传感器设计论文

第一篇：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

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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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第二篇：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。

第三篇：机器人传感器论文

机器人技术基础论文

学校: 班级： 学生：

机器人传感器

摘要：

机器人的控制系统相当于人类大脑，执行机构相当于人类四肢，传感器相当于人类的五官。因此，要让机器人像人一样接收和处理外界信息，机器人传感器技术是机器人智能化的重要体现。Abstract：

Robot control system is equivalent to the human brain, actuators equivalent to human limbs, sensor is equivalent to the human facial features.Therefore, to make robots like people receive and process information from outside, robot sensor technology is the important embodiment of intelligent robots.关键词：机器人 传感器 内部 外部

正文：

传感器是机器人完成感觉的必要手段，通过传感器的感觉作用，将机器人自身的相关特性或相关物体的特性转化为机器人执行某项功能时所需要的信息。根据传感器在机器人上应用的目的和使用范围不同，可分为内部传感器和外部传感器。

内部传感器用于检测机器人自身状态（如手臂间角度、机器人运动工程中的位置、速度和加速度等）；外部传感器用于检测机器人所处的外部环境和对象状况等，如抓取对象的形状、空间位置、有没有障碍、物体是否滑落等。

机器人用内、外传感器分类

传感器 位置 速度 加速度 检测内容 位置、角度 速度 加速度 接触 把握力 荷重

触觉 分布压力 多元力 力矩 滑动 接近

接近觉 间隔 倾斜平面位置

视觉 距离 形状 缺陷

听觉 嗅觉 味觉 声音 超声波 气体成分 味道

检测器件

电位器、直线感应同步器 角度式电位器、光电编码器 测速发电机、增量式码盘 压电式加速度传感器 压阻式加速度传感器 限制开关

应变计、半导体感压元件 弹簧变位测量器

导电橡胶、感压高分子材料 应变计、半导体感压元件 压阻元件、马达电流计 光学旋转检测器、光纤

应用

位置移动检测 角度变化检测 速度检测 加速度检测 动作顺序控制 把握力控制

张力控制、指压控制 姿势、形状判别 装配力控制 协调控制 滑动判定、力控制

光电开关、LED、红外、激光 动作顺序控制 光电晶体管、光电二极管 电磁线圈、超声波传感器 摄像机、位置传感器 测距仪 线图像传感器 画图像传感器 麦克风 超声波传感器

气体传感器、射线传感器 离子敏感器、PH计

障碍物躲避

轨迹移动控制、探索 位置决定、控制 移动控制 物体识别、判别 检查，异常检测 语言控制（人机接口）导航 化学成分探测

机器人传感器的要求和选择

机器人传感器的选择取决于机器人工作需要和应用特点，对机器人感觉系统的要求时选择传感器的基本依据。机器人传感器的选择的一般要求：

 精度高、重复性好；  稳定性和可靠性好；  抗干扰能力强；

 重量轻、体积小、安装方便。

内部传感器

位移传感器

按照位移的特征，可分为线位移和角位移。

线位移是指机构沿着某一条直线运动的距离，角位移是指机构沿某一定点转动的角度。（1）电位器式位移传感器

电位器式位移传感器由一个线绕电阻（或薄膜电阻）和一个滑动触点组成。其中滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时，滑动触点也发生位移，从而改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值，根据这种输出电压值的变化，可以检测出机器人各关节的位置和位移量。（2）直线型感应同步器

直线感应同步器的组成是由定尺和滑尺组成。定尺和滑尺间保证与一定的间隙，一般为0.25mm左右。在定尺上用铜箔制成单项均匀分布的平面连续绕组，滑尺上用铜箔制成平面分段绕组。绕组和基板之间有一厚度为0.1mm的绝缘层，在绕组的外面也有一层绝缘层，为了防止静电感应，在滑尺的外边还粘贴一层铝箔。定尺固定在设备上不动，滑尺则可以再定尺表面来回移动。（3）圆形感应同步器

圆形感应同步器主要用于测量角位移。它由钉子和转子两部分组成。在转子上分布着连续绕组，绕组的导片是沿圆周的径向分布的。在定子上分布着两相扇形分段绕组。定子和转子的截面构造与直线型同步器是一样的，为了防止静电感应，在转子绕组的表面粘贴一层铝箔 绝对速度传感器

