传感器设计及应用实例论文

第一篇：传感器设计及应用实例论文

压力传感器（压力变送器）的原理及应用

概 述：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用

1、应变片压力传感器原理与应用

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是 A/D转换和CPU）显示或执行机构。

它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）

S——导体的截面积（cm2）

L——导体的长度（m）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。来源: http://tede.cn

2、陶瓷压力传感器原理及应用

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度 >2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

3、扩散硅压力传感器原理及应用

工作原理

被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。来源:www.xiexiebang.com

4、蓝宝石压力传感器原理与应用

利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

5、压电压力传感器原理与应用

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

BP01型压力传感器及其在便携式电子血压计中的应用

介绍了德利康公司的BP01型压力传感器的主要性能和参数给出了一个用BP01作传感器组成的便携式电子血压计的实际电路,并对该应用电路的工作原理进行了说明,同时给出了该便携式电子血压计电路的设计和调试方法。概述

BP01 型压力传感器是为监测血压而专门设计的,主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装,具有高线性、低噪声和外界应力小的特点;采用内部标定和温度补偿方式,从而提高了测量的精度、稳定性以及可重复性,在全量程范围内,精度为±1%,零点失调不大于±300μV。BP01的主要性能参数

BP01的内部等效电路和外形封装如图1所示;表1所列为BP01在电源电压Vs为5.0V、环境温度TA为25℃时的主要性能参数。

BP01的极限参数如下：

·最大工作电压：20VDC;

·最大耐压：1500 mmHg;

·工作温度范围：0～70℃;

·引脚焊接温度（最大值）：250℃（2～4秒）。基于BP01的电子血压计

3.1工作原理

用BP01构成的便携式电子血压计的原理电路如图2所示,它由偏置电源电路（A1、A2）、前置处理电路（A3～A6）、显示电路（A7）和压力传感器（BP01）组成,该血压计的血压测量范围为0～200mmHg,分辨率为0.1mmHg,工作电源为一节9V迭层电池。现将血压计中各主要电路的工作原理分述如下：

a.偏置电源电路

电源电路由带有内置参考电压的双运放LM10组成,A1构成同相放大器,A2构成跟随器,它们的作用是将内置的参考电压放大后用作压力传感器BP01的偏置电压Vs,其Vs的值由下式决定：

Vs=Vref（1+R2/R3）

式中：Vref为LM10的内置参考电压。其值为200mV,将此值连同电路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置电压Vs的值为5V。

b.前置处理电路

前置处理电路由A3～A6四个运算放大器组成,其中A3构成失调偏置电路以对电路失调进行补偿;A5构成跟随器,用于对压力传感器BP01的输出信号进行隔离缓冲;A4、A6构成放大电路,其增益AV由下式决定：

AV=1+（R1/RT）

若忽略失调,前置处理电路的输出电压Vout为：

Vout=2（1+R1/RT）VIN

式中：VIN为压力传感器BP01的输出电压。

c.显示电路

显示电路选用三位半的显示驱动器。工作时,压力传感器BP01的输出经前置处理电路放大后,由显示驱动电路来驱动LCD,以读出测量的血压值。

3.2调试方法

a.零压输出调整

在零压输出时,调整失调电位器RP1,在血压计的显示值为000.0时,即可认为完成了零压输出调整。

b.前置电路增益的调整

压力传感器BP01的满量程输出与偏置电压有一定的关系,当5V偏置时,在200mmHg压力下的输出为10mV,其对应的显示驱动电路的输入为200mV,因此前置电路的增益AV为200mV/10mV,这样,利用前面Av的计算公式即可反推出增益电阻RT的值。

若选取电阻R1为10kΩ,则增益电阻RT应为1.1kΩ。调试时可先用电位器调整输出值,再用万用表测出该电位器的阻值,最后再换成固定电阻。

c.满量程调整

满量程调整时,先在显示电路的输入端加上200mV电压,然后调整电位器RP2,使其读数为199.9mmHg即可。

上调整完成之后,一般应多重复几次,以使显示值可靠地符合精度要求。

3.3元器件的选择

为保证测量精度,上述电路的外围元器件的选择也是一个不容忽视的重要环节。一般情况下,电位器RP1、RP2应选用1%精度的金属膜多圈电位器;电阻应选用1%精度的金属膜电阻器;电容一般选用聚脂薄膜或者云母电容。结束语

