事革命浪潮的到来，高度信息化的武器平台已经开始发挥战场主导作用。数字化战争需要利用全方位、多手段的传感器系统感知和收集战场各种信息；对这些信息进行判读、分析、综合与管理，实现“传感器-控制器-武器”一体化。战场生物传感器不但能准确识别各种生化战剂，而且可与计算机配合可及时提出最佳防护和治疗方案，还可通过测定炸药、火箭推进剂的降解情况来发现敌人库存弹药的数量和位置，成为战场侦察的有效手段。美国国防部编制的新条令中有指挥员如何利用传感器系统预测敌人的行动的条例，基于多传感器的信息获取系统指指挥员能够将整个战场传来的各种信息综合起来，利用这些信息判断敌人的动向。到2010年，美国希望能够把GPS系统装备到每个士兵身上，并且和武器系统连接起来，使整个战场数字化。近年来，美国军方从飞机上或直接在地面上撒播成千上万个微型传感器，来监视敌方的活动。麻省理工学院的林肯实验室正在研究一种香烟盒大小、能拍照片的飞行器。另外，把烟雾剂喷洒到敌方部队上空，或把化学品掺入敌方的食品中，然后用生物或空气传感器就能追踪敌方的一举一动。 21世纪隐身武器将成为战场上的主角，隐身武器是指采用了防止敌方雷达、红外、声纳、可见光等有效探测的伪装技术的兵器，有隐身飞机、隐身导弹、隐身火炮、隐身坦克、隐身舰船等，如美国的F22隐身战斗机，“北极光”隐身侦察机、“联合攻击战斗机”（JSF）、AGM-129型隐身巡航导弹、“海影”号隐身战舰、俄罗斯S-37前掠翼多用途战斗机和X-65C3反舰导弹、法国的“拉斐特”级护卫舰、瑞典“维斯比”级隐身护卫舰等，隐身武器具有耐久的隐身特性和极强的态势感知能力。隐身武器使侦察与反侦察斗争更加激烈，战争突然性增加，使得进一步加强传感器技术的研究显得尤为重要和迫切。在未来战争中，新一代精确化和智能化的常规武器和电子武器可能在实质上取代核武器的位置。智能武器“把巨大的杀伤力和极高的精确性相结合，将会使军事机构思考未来战争的方式发生革命”。 高技术常规武器成为比核武器更可靠的手段，“打了不用管”的制导炮弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射程远，威力大，价格低，命中率高，具有子母弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹的攻击方式。窃听炮弹发射至目标区域后，能自动探测不同类型的声响，获取战场目标信息并将信息发送给控制中心。这种炮弹对目标的分辨能力很强，而且不受地形和气候的限制，具有及时、隐蔽和不间断的目标侦探和监控功能，扩大了战场信息探测的时空范围。电视侦察炮弹可用火炮发射至目的地，弹中的摄像机将拍摄到的战场实况通过微型发射机传输回去，整个侦察过程犹如电视台的实况转播那样直观。能蹦，能跳，能飞，能够主动、准确地探测跟踪坦克、装甲战车，垂直攻击坦克的顶部或腹部的地雷目前已研制成功。美国XM93广域智能反坦克地雷布设后展开稳定支腿和由3个微音器和1个地雷探测器组成的传感器阵列，当传感器阵列在毁伤半径内探测到坦克到来后即进行跟踪，并测定坦克的行进方向和速度，由微处理机计算出坦克运行轨迹，然后控制子弹药发射装置处于准确的发射角度，同时计算出子弹药飞行轨迹与坦克运行轨迹的交汇点，使子弹药旋转对准目标，适时点火起爆，通过爆炸成型战斗部击穿坦克顶甲。 美国ERAM远程反装甲地雷由发射器、音响探测器、数据处理器和2枚带红外传感器的“斯基特”自锻破片战斗部等部分组成。法国的“玛扎克”（Mazac）声控反坦克地雷也是一种自动寻的攻击坦克顶甲的智能地雷，安装有音响探测器、红外探测器和微处理器。美国AHM反直升机地雷该雷由通过声传感器和信号处理器探寻直升机螺旋桨叶片的独特声响，并能分辨直升机的类型，其可靠性达90。在地面作战中，可能会出现“机器人部队”在用于陆战的军用机器人中，最引人注目的就是昆虫大小装有传感器，具有视觉和通信能力的微型机器人，美国陆军正在研制的一种侦察微型机器人（marv），其直径只有5毫米，桑迪亚国家实验室可以制造出只有几毫米大小的可发现和摧毁敌人核生化武器的灵巧机器人，可以为战场上的士兵提供核以及生化武器的探测预警能力，并可用于反恐怖活动。1997年，美国国防高级研究计划局制定了为期4年，耗资3500万美元的微型无人机计划。