绝对速度传感器，图4-11为国产CD-1型绝对速度传感器的结构图。途中磁钢6借铝架5固定在壳体4内，并通过壳体形成磁回路。线圈2和阻尼环3安装在芯杆2上，芯杆用弹簧1和8支承在壳体内，构成传感器的活动部分。当传感器的壳体与振动物体一起振动时，如振动的频率较高，由于芯杆组件的质量很大，故产生的惯性力也大，可以阻止芯杆随壳体一起运动。当振动频率高到一定程度时，可以认为芯杆组件基本不动，只是壳体随被测物体振动。这时，线圈以物体的振动速度切割磁力线而在线圈两端产生感应电压。并且线圈输出的电压与线圈相对可替代运动速度成正比。当振动速度高到一定程度时，线圈与壳体的相对速度就是被测振动物体的绝对速度。加速度传感器

电动式速度传感器的结构它由轭铁。永久磁铁、线圈及支承弹簧所组成。由电磁感应定律可知，穿过线圈的磁通量随时间变化时，在线圈两端将产生与磁通量中减少速率成正比的电压U，可表示为：

Ud dt如果线圈沿着与磁场垂直的方向运动，在线圈中便可产生与线圈速度成正比的感应电压，通过测量电路测得其电压的大小，便可得出速度的大小。压电式加速度传感器

它也称为压电式加速度计，他是利用压电效应制成的一种加速度传感器。常见的结构形式有基于压电元件厚度变形的压缩式加速度传感器、基于压电元件剪切变形的剪切式和复合型加速度传感器。

机器人外部传感器

力或力矩传感器

机器人在工作时，需要有合理的握力，握力太小或太大都不合适。力或力矩传感器的种类很多，有电阻应变片式、压电式、电容式、电感式以及各种外力传感器。力或力矩传感器通过弹性敏感元件将被测力或力矩转换成某种位移量或变形量，然后通过各自的敏感介质把位移量或变形量转换成能够输出的电量。机器人常用的力传感器分以下三类。i.装在关节驱动器上的力传感器，称为关节传感器。它测量驱动器本身的输出力和力矩。用于控制中力的反馈。ii.装在末端执行器和机器人最有一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。它直接测出作用在末端执行器上的力和力矩。

装在机器人手爪指（关节）上的力传感器，称为指力传感器，它用来测量夹持物体时的受力情况。触觉传感器 人的触觉包括接触觉、压觉、力觉、冷热觉、滑动觉、痛觉等。在机器人中，使用触觉传感器主要有三方面的作用： i.使操作动作使用，如感知手指同对象物之间的作用力，便可判定动作是否适当，还可以用这种力作为反馈信号，通过调整，使给定的作业程序实现灵活的动作控制。这一作用是视觉无法代替的。ii.识别操作对象的属性，如规格、质量、硬度等，有时可以代替视觉进行一定程度的形状识别，在视觉无法使用的场合尤为重要。iii.用以躲避危险、障碍物等以防事故，相当于人的痛觉。

接近觉传感器

接近觉是指机器人能感觉到距离几毫米到十几厘米远的对象物或障碍物，能检测出物体的距离、相对倾角或对象物表面的性质。这就是非接触式感觉。滑觉传感器

机器人要抓住属性未知的物体时，必须确定自己最适当的握力目标值，因此需检测出握力不够时所产生的物体滑动。利用这一信号，在不损坏物体的情况下，牢牢抓住物体。为此目地设计的滑动检测器，叫做滑觉传感器。视觉传感器

每个人都能体会到，眼睛对人来说多么重要。有研究表明，视觉获得的信息占人对外界感知信息的80%。人类视觉细胞数量的数量级大约为106，时听觉细胞的300多倍，时皮肤感觉细胞的100多倍。人工视觉系统可以分为图像输入（获取）、图像处理、图像理解、图像存储和图像输出几个部分，实际系统可以根据需要选择其中的若干部件。听觉传感器