在使用压力传感器BP01和其它器件设计便携式电子血压计时,应注意的是：对于不同的偏置电压,其输出也不同,因而前置处理电路的增益应做相应的调整,以满足满量程的不同要求。

第二篇：6-4 传感器的应用实例教案

6．4 传感器的应用实例

教学目标

（一）知识与技能

1．了解两个实验的基本原理。

2．通过实验，加深对传感器作用的体会，培养自己的动手能力。

（二）过程与方法

通过实验培养动手能力，体会传感器在实际中的应用。

（三）情感、态度与价值观

在实验中通过动手组装和调试，增强理论联系实际的意识，激发学习兴趣，培养良好的科学态度。

教学重点、难点

重点

1．了解斯密特触发器的工作特点，能够分析光控电路的工作原理。2．温度报警器的电路工作原理。难点

光控电路和温度报警器电路的工作原理。

教学方法

实验法、观察法、讨论法。

教学手段

实验过程中用到的有关器材、元器件等，由实验室统一准备

教学过程

（一）引入新课

随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关、温度报警器、孵小鸡用的恒温箱、路灯的自动控制、银行门口的自动门等，都用到了传感器．传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对电学量的放大，处理均是通过电子元件组成的电路来完成的．

这节课我们就来动手组装光控开关或温度报警器。

（二）进行新课 实验

1、光控开关

1．实验原理及知识准备

（投影）如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为 330 kΩ，试分析其工作原理．

白天，光强度较大，光敏电阻RG电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端 A的电压上升到某个值（1.6V），输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的．

（1）要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？为什么？

应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。

（2）用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？

由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路．

（投影）如图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D为动触点，E为静触点．试分析电磁继电器的工作原理．

当线圈 A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与E接触，将工作电路接通，当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧作用下拉起，带动触点D与E分离，自动切断工作电路．

试说明控制电路的工作原理。

天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端 Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭．

分组实验。2．温度报警器

上一节我们学习了火灾报警器，它是利用烟雾对光的散射作用，使火灾发出的光引起光敏电阻的阻值变化，从而达到报警的目的．这种设计其敏感性是否值的怀疑，你想过吗？既然发生火灾时，环境温度要升高，我们能不能用温度传感器来做成火灾报警器呢？

（投影）温度报警器的工作电路，如图所示。试分析其工作原理。

常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，Rl的阻值不同，则报警温度不同．

怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？

要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高．

分组实验。

（三）课堂总结、点评

本节课主要学习了以下几个问题：

光控开关

传感器的应用实例

温度报警器

（四）实例探究

电磁继电器与自动控制 【例1】现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程．

第六章

传

感

器

（一）本章知识结构梳理（投影复习提纲，可以印发提纲，要求学生课下预习完成）1．什么是传感器？它是怎样的一类元件？

2．热敏电阻和金属热电阻是一回事吗？它们的阻值随温度分别怎样变化？ 3．霍尔电压UH=__________，式中各量分别表示什么？ 4．光敏电阻有何特性？

5．传感器应用的一般模式是怎样的？请画图表示。

6．常用的一种力传感器是由_________和__________组成的，________是一种敏感元件，现在多用半导体材料组成，受压时其上表面拉伸，电阻变_____，下表面压缩，电阻变_____。外力越大，这两个表面的电压差值就越_____。

7．指出以下传感器应用的实例中，所应用的传感器，或主要元件。（1）电子秤：_________的应用，敏感元件是_________（2）话筒：_________的应用，分_______和_________两种。

（3）电熨斗：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。（4）电饭锅：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。（5）测温仪：_________的应用，测温元件是________或_________、________、_________。（6）鼠标器：_________的应用，主要元件是________或_________（7）火灾报警器：_________的应用，利用烟雾对____________来工作的。

8．如图所示是光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为 330 kΩ，试分析其工作原理．

要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？

9．如图所示温度报警器的工作电路，试分析其工作原理。要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该把R1的阻值调大些还是调小些？

（二）精题讲练

1、热敏电阻的特性

【例1】如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻 R t（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往R t上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________（填“左”或“右”）移动。

针对练习1：如图所示，R 1为定值电阻，R 2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），L为小灯泡，当温度降低时（）

A．R 1两端的电压增大

B．电流表的示数增大

C．小灯泡的亮度变强

D．小灯泡的亮度变弱

2、光敏电阻的特性 【例2】如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（）

A．电压表的示数增大

B．R2中电流减小

C．小灯泡的功率增大

D．电路的路端电压增大

跟踪练习2： 如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向_______（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向_______（填“左”或“右”）转动。