美国国防高级研究计划局要求微型无人机长、宽、高均不大于15厘米，能实时成像，有效范围达10千米，时速达50千米，可在空中滞留20120分钟，可以用来为排、连和旅提供侦察与监视、战场损伤评估、目标信息、通信中继，并能探测化学、核、生物战剂，可向单兵提供实时战场态势和侦察信息。美国国防高级研究计划局预计微型无人机在2003年装备美军。目前，已研制成功多种样机：“微星”无人机，展翼15厘米，重100克，锂电池动力，装备光学摄像机，GPS定位仪，巡航飞行2060分钟，有效飞行距离5千米，飞行高度约15 91米，巡航速度约556千米小时；“克里卜里”无人直升机，重300克，携带红外成像设备，集成全球定位系统加速度计陀螺仪，巡航飞行2小时；“黑寡妇”无人机，比手掌稍大，锂电池动力，装备机载雷达，巡航速度20米秒，巡航时间20分钟，有效飞行距离1000米；“微船”无人机，重10克的小型扑翼机，搭载微型摄像机及下载链路或声音传感器，一次充电能飞行20秒，预计最终能在空中停留3分钟；“昆虫”无人机，由锂电池给压电致动器提供能量，这些外层涂有陶瓷的很薄的金属板在施加能量时就会弯曲，而在能量移走时就恢复原状，致动器在机器人的金属骨架和机翼上产生振动，使之爬行或是飞行；“美钞”无人机，1美元纸钞大小的无人机，装有超敏锐感应器，可“闻”出柴油发动机排出的废气，且可以拍摄夜间红外照片，将敌动态和坐标传到200千米外的基地，引导导弹精确命中目标。 美国陆军正在和陆军研究实验室合作开发用于目标侦察、目标分类、目标定位和统计地面和空中目标数量的传感器，这种传感器，可以提供高保真的情报数据，生成高清晰度的目标轮廓，并具有“全景”成像能力。“911”恐怖袭击事件发生后，美国政府和军方对于利用信息手段收集情报情有独钟。美国国防部动用卫星、间谍飞机和无人驾驶飞机、侦听国际互联网等手段来监测恐怖份子的地面活动。在信息控制与反侦察领域内大量使用信息武器，监视并制约塔利班反政府武装的活动。美国国家航空航天局正在开发一种传感器系统以获取乘客的脑电波与心跳频率以及体温、脉搏速率、眼球跳动频率等生理数据，这些信息被送入计算机进行数据运算，再结合该乘客以往的飞行记录、是否有犯罪背景、银行信用信息等“许多数据源”，判断“乘客是否有潜藏的不良动机。” 石油、化工、冶金、建筑、电力、铁路等部门的发展迫切需要传感器技术，敏感元件及传感器广泛用于计算机、开关电源、彩色显示器、程控交换机和通信机、工业自动化装备、彩电、空调、冰箱测温控温及电路温度补偿马达启动保护、过热保护等。我国有近百万座大、中型油罐及十余万压力容器液体检测，仅需光纤传感器产值就达20余亿元，铁道油罐车光纤装油自动计量系统，需要量达10亿元以上。另外，煤气光纤相位计，应变光纤传感器、光纤阀位回讯器等广泛用于冶金、化工、 医药、食品等部门，将有数亿元的市场需求。 我国的汽车工业发展很快，预计2003年普通汽车将达到480万500万辆的生产能力，按每辆汽车需要1020只传感器计算，这些汽车将总共需要5000万1亿套传感器及配套变送器和仪表。高级轿车电子化控制系统水平的关键就在于所用的传感器的水平和数量需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要301 00种传感器，这将为传感器发展提供一个广阔的市场空间。开发新型压力、温度、流量、位移等传感器，为汽车工业解决电喷系统、空调排污系统和自动驾驶系统所需的传感器显得十分迫切。 21世纪的农业将是知识密集、技术密集的产业，设施农业可以有效提高农业生产效益和增强抗灾能力，借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件，摆脱自然制约，以达到高产、高效、优质。信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。 在生物与医学领域，对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量，研制以传感器作为前端的信息获取系统，开展无创伤测量是一个前沿课题。国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。