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传感器原理及应用调研报告 学 院： 机械学院 专 业： 机制 班 级： 101 学 号： 10080 学生姓名： 指导教师： 冯治国 2013年 12 月 8 日一、传感器的定义国家标准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。二、传感器的分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。 物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。三、传感器的应用传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专用设备等。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的是汽车市场的需求，占第二位的是过程控制市场，前景看好是通讯市场。本文主要介绍了光纤传感器、光电传感器和压力传感器。四、光纤传感器1、光纤传感器应用背景近20年来，世界范围内用于光纤通讯和光纤传感器的资金正在不断增长。与传统传感器相比，光纤传感器有一些列独特的优点。它可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使用，高灵敏度及低拐”卧勺优点使其用途广泛，例如能够纰成空间分布列阵及网络，应用于人体医学、城建监控、环境监测等方面。科学家已提出了四十多种测量对象的几百种光纤传感器同时也指出了乐观的市场前景。光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用。2、光纤传感器的应用状况 光纤位移传感器，主要有编码器和光栅尺，主要在车床上起到定位作用，就是X,Y轴的尺寸设定。而速度传感器也是有编码器反馈的信号，主要是数控车床的测速，也是加工中设定的速度传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的，光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。3、光纤传感器的基本原理光纤是利用光的全反射原理来引导光波的。当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)，会由于被测叁量(温度、压力、加速度、电场、磁场等)对光纤的作用而搜生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解凋器从而获得被测参量的参数。光纤传感器可以按传感原理分为两类，一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用，即它具有传与感台的特点。另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用，而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为：光强调制型、相位调制型、偏振态凋制型和波长调制型等几种形式。光纤传感器电路图如下： 4、测量物理量和范围 光纤光栅阵列温度传感器被设计用来测量超声波、温度和压力场，内部实地地研究病变组织的超声和热性质，传感器的分辨率为0，1，精度为02C，测量范围为3060。C。另一个光纤光栅温度传感系统641被研制用来遥测核磁共振机中的实地温度，探头由四个光纤光栅组成，探头置于核磁共振机中的一个容器中，容器中的磁场约47T，用25m长的光纤连接探头和解调仪，系统的分辨率为01，精度为O5，测量范围为25-60。5、光纤传感器的优缺点优点：(1)高灵敏度; (2)抗电磁干扰：一般电磁辐射频率比光波频率低的多，所以在光纤中传播的光不受一般电磁噪声的影响; (3)电绝缘性和化学稳定性：光纤本身是一种化学性能稳定的高绝缘物质，且敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件。因此光纤传感器不仅化学稳定性好，而且电绝缘性能也高; (4)良好的安全性：光纤传感器的敏感元件是电无源的，故在生物体内测量时，不存在漏电和电击的危险，故近年来医用光纤传感器十分活跃。此外光纤损耗小、频带宽，具有高的数据传输率，并且具有几何形状灵活，易于远距离监控和多功能传感等优点。缺点：须用特殊光纤，成本高。典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。五、光电传感器1、光电传感器应用背景光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。2、光电传感器应用状况 光电传感器在当前科研领域的运用范围很广，影响力巨大，尤其是基于光电传感器技术原理研发和制造出的新型光电传感器已成为当今传感器市场的主流，在国外，光电传感器技术已广泛地运用到各国军事技术、航空航天、检测技术以及车辆工程等诸多领域。例如，军事上，国外激光制导技术迅猛发展，使导弹发射的精度和射中目标的准确性大幅度提高，美国在航空航天领域，研制出了新型高精度高耐性红外测温传感器，使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分温度。国外的城市交通管理也大多运用电子红外光电传感器进行路段事故检测和故障排解的指挥。同时，国外现有汽车中常装载有新型光电传感器如激光防撞雷达、红外夜视装置、测量发动机燃料特性、压力变化并用于导航的光纤陀螺等。目前我国的光电式传感器在现代研究实力和影响范围上虽不及日本和欧美一些国。但却在研究的种类和样式上取得重大的突破，总体上可分为光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器以及细丝类物件的在线检测。同时，基于光电传感器技术的科技设备已在我国被广泛地应用于多种军事领域，其中较为广泛的应属紫外告警系统，它为探测来袭导弹提供了一个极其有效的手段。3、 光电传感器工作原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。下图是光电传感器的基本结构：4、光电传感器光电原件及特性1.光电管 光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图1所示。在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图1所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电阴极K上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I，在负载电阻 上的电压。光电管的光电特性如图2 所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。 图2光电管的光电特性图1光电管测量电路光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如下图所示。六、压力传感器1、压力传感器应用背景随着传感器技术的发展，功能集成化和结构小型化或一体化则成为传感器的主要发展趋势之一。压力开关传感器的研制就是将功能单一的机械式压力开关与压力传感器结构小型化、功能集成化，使二者在同一个压力腔内能够同时提供开关信号和连续电信号。该压力开关传感器研制要突破一体化结构、小型传感器设计及机械压力开关等关键技术难点，解决涉及多门学科相互交叉的综合技术。2、 压力传感器应用状况 压力传感器是一种将压力转变成电信号的传感器。根据工作原理，可分为压电式传感器、压阻式传感器和电容式传感器。它是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。电容式压力传感器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定，因灵敏度高、温度稳定性好、压力量程大等特点近来得到了迅速发展。在数控机床中，可用它对工件夹紧力进行检测，当夹紧力小于设定值时，会导致工件松动，系统发出报警，停止走刀。另外，还可用压力传感器检测车刀切削力的变化。再者，它还在润滑系统、液压系统、气压系统被用来检测油路或气路中的压力，当油路或气路中的压力低于设定值时，其触点会动作，将故障信号送给数控系统。3、压力传感器原理 压力传感器的工作原理选择扩散硅压阻工作机理。将构成惠斯登电桥的四个扩散硅电阻对称设计在弹性体的正负应变区上，扩散硅电阻随被测介质的压力增加而增加或减小，造成惠斯登电桥的不平衡电压与被测压力成线性变化。图4为传感器惠斯登电桥。 基于一体化结构设计压力传感器的敏感器件和芯体采用微小型化，与压力开关形成上下配套结构，形成一体化设计。4、 压力传感器测量电路根据使用需要，压力开关传感器要求输出05V信号及高低电平的开关量信号，电路设计原理框图如图8所示。 该电路设计主要分三大部分：第一部分为传感器信号放大电路，设计方案采用仪用放大电路(如图9)，该电路将传感器输出的毫伏信号放大至05V输出，形成标准的电压信号；第二部分为开关设定电路，设计方案采用电压基准及