3、力传感器的应用 【例3】如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g。求：

（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离xl．

（2）托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2．

（3）在托盘上未放物体时通常先核准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为xl，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．

跟踪练习3：

磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为B2．式中B是磁感应强度，是磁导率，在空气中为一已知常数．为了近似测得条形磁2铁磁极端面附近的磁感强度B，一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离l，并测出拉力F，如图所示．因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可得磁感应强度B与F、A之间的关系为B=_______

4、温度传感器的应用

【例4】家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（）

A．通电后其功率先增大后减小 B．通电后其功率先减小后增大

C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1至t2的某一值不变

D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变

跟踪练习4：一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示．由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．

有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示．试根据图线分析：

（1）为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？

（2）通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T_____

5、霍尔元件的应用

【例5】 如图所示，厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差U，电流I和B的关系为U=k，式中的比例系数k称为霍尔系数。

霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。

设电流I是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势

下侧面Ａ的电势（填高于、低于或等于）。

（2）电子所受的洛伦兹力的大小为。

（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的静电力的大小为

．

（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k=

I，其中n代表导体板单位体ne积中电子的个数。

跟踪练习5：电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图7所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为

A．IcIb(bR)

B．(aR)BaBcIaIbcC．(cR)

D．(R)

BbBa

第三篇：传感器设计论文

传感器 课 程 论 文

课程名称：论文题目：学 院：系 别：专 业：学 号：学生姓名：指导教师：日 期： 传感器技术 温度的传感器设计

合肥通用职业技术学院

机械工程系

机电一体化 机电1301 11130156 张印

邢老师 2015 年 1 月 4日

第 一 页

传感器的应用、发展前景及其目前的发展趋势

近年来，国内外温度传感器研发领域取得了很大的进步。温度传感器正从结构复杂、功能简单向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件，也将温度测量技术提高到新的水平。国内数字温度仪测量温湿度采用的主要方法有:“温—阻”法,即采用电阻型的温度传感器,利用其阻值随温度的变化测量空气的温度。受传感器灵敏度的限制,这类温湿度仪的精度不是很高,一般条件下还可以满足需要,但是在环境实验设备等对精度要求较高的场合就难以满足要求了。

随着信息产业的发展及工业化的进步,温度不仅仅表现在以上几个方面直接或间接影响着人类基本生活条件, 还表现在对工生物制品、医药卫生、科学研究、国防建设等方面的影响。针对以上情况，研制可靠且实用的温度控制器显得非常重要。常用温度传感器的非线性输出及一致性较差，使温度的测量方法和手段相对较复杂，且给电路的调试带来很大的困难。传统的温度测量多采用模拟小信号传感器，不仅信号调理电路复杂，且温度值的标定过程也极其复杂，并需要使用昂贵的标定仪器设备。因此对于温湿度控制器的设计有着很大的现实生产意义。

随着光学技术在传感器领域的应用，出现了开关式温度测量器、辐射式温度测量器等温度测量器，使得温度测量精度和范围都有较大的提高，其中应用激光技术测温打破了传统的近距测温，可以针对远程温度测量[4-5]。

随着电子技术和自动化的发展，研究开发出数字式集成温度传感器。这种传感器是将温度和数字电路集成在一起，内部包含了温度传感器、A/D转换器、信号处理器、接口电路等，有的还有单片机的中央处理器、随即存取存储器和只读存储器集成在一起，成功的实现了温度传感器的数字化结构。数字式温度传感器的采集精度高、测试的可靠性高、又很强的抗干扰能力，这些都是模拟式温度传感器不能达到的，由于引入了数字式的温度反馈，有效地改善了比较器的失调和零点漂移对温度精度的影响。目前，数字温度传感器已经结合了总线技术、等接口和主机进行通信，这种数字化、集成化的传感器是将温度传感器的一个新的发展方向。

温度传感器的工作原理

热敏电阻温度测量传感器所采用的材料为铂金，该传感器应用了激光调阻和溅射成膜等技术制作形成的。选用铂电阻的原因是因为其电阻值可以随着温度的变化而近似线性的变化，且具有良好的温度重现性和良好的测试稳定性。

本文设计所使用的是铂膜温度传感器，该传感器零度时的阻值为1000Ω，该电阻的变化率为0.3851Ω/℃，在测量中薄膜铂电阻具有体积小，响应快，寿命长，测温范围宽，在氧化介质中性能稳定，线性度及精确度高等优点，很适合在便携式测量仪中使用。