今后还要进一步实现这些功能的集成化、微型化、研制出“Lab-onChip”微分析芯片，使许多不连续的分析过程连续化、自动化，完成实时、在位分析，实现高效率、快速度、少耗样、低成本、无污染、大批量生产的目标。用于抗生素、维生素、氨基酸、生长因子、杀虫剂、洗涤剂及合成的有机化合物等检测的传感器随着生物技术、生物材料科学及其它相关学科不断发展、改进。美国每年在生物传感器技术及产品开发研究方面的投资额度大约为13亿美元，英、法、德等国也投资不菲。另外，现代医学研究已证明人类疾病都直接或间接地与基因有关，疾病与基因的关系是目前生物医学研究的主题，基因传感器的研究与应用会促进这方面的研究，对揭示基因与疾病的关系起到推动作用。目前，一些基因传感器已应用到了医学临床对疾病的诊断的研究中，基因传感器可用于对环境的监测，检测环境中的生物病菌等。由于基因武器的出现，便携、快速、灵敏的基因传感器将会在军事上发挥重要作用。 保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。目前全国有检测站4000多个，环境科研院所几百个，“十五”期间要装备400多个国家网络监测站，350多个环境信息中心，100多个城市空气质量地面自动监测系统，100多个国控水质监测系统，国家还要对18000个重点污染企业安装在线连续自动监测系统。研究开发环保新型化学传感器的任务非常迫切和艰巨。 信息产业是一个国家的基础产业、先导产业、支柱产业和战略性产业，对国民经济、国家安全、人民生活和社会进步发挥正越来越重要的作用，是否掌握先进的信息技术和拥有高度发达的信息产业已成为各国争夺科技、经济、军事、乃至政治主导和制高点的关键。 近十几年以来，由于各国政府的重视，计算机、通信和网络技术迅猛发展，使信息处理和传输无处不在，形成了巨大的产业群并带来巨大的产值。2000年世界信息产业的产值为1.4万亿美元，其中通信服务7000多亿美元、信息服务1000多亿美元、通信设备1800亿美元、计算机硬件1800亿美元、软件1100亿美元。海湾战争以后，我国对信息技术，尤其是计算机技术和通信技术的发展也给予了高度重视并投以巨资。2001年，我国信息产业完成工业总产值13572亿元，增速达26.8%，增加值占国内生产总值的比重达到4.2%，通信业务收入完成4006亿元，通信固定资产投资完成2430亿元，电子信息产品制造业实现销售收入8237亿元，工业增加值1774亿元，出口额650亿美元，软件与系统集成销售额750亿元。 预计2002年我国信息产业增加值占国内生产总值的比重达到4.4%。通信业务收入4450亿元，通信固定资产投资2300亿元，电子信息产品制造业销售收入9900亿元，出口总额700亿美元，软件与系统集成销售额达到1000亿元。我国集成电路直追世界先进水平，已具备0.25微米芯片设计开发和0.18微米芯片规模生产能力，以“方舟”、“龙芯”为代表的高性能CPU芯片开发成功，标志着我国已掌握产业发展的部分重大核心技术；许多软件技术已接近或达到国际先进水平；计算机开发生产水平也已进入国际前列；通信网的技术装备水平超过了许多发达国家的水平，居于世界前列。出现了一批有较强实力、市场竞争和开拓市场能力的大公司，参与国际竞争。目前，我国电子信息制造业的规模已接近日本，居世界第三。到2005年，中国信息产业规模将居世界信息大国之列。 然而，由于世界各国对传感器技术的重视程度和投入远不如计算机技术和信息技术，目前传感器技术的发展大大滞后于整个信息技术的发展，成为制约信息技术、自动化技术发展的瓶颈，有着巨大的发展空间和广阔的市场前景。 国外传感器的发展已有近两百年的历史，近二十年来，由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速，美国、法国、德国、荷兰、俄罗斯、 日本等国已实现产业化，在近十几年来世界传感器产量及市场需求年增长率均在10以上。目前世界上传感器的种类约有2万种，从事传感器研制生产单位已有5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。