智能机器人在为人类服务的时候，需要能听懂主人的吩咐，需要给机器人安装耳朵，首先分析人耳的构造。

声音是由不同频率的机械振动波组成，外界声音使外耳鼓产生振动，中耳将这种振动放大、压缩和限幅、并抑制噪声。经过处理的声音传送到中耳的听小骨，再通过卵圆窗传到内耳耳蜗，由柯蒂氏器、神经纤维进入大脑。内耳耳蜗充满液体，其中有30000各长度不同的纤维组成的基底膜，它是一个共鸣器。长度不同的纤维能听到不同频率的声音，因此内耳相当于一个声音分析器。智能机器人的耳朵首先要具有接受声音信号的器官，其次还需要语音识别系统。

在机器人中常用的声音传感器主要有动圈式传感器和光纤声传感器。味觉传感器

味觉是指酸、咸、甜、苦、鲜等人类味觉器官的感觉。酸味是由氢离子引起的。比如盐酸、氨基酸、柠檬酸；咸味主要是由NaCl引起的；甜味主要由蔗糖、葡萄糖等引起的，苦味是由奎宁、咖啡因等引起的；鲜味是由海藻中的谷氨酸钠、鱼和肉中的肌酐酸二钠、蘑菇中的鸟苷酸二钠等引起的。在人类的味觉系统中，舌头表面味蕾上的味觉细胞的生物膜可以感受味觉。味觉物质被转换为电信号，经神经纤维传至大脑。味觉传感器与传统的、只检测某种特殊的化学物质的化学传感器不同。目前某些传感器可以实现对味觉的敏感，如PH计可以用于酸度检测、导电计可用于碱度检测、比重计或屈光度计可用于甜度检测等。但这些传感器智能检测味觉溶液的某些物理、化学特性，并不能模拟实际的生物味觉敏感功能，测量的物理值要受到非味觉物质的影响。此外，这些物理特性还不能反应各味觉之间的关系，如抑制效应等。

实现味觉传感器的一种有效方法是使用类似于生物系统的材料做传感器的敏感膜，电子舌是用类脂膜作为味觉传感器，能够以类似人的味觉感受方式检测味觉物质。从不同的机理看，味觉传感器大致分为多通道类脂膜技术、基于表面等离子体共振技术、表面光伏电压技术等，味觉模式识别是由最初神经网络模式发展到混沌识别。混沌是一种遵循一定非线性规律的随机运动，它对初始条件敏感，混沌识别具有很高的灵敏度，因此应用越来越广。目前较典型的电子舌系统有新型味觉传感器芯片和SH—SAW味觉传感器。

总结：

传感器对于机器人有着至关重要的作用，通过对各种机器人传感器的学习和了解，我对机器人各种传感器有了一个新的认识，使我获益匪浅，为我以后这方面的学习打下了坚定的基础。

参考文献：（1）《机器人技术基础》，刘极峰

（2）《机器人传感器及其应用》，高国富，谢少荣（3）《传感器及其应用》，谢文和

第四篇：传感器的优化设计论文

1结构解耦优化设计

根据上面的原理可知，基于Stewart结构的六维力传感每一个支路如果只受到拉压方向的力，则测量的结果将比较准确，如果有耦合力进入该支路传感器，则由于耦合的影响，传感器的精度会降低，并且耦合因素是降低传感器精度的一个重要原因，因此，就需要设计合理的结构将耦合应力影响降到最小，从而提高测量精度。本文在结构解耦设计上，主要在2个方面进行改进:一是尽量减少耦合力的引入;另一方面是尽量提高结构的抗耦合能力。

1．1支路去耦结构优化设计

传感器维间耦合的产生是在主测量载荷作用时会伴随着非测量方向载荷的干扰影响。根据Stewart六维力传感器的特点与工作原理，传感器耦合形式主要是各支路传感器会受到额外的弯曲和沿轴线的扭转作用。对此，本文设计了一种支路传感器去耦结构可以很好地减小耦合扭曲、弯曲的影响。它由球头球窝组件、十字槽链接杆部件等部分构成，如图2所示。设计思路如下:1)将传统的球铰面接触改为锥头球窝的点接触，连接杆一端为锥状半球型，套入在半球形的窝中，基本实现点接触，这样，在对传感器施加力时，力比较集中，大大减小了杂散力的影响，提高了载荷传递的稳定性，并且通过接触面的减小降低了耦合影响。2)在连接杆上加工可等效为弹性铰链的正交十字槽结构，当有弯曲力矩施加到支路传感器上时，由于有弹性铰链效应，弯曲力矩的影响将会大大减小，使得力传递基本上按照设计的方向进行，力的传递越集中，传感器的精度就越高。