由于热电阻随温度变化而引起电阻的变化值较小，如铂电阻 Pt1000 在零温度时的阻值

R0=1000，因此，在传感器与测量仪器之间的引线过长会引起较大的测量误差，在实际应用时，通常是热电阻与仪器或放大器采用两线或四线制的接线方式。两线制的引线电阻：铂电阻不超过 R0的 0.1%，铜电阻不超过 R0的 0.2%。采用四线制可消除连线过长而引起的误差。

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电桥输出电压 V0为

V0=I /2×2R(Rt-Rr)/(2R+Rt+Rr)当 R>>Rt、Rr时，V0=I /(Rt-Rr)其中

Rr为温漂很小的铂电阻 Rt为可变电阻 R 为固定电阻

I 为恒流源提供的电流 V0为输出电压。

传感器的动态特性

根据本文的设计，图1-1为所测得在0℃～ 100℃温度范围内铂电阻的阻值和温度的关系曲线。并且该图为传感器的动态特性。

图1-1铂电阻与温度关系曲线

由图1-1可以看出，随着温度升高铂电阻的的组织也随之升高，曲线呈近似线性变化。

传感器的静态特性

温度传感器探头采用的材料为铂金，应用激光调阻和溅射成膜等工艺技术制成。铂电阻的阻值能够随着温度的变化而近似线性变化，具有良好的温度重现性和测试稳定性。本文采用的是温度传感器探头如图1-2所示。

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图1-2温度传感器探头图

常用的铂膜温度传感器

图1-3 温度传感器探头图

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铂膜温度传感器技术指标

铂膜温度传感器的技术指标见下表 1.铂电阻的技术指标

2.热响应时间

在温度出现阶跃变化时，铂电阻的输出变化至量程变化50%所需要的时间成为热响应时间，用T0.5表示。

3.铂电阻绝缘电阻

常温绝缘电阻的试验电压可取直流 10～100V 任意值，环境温度在15～35℃范围内，相对湿度应不大于 80%，常温绝缘电阻值应大于 100M。

4.铂电阻允许通过电流

通过铂电阻的测量电流最大不应超过 1mA。5.公称压力

一般是指在长温下，保护管所能承受的不至于破裂的静态外压，承压数值的大小同保护管的材料，直径，壁厚，焊接强度等密切相关。

温度传感器是指检测外界温度的传感器，它将所测环境中的温度信号转换为便于处理，显示，记录的电（频率）信号等，在很多领域都有普遍的应用。

温度传感器从使用角度大致可分为接触式和非接触式两大类。前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来检测被测物体温度的变化，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离。检测从待测物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比之下运用较多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用。它是利用转换元件电磁参数随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置，其中将温度变化转换为电阻变化的称热电阻传感器，金属热电阻式传感器简称热电阻，半导体热电阻式传感器简称热敏电阻，将温度变化转换为电动势变化的称为热电偶传感器。

温度检测采用的最基本的是热电偶式和热敏电阻式。热电偶式应用广泛，价格便宜而且耐用，种类多，能够覆盖非常宽的温度范围，最高温度可达到2000℃。所以本文设计选择热敏电阻，该传感器主要随温度的变化阻值发生变化，主要测量范围为-200℃～ 500℃温度范围内测量。其温度系数大而且稳定，反应速度快，工艺价格低，测温环境稳定。

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传感器的内部结构

在传感器中间沉积了过渡层氧化镍,同时为了提高铂薄膜的焊接连接特性,在镍薄膜上面又沉积了铜薄膜作为导线层,最后在最外层沉积了三氧化二铝薄膜作为保护膜,起到绝缘保护的作用,其膜系结构设计如图所示：

由于三氧化二铝的绝缘特性和高硬度、高稳定性等特点,可以避免传感器层和铜导线层的氧化,同时也可以保证传感器的耐腐蚀和耐冲击,从而保证传感器长期稳定地工作。

设计小结

利用铂薄膜的温度电阻特性以及磁控溅射镀膜技术设计并制备了薄膜热阻型温度传感器,得到的薄膜传感器在-200到600摄氏度之间有极高的线性度和稳定性,并且通过对不同工艺参数的分析得到了最佳的制备铂薄膜的工艺参数:工作压强0.6 Pa,靶基距60 mm,电源功率120 W。通过对退火温度的对比分析得到了铂薄膜最佳的退火温度为400℃,退火时间为2 h,这些都为制备更为稳定精度更高的铂薄膜温度传感器奠定了良好的基础。