其中不少是世界 上著名厂商，例如美国福克斯波罗（Foxbro）公司，霍尼威尔公司（Honeywell）、 恩德福克公司兼并了丹麦BK公司、德国的西门子、荷兰的飞利浦、俄罗斯的科学院半导体所、热工仪表所。力敏传感器发展迅速，以微机械加工、三维大规模集成电路技术为代表的高新技术的应用，把力敏元件与传感器产业化推向新阶段。1998年在美国西亚图第六届国际传感器博览会统计，全世界从事力敏元件与传感器研制的生产厂家约有3500多家，其中美国约占800多家，日本300多家，欧洲1000多家，俄罗斯500多家，其它国家和地区500多家，总销售额达260多亿美元。在市场销售方面，美国的霍尼韦尔、摩托罗拉、福克斯波罗、通用电器半导体公司等，占世界市场销售额的39%，日本占22%，德国占13.3%，这三个国家占据了世界销售市场的74.3%。而销售市场中以投资类产品为主，占整个市场的85%。对力敏传感器需求量最大的是自动化生产工程设备和能源部门，需求量75亿美元；其次是汽车用传感器，需求量为45亿美元，汽车用传感器增长很快，2000年将达到103亿美元；医用传感器需求量为27亿美元，占据第三位；建设和保安部门对传感器的需求量为12亿美元；机械工程用传感器为100亿美元；普通机械用传感器2000年增加27.9亿美元，其中包装机械和纺织机械用传感器各占了34%和13%；飞机和船舶用传感器为70亿美元；机械工具用传感器为21亿美元，到2000年生产规模将扩大到179亿美元，在工业机器人和搬运机器领域用传感器市场为10.5亿美元；到2000年增加到26.4亿美元，其中，家电类压力传感器的需求量最大；环境保护用传感器市场2000年为142亿美元。2000年，世界传感器市场总额约为700亿美元（其中美、欧洲、日本将分别达到150、100、80亿美元）。 2001年世界传感器市场总额约为790亿美元，约占世界信息产业的产值的5%。 设计案例举例：超声波测距系统设计2011年09月07日文章浏览次数：7 资源来源：江苏广播电视大学（一）题目 超声波测距系统设计 （二）内容及要求 1）设计内容 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。 功能：1）LCD液晶显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。 2）测量方式可通过硬件开关预置。 3）测量范围：30cm200cm， 4）误差0.5cm。 5）其它。 2）设计要求 1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。 （三）传感器工作原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。 （四）系统框图 超声波测距系统框图 （五）单元电路设计原理 1、 AT89C2051的功能特点 AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C2051有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2 个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。 AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0t Timer1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。 ATC2051示意图 （略） 2、LCD的工作原理 在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。 LCD器件是由背光源发射的光通过偏振片和液晶盒时，控制投射强度识别图像的器件。也就是LCD的亮度取决于通过液晶盒（LCD屏的透过率）和彩膜CF光量（CF的透过率）及背光源的亮度。 如图3所示，普通液晶显示器使用导光板的侧灯式光源，假设导光板光效率为100%，其在导光板中损失40%，通过下偏光片损失36%，通过液晶盒损失18%以及表面反射损失1%，由此，LCD显示从导光板到最终利用率不到5%。