1．2支路传感器优化设计

为了提高传感器整体抗耦合性，各支路传感器结构须具有很好抗扭、抗弯曲能力。本文根据力学分析，将板环结构改为圆环内嵌十字梁结构，圆环内嵌十字梁结构集合了板环结构线性好、输出灵敏度高、刚性好的优点，同时具备工作区应变稳定、对称、抗弯曲、抗扭转等特性。其力学模型如图3所示。圆环内嵌十字梁结构测量的是梁上的拉/压应力，当环受拉向或压向载荷作用时，垂直与水平直径位移方向相反，在十字梁的根部(图3(b)中1，2，3，4处)会产生弯曲和拉伸两类变形，其中拉伸应变可通过全桥接线测量，环上的弯曲应力具有很好的对称性，因此，传递到梁上的工作应变为纯拉/压应变，工作应变区如图3(b)的1，2，3，4处。本文利用Solidworks软件为对优化前后样机进行仿真受力分析，比较工作区应变，验证优化结构的合理性。仿真时对优化前后的传感器都进行装配体受力分析，严格按照实际参数(材料、约束、配合、载荷)进行仿真。载荷施加方法:在轴向载荷基础上附加额外的弯矩与扭矩，测试其对工作应变区影响。两结构施加载荷大小、方向、作用点都一致，其中对于扭矩加力，是直接施加于上端铰座面上;对于弯矩加力，是在同一面上施加侧向力荷来等效，如图4。根据仿真的结果，得到的数据由表1所示。由仿真数据可得:1)优化后支路传感器的抗耦合力矩能力明显强于未优化传感器的抗耦能力。比如:在附加100力矩时，优化后的传感器其微应变值增加了(1105－951)×10－6=154×10－6，而未优化的传感器微应变值增加了(1510－956)×10－6=554×10－6，因此，优化后的结构其抗扭能力大大加强。2)优化后支路传感器的抗侧向力的能力明显强于未优化传感器的抗侧向能力。比如:在附加测向力为200N时，优化后的传感器其微应变值增加了(1215－951)×10－6=264×10－6，而未优化的传感器微应变值增加了(1460－956)×10－6=504×10－6，因此，新结构抗侧向力效果明显。2．3支路传感器的优化结构根据以上的分析结果，新的支路传感器利用了各种去耦方式，得到的总体结构如图5所示。

2六维力传感器的标定

依据要研制的传感器量程和精度，设计了相应的标定系统，该系统的实现主要是通过比对的方法来进行，在施加力的路径上串联一个高精度的S型传感器，精度为0．03%，满足本系统要求。将优化前后传感器在完全相同的试验条件下进行加载并记录测量结果，利用线性解算法求解各自的映射关系矩阵，最后验证比对测量精度。试验标定过程中对传感器6支路通道依次进行标定，每路各取不少于6个标定点，并进行递增、递减加载各3次，然后对递增、递减的标定数据进行均值化处理即为最终的标定数据。对于六维力传感器，解耦的优劣和传感器的精度息息相关，一个方向的加载很难对传感器的解耦能力做出全面的评价，截至目前为止，大部分的论文只是在试验时只是加载了一维力，只有个别的文章提及到二维加载［11］，还没有三维加载的试验数据。本文为了验证传感器的耦合情况，进行了三维复合加载，标定数据见表2～表4。

3结束语

本文设计了一种基于AT89S52单片机和DS18B20数字温度传感器的温度采集报警系统，对软硬件设计进行详细说明。该设计具有结构简单、精度高和稳定性好等优点，适用于粮仓、电力机房、轴瓦、空调、冰箱和工农业等领域，DS18B20单总线和多点式测温特点使其扩展性加强，具有广阔的市场前景。