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第四篇：传感器的应用和设计

传感器的设计与应用

王皓 信息114 32311416 摘要：随着科学技术的发展，电子技术特别是微电子技术的发展，促进了传感与检测技术的迅速发展，其应用领域也在迅速扩大，从人们日常生活的衣食住行到各种复杂的工程系统随处都可以看到传感与检测技术的实际应用压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用

关键词:传感器;设计;应用

The design and application of the

transducer

Wanghao Information 114 32311416 Abstract：With the development of science and technology, the development of electronic technology, microelectronics technology in particular, promoted the rapid development of the sensor and detection technology, its application fields are also expanding rapidly, from the daily life of People's Daily life to all kinds of complicated engineering system everywhere can see sensing and detection technology in the practical application of pressure sensor is a industrial practice is most commonly used one kind of sensor, its widely used in various industrial control environment, involved in water conservancy and hydropower, railway transportation, intelligent buildings, production control, aerospace, military industry, petrochemical, oil, electric power, ships, machine tools, pipe, and many other industries, the following is a brief introduction some commonly used sensor principle and its application Key words: Sensor;Design;Application

一、应变片压力传感器原理与应用

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是 A/D转换和CPU）显示或执行机构。它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。1.1电阻应变片的工作原理

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

二、电阻应变式传感器---称重传感器

原理：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。电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。称重传感器可以采用两种不同的输入、输出接线方法：一种是四线制接法，另一种是六线制接法(如图1所示).四线制接法的称重传感器对二次仪表无特殊要求,使用起来比较方便,但当电缆线较长时,容易受环境温度波动等因素的影响;六线制接法的称重传感器要求与之配套使用的二次仪表具备反馈输入接口,使用范围有一定的局限性,但不容易受环境温度波动等因素的影响,在精密测量及长距离测量时具有一定的优势。

在称重设备中，四线的传感器用的比较多，如果要将六线传感器接到四线传感器的设备上时，可以把反馈正和激励正接到一起，反馈负和激励负，接到一起。信号线要注意一点就是，红色和白色在两种类型的传感器上对应的输出信号是不一样的。

三、陶瓷压力传感器原理及应用

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度 >2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

四、电容式传感器---液位传感器

原理：电容式液位传感器系统;它利用被测体的导电率, 通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化, 再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示,该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能, 并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。

五、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

六、电感式传感器---压力传感器

原理：电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成了一个磁路。当有压力作用时，气隙大小改变，即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压，电流会随着气隙的变化而变化，从而测出压力。在磁通密度高的场合，铁磁材料的导磁率不稳定，这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯，压力的变化导致磁性元件的移动，从而磁导率发生改变，由此得出压力值。

七、压电式传感器---薄膜传感器

原理：压电薄膜（PVDF）是一种独特的高分子传感材料，能相对于压力或拉伸力的变化输出电压信号，因此是一种理想的动态应变片，可加工成为高效可靠、低成本的振动传感器、加速度计或动态开关，也可作为高音频(>1kHz)至超声波(可高达100MHz)的高保真传感器。

八、蓝宝石压力传感器原理与应用

利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

九、热电式传感器---红外测温仪

原理：是利用红外辐射的热效应，通过温差电效应、热释电效应和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射，间接地测量辐射红外光物体的温度。

十、压电压力传感器原理与应用

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

十一、光导纤维传感器---分布式温度光纤传感器

原理：单片机接收（数据采集卡ＤＳＰ）的信号，确认需要输出的载波信号频率，然后向直接数字合成器（ＤＤＳ）发送指令，直接数字合成器接收该指令后，输出对应频率的正弦波信号，信号经过ＬＤ激光器后得到调制激光，该激光信号分为两路，一路直接输入雪崩二极管ＡＤＤ２，另一路经耦合器后进入传感光纤，即为激光沿测温光纤向前传播的通道。同时耦合器还有一路回波，即反斯托克斯喇曼背向散射光回波通道。

十二、激光传感器原理

激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1，在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 为普朗克常数，v 为光子频率。反之，在频率为v 的光的诱发下，处于能级E2 的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布),就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v 的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生大的受激辐射光，简称激光。激光具有3 个重要特性。

高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米。

高单色性，激光的频率宽度比普通光小10 倍以上。高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度

十三、智能传感器---智能温度传感器

原理：各检测单元能独立完成各自功能，并根据主控机的指令对温湿度进行实时采集。主控机负责控制指令的发送，并控制各个检测单元进行温度采集，收集测量数据，同时对测量结果进行整理和显示。其中包括单片机、复位电路、温度检测、报警电路、键盘及显示、报警电路等部分。