由此可见，如何将光效率提高，如何让液晶显示呈现一个明亮鲜艳的图像是液晶显示产业的一个大问题。且普通型液晶显示器采用三基色彩色滤光片来处理图像的合成，因此在色彩饱和度欠佳。 普通型液晶显示器原理图 3、系统硬件电路设计 AT89C2051通过外部引脚P1.6输出脉冲宽度为250s，载波为40kHz的10个脉冲的脉冲群，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。在发射的同时，P1.7输出一个高电平启动，给电容C4充电。发射结束时高电平翻转为低电平，C4开始对R2、R3组成的分压器放电并输出到比较器的负端。超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个高增益、低噪声放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。发射时P1.7输出的电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误检测。 电声转化电路 测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LCD上显示出来。限制系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度，反射而的质地，反射而和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。 电声转化电路 4、系统软件设计 AT89C2051单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。超声波测距仪就是用AT89C2051单片机开发设计的。它采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。 该系统的主程序处于循环工作方式，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在液晶屏上显示出来。 5、程序流程图 开始 系统初始化 检查按键 调用测量子程序 调用显示子程序更新显示 主程序流程图 测量子程序开始 调用发射超声波子程序 监视接收输入，并进行时间测量 接收脉冲到来，本次测量结束 返回 测量子程序 （六）完整的电路图 （七）参考文献 1 传感器及检测技术 高等教育出版社 2 自动检测技术 机械工业出版社 3 传感器电子学 宇航出版社 4 传感器实际应用电路设计 电子科技大学出版社 5 超声波传感器相关资料 （八）设计中的问题及解决方法 此次设计时,遇到许多问题：首先，在电路图的连接中,因为对于电路原理不很掌握，所以在连接时有时会连接错误。其次，对芯片某些引脚的功能了解的不够透彻,导致在设计电路时出现了接线错误。除此之外在对电阻电容的挑选上,有时会因阻值、容值的选择不当，而出现错误，从而使整个设计不够完美。最后的程序编写过程中也出现了问题,对一些指令的使用出现错误。但这些问题都即时的得以解决。 （九）总结 通过课程设计，更进一步的了解了传感器原理的相关知识，加深了对各芯片的了解，初步达到了设计目的和要求。提升了自己的实际实践能力。明白了设计一个关于传感器测距方面的课题应从哪几方面入手。例如程序实现，芯片的选择和连接，芯片在电路中起到什么作用，以及如何起到这样的作用。此外也加强了我搜集资料和整理资料的能力，提高了自己动手分析问题、解决问题的能力。这些都对以后的工作进行了即时的训练。并且在设计中遇到了许多问题，在对这些问题的解决上，也是对个人能力的煅炼。而且这些问题的出现很有价值，是值得重视的,需要在以后的学习中不断的加以完善和提高。但总的来说,通过这次的设计实验，进一步地增强了实际动手能力使我的理论与实践能力相结合，从而在整体上提高了自身的学习能力和理论素养。 原理及应用举例：超声波传感器及其应用2011年09月07日文章浏览次数：1 资源来源：江苏广播电视大学一、超声波传感器概述 1.超声波 声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。空化作用当超声波在液体中传播时,由于液体