低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

下面详细介绍下BP01型压力传感器及其在便携式电子血压计中的应用

概述

BP01型压力传感器是为监测血压而专门设计的,主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装,具有高线性、低噪声和外界应力小的特点;采用内部标定和温度补偿方式,从而提高了测量的精度、稳定性以及可重复性,在全量程范围内,精度为±1%,零点失调不大于±300μV。BP01的主要性能参数

BP01的内部等效电路和外形封装如图1所示;表1所列为BP01在电源电压Vs为5.0V、环境温度TA为25℃时的主要性能参数。

BP01的极限参数如下： ·最大工作电压：20VDC;·最大耐压：1500 mmHg;·工作温度范围：0～70℃;·引脚焊接温度（最大值）：250℃（2～4秒）。基于BP01的电子血压计

3.1工作原理

用BP01构成的便携式电子血压计的原理电路如图2所示,它由偏置电源电路（A1、A2）、前置处理电路（A3～A6）、显示电路（A7）和压力传感器（BP01）组成,该血压计的血压测量范围为0～200mmHg,分辨率为0.1mmHg,工作电源为一节9V迭层电池。现将血压计中各主要电路的工作原理分述如下： a.偏置电源电路

电源电路由带有内置参考电压的双运放LM10组成,A1构成同相放大器,A2构成跟随器,它们的作用是将内置的参考电压放大后用作压力传感器BP01的偏置电压Vs,其Vs的值由下式决定：Vs=Vref（1+R2/R3）

式中：Vref为LM10的内置参考电压。其值为200mV,将此值连同电路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置电压Vs的值为5V。

b.前置处理电路

前置处理电路由A3～A6四个运算放大器组成,其中A3构成失调偏置电路以对电路失调进行补偿;A5构成跟随器,用于对压力传感器BP01的输出信号进行隔离缓冲;A4、A6构成放大电路,其增益AV由下式决定： AV=1+（R1/RT）

若忽略失调,前置处理电路的输出电压Vout为：Vout=2（1+R1/RT）VIN 式中：VIN为压力传感器BP01的输出电压。c.显示电路

显示电路选用三位半的显示驱动器。工作时,压力传感器BP01的输出经前置处理电路放大后,由显示驱动电路来驱动LCD,以读出测量的血压值。3.2调试方法

a.零压输出调整

在零压输出时,调整失调电位器RP1,在血压计的显示值为000.0时,即可认为完成了零压输出调整。

b.前置电路增益的调整

压力传感器BP01的满量程输出与偏置电压有一定的关系,当5V偏置时,在200mmHg压力下的输出为10mV,其对应的显示驱动电路的输入为200mV,因此前置电路的增益AV为200mV/10mV,这样,利用前面Av的计算公式即可反推出增益电阻RT的值。若选取电阻R1为10kΩ,则增益电阻RT应为1.1kΩ。调试时可先用电位器调整输出值,再用万用表测出该电位器的阻值,最后再换成固定电阻。

c.满量程调整

满量程调整时,先在显示电路的输入端加上200mV电压,然后调整电位器RP2,使其读数为199.9mmHg即可。

上调整完成之后,一般应多重复几次,以使显示值可靠地符合精度要求。3.3元器件的选择

为保证测量精度,上述电路的外围元器件的选择也是一个不容忽视的重要环节。一般情况下,电位器RP1、RP2应选用1%精度的金属膜多圈电位器;电阻应选用1%精度的金属膜电阻器;电容一般选用聚脂薄膜或者云母电容。

致谢

传感器的种类和作用多种多样，也有不同的形式，上面介绍的只是冰山一角现在的传感器多的让人数不过来，有些看到后还会让人大吃一惊，感觉相当奇妙，一个好的传感器，关键是要有好的电路设计和思路，这样才能设计出好的传感器，才会有更好的应用。参考文献

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第五篇：传感器原理及应用结课论文

《传感器原理及应用》

结课论文

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1.传感器的地位和作用

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。它是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件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。

在生活中人的五官分别产生视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉，但是在研究自然界的现象和规律及生产活动中，人的五官运动不够，这就需要传感器来检测人们的器官所不能感知的现象。人们把与人的“五官”相似的部分称为“电五官”。

现代科学技术使人类社会进入了信息时代，来自自然界的物质信息都需要通过传感器进行采集才能获取。如图1-1所示，人们把电子计算机比作人的大脑，把传感器比作人的五种感觉器官，执行器比作人的四肢。尽管传感器与人的感觉器官相比还有许多不完善的地方，但传感器在诸如高温、高湿、深井、高空等环境及高精度、高可靠性、远距离、超细微等方面所表现出来的能力是人的感官所不能代替的。传感器的作用包括信息的收集、信息数据的交换及控制信息的采集三大内容

1.1传感器的应用有以下几个方面

1)传感器在工业检测和自动控制系统中的应用

在石油、化工、电力、钢铁、机械等工业生产中需要及时检测各种工艺参数的信息，通过电子计算机或控制器对生产过程进行自动化控制，如下图所示，传感器是任何一个自动控制系统必不可少的环节。

2)传感器在汽车中的应用



目前，传感器在汽车上不只限于测量行驶速度、行驶距离、发动机旋转速度以及燃料剩余量等有关参数，而且在一些新设施中，如汽车安全气囊、防滑控制等系统，防盗、防抱死、排气循环、电子变速控制、电子燃料喷射等装置以及汽车“黑匣子”等都安装了相应的传感器。美国为实现汽车自动化，曾在一辆汽车上安装了90多只传感器去检测不同的信息。

3)传感器在家用电器中的应用



现代家庭中，用电厨具、空调器、电冰箱、洗衣机、电子热水器、安全报警器、吸尘器、电熨斗、照相机、音像设备等都用到了传感器。

4)传感器在机器人中的应用



在生产用的单能机器人中，传感器用来检测臂的位置和角度； 在智能机器人中，传感器用作视觉和触觉感知器。在日本，机器人成本的二分之一是耗费在高性能传感器上的。

5)传感器在医学中的应用

在医疗上，应用传感器可以准确测量人体温度、血压、心脑电波，并帮助医生对肿瘤等进行诊断

6)传感器在环境保护中的应用

为了保护环境,研制用以监测大气、水质及噪声污染的传感器,已被世界各国所重视。

7)传感器在航空航天中的应用



飞机、火箭等飞行器上，要使用传感器对飞行速度、加速度、飞行距离及飞行方向、飞行姿态进行检测。

8)传感器在遥感技术中的应用



在飞机及卫星等飞行器上，利用紫外、红外光电传感器及微波传感器来探测气象、地质等信息。在船舶上，利用超声波传感器进行水下探测。

9)传感器在军事方面的应用

利用红外探测可以发现地形、地物及敌方各种军事目标。红外雷达具有搜索、跟踪、测距等功能，可以搜索几十到上千千米的目标。红外探测器在红外制导、红外通信、红外夜视、红外对抗等方面也有广泛的应用。

传感器技术不仅对现代化科学技术、现代化农业及工业自动化的发展起到基础和支柱的作用，同时也被世界各国列为关键技术之一。可以说“没有传感器就没有现代化的科学技术，没有传感器也就没有人类现代化的生活环境和条件”，传感器技术已成为科学技术和国民经济发展水平的标志之一。

2.压力传感器及其应用

压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件(或应变计)组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。压力传感器在安全控制系统中经常应用，主要针对的领域是空压机自身的安全管理系统。在安全控制领域有很多传感器应用，压力传感器作为一种非常常见的传感器，在安全控制系统中应用也不足为奇。

在安全控制领域应用一般从性能方面来考虑，从价格上的考虑，还有从实际操作的安全性方便性来考虑，实际证明选择压力传感器的效果非常好。压力传感器利用机械设备的加工技术将一些元件以及信号调节器等装置安装在一块很小的芯片上面。所以体积小也是它的优点之一，除此之外，价格便宜也是它的另一大优点。在一定程度上它能够提高系统测试的准确度。在安全控制系统中，通过在出气口的管道设备中安装压力传感器来在一定程度上控制压缩机带来的压力，这算是一定的保护措施，也是非常有效的控制系统。当压缩机正常启动后，如果压力值未达到上限，那么控制器就会打开进气口通过调整来使得设备达到最大功率。

3.谐振式传感器

谐振式传感器是指利用谐振原理将被测量变化转换成谐振频率变化的传感器。基于谐振技术的谐振式传感器，自身为周期信号输出（准数字信号），只用简单的数字电路即可转换为微处理器容易接受的数字信号。谐振式传感器的重复性、分辨率和稳定性等非常优良，又便于和微处理器直接结合组成数字控制系统，是当今人们研究的重点。

3.1谐振式传感器的优点与应用

谐振式传感器具有体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高以及便于数据传输、处理和存储等优点。主要用于测量压力，也用于测量转矩、密度、加速度和温度等。

3.2谐振式传感器的特征优势

相对其它类型的传感器，谐振式传感器的本质特征与独特优势是：

① 输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而解算出来。这一特征决定了谐振式传感器便于与计算机连接，便于远距离传输；

② 传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特征决定了传感器系统的输出自动跟踪输入；

③ 谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的谐振特性，决定其具有高的灵敏度和分辨率；

④ 相对与谐振子的振动能量，系统的功耗是极小量。这一特征决定了传感器系统的抗干扰性强，稳定性好

3.3谐振式传感器的种类

按谐振元件的不同，谐振式传感器可分为振弦式、振筒式、振梁式、振膜式和压电谐振式等。

（1）振弦式传感器

以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小,通过相应的测量电路,就可得到与拉力成一定关系的电信号。振弦的固有振动频率f与拉力T的关系为，式中l为振弦的长度，ρ为单位弦长的质量。振弦的材料与质量直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性。钨丝的性能稳定、硬度、熔点和抗拉强度都很高,是常用的振弦材料。此外,还可用提琴弦、高强度钢丝、钛丝等作为振弦材料。振弦式传感器由振弦、磁铁、夹紧装置和受力机构组成。振弦一端固定、一端连接在受力机构上。利用不同的受力机构可做成测压力、扭矩或加速度等的各种振弦式传感器。（2）振筒式传感器

以振动的金属薄圆筒为敏感元件的谐振式传感器。振筒的固有振动频率决定于筒的形状、大小、材料的弹性模量、筒的应力和周围介质的性质。被测参量的变化使得筒的某一物理特性被改变，从而改变了筒的固有振动频率，通过测量筒的振动频率即可达到测量被测参量的目的。振筒式传感器已经发展到较高水平，主要用于测量气体压力和密度等（3）振梁式传感器

以弹性梁为敏感元件的谐振式传感器。振梁的固有振动频率随它两端所受的力而变化，通过相应的测量电路就可获得与被测力成一定关系的频率信号。振梁一般连接于弹性受力机构上以感受被测压力。振梁式传感器用于测量静态或缓变压力。（4）振膜式传感器

以圆形恒弹性合金膜片为敏感元件的谐振式传感器。膜片的固有振动频率随膜片上所受压力的变化而变化，通过相应的测量电路就可获得与被测压力成一定关系的频率信号。振膜式传感器广泛用于压力测量，它由空腔、压力膜片、振动膜片、激励线圈、拾振线圈和放大振荡电路组成。在空腔受压力影响时,压力膜片即发生变形,装在压力膜片支架上的振膜则因支架角度改变而发生刚度变化。膜片的振动频率取决于振膜的刚度、压力膜片和支架的刚度。在振膜的两侧分别放置激励线圈和拾振线圈。工作时，激励线圈接通交变电流而使膜片产生振动，拾振线圈则将所感应的振动信号送往放大振荡电路，该信号经放大后又正反馈给激励线圈，使振膜保持它固有频率的振动。激励线圈和拾振线圈还可以用两个压电元件代替，其结构也可做成使振膜直接感受被测压力。作为拾振器的压电元件利用正压电效应将振动信号送往放大器，该信号经放大后又正反馈到作为激振器的压电元件，利用逆压电效应产生振动激励以维持膜片的振动。为提高稳定性，压电元件的固有振荡频率应远离振膜的固有振荡频率，并设置高频衰减网络抑制高频振荡。

3.4谐振式传感器设计要点

（1）谐振子的选择及其振动特性（即振动模态，包括谐振频率和振型）的分析、计算，确定谐振子的实际结构、参数及所敏感的振动特征参数。这部分工作的核心是建立谐振式传感器的模型，优化出一个高Q值、高灵敏度的谐振子；

（2）检测源、激励源的选择以及谐振子的配合问题。主要包括它们与谐振子的相对位置的选择与激励能量大小的确定；

（3）检测信号的接收、处理、转换及按幅相条件设计的。对于灵敏频率的谐振式传感器要在满量程内综合考虑，而敏感幅值比、相位差的谐振式传感器要合理设计出“双闭环”系统，并选择好参考位置。

（4）引入恰当的补偿机制，解算检测信号，给出被测量。