第五篇：一种基于传感器的智能谷仓的设计论文

提出了一套应用于谷物储存的智能谷仓设计方案，通过特定传感器和计算机程序，对进出谷仓的谷物的重量变化和位置分布进行精确估计，并通过无线局域网上传谷仓内谷物或粮食的进仓时间及位置分布到储粮调度服务器，实现谷物进出仓优化调度，通过智能传感器并利用专家知识对谷仓内储存的谷物状态进行评估，调节仓内温度湿度并及时报警，防止谷物霉变和因储存时间过长形成陈化粮，对于保证粮食安全以及优化粮食调度具有积极意义。

粮食储存过程中的质量保障是关系到国家稳定发展的重要问题。近年来发生的陈化粮流入市场等不良事件已经成为现阶段困扰我国食品安全和社会稳定的一个重要问题，对我国的粮食供应和人民健康构成严重威胁[1]。

与此同时，谷物(粮食的一种主要形态)的储存管理十分繁杂，不但耗费大量的人力和物力，而且涉及到一系列技术和设施。随着农业的发展，基于计算机网络的智能技术成为解决复杂事务管理的重要方向[2-4]。研究智能谷仓系统来实现粮食安全存储具有重要的现实意义。智能谷仓的功能及控制

1.1 智能谷仓的功能

作为谷物安全存储的设施，智能谷仓除了能够实现谷物的进仓、出仓和存放等普通谷仓的功能之外，还具有两个方面的特殊功能，一方面它可以自动感知仓内谷物的储存环境和谷物储存状态，如平均进仓时间、最长进仓时间、分批进仓的量和位置分布，仓内温度、湿度变化状况，仓内是否有霉变倾向等;另一方面它可以通过专家系统根据入仓谷物的类型、入仓时间、传感器采集的各项数据，运用知识库中的专家知识对仓内谷物的状况进行综合分析和评估。

在此基础上可以实现谷物入仓和出仓调度优化。通过智能传感器可以预知仓内谷物霉变风险，根据仓内谷物类型和最长储存时间预防谷物储存时间过长而形成成化粮。此外，通过计算机系统的统计和监测降低日常管理工作强度、提高工作效率。

1.2 谷物进仓出仓控制及统计

从物理结构上看，储存谷物的智能谷仓是一个具有一个入口和一个出口的封闭罐体和相应的控制系统组成。谷仓的物理结构如图1所示。该谷仓的出口和入口由电子系统控制，不能同时打开。当入口打开时，压力传感器和处理机进入工作状态，压力传感器不断将压力变化参数传给处理器。处理机将压力参数换算成仓内谷物重量并记录时间，按照比重和谷仓内径换算成仓内谷物分布图，当压力达到临界值时自动停止谷物输入。

与此类似，当出口打开时，压力传感器和处理机进入工作状态，压力传感器不断将压力变化参数传给处理器。处理机将压力参数换算成仓内谷物重量并记录时间，按照比重和谷仓内径换算成仓内谷物分布图，当压力降低到临界值时自动显示存量谷物重量并提示停止谷物输出。

1.3 谷物储存状态检测与管理

实施谷物存储管理依赖于谷仓内设置的各类传感器和知识库内的谷物储存知识。这些传感器包括电子鼻[5-6]及温度和湿度传感器。通过温度和湿度传感器获知舱内谷物的储存温度和湿度，再通过知识库提供该类谷物的特性相关知识，评估当前温度和湿度环境是否适应当前谷物的安全存储。

通过知识库中有关该类谷物储存周期评估谷物的存储安全时间周期。通过电子鼻等智能传感器检测仓内谷物是否有异常气味来确定仓内谷物是否有霉变倾向。

1.4 谷仓与服务器的通信

处理机通过无线局域网将谷仓的编号、物理位置、谷物分布数据及谷物进出的时间上传到粮库管理中心服务器中。管理中心可以及时查询谷物的储存时间和物理位置和重量等状况，为科学的储粮调度决策提供依据。

1.5 服务器中知识库的知识组成谷物类型知识，每种类型谷物存储期间发生霉变的原因以及防止霉变的措施，例如温度和湿度及通风等方面的要求、每种谷物的安全存储周期以及评估在存谷物质量的知识等。

1.6 服务器中谷物调度子系统

当新来谷物进仓时，记录和上传谷物的数量、类型和时间，服务器启动相应程序进行统计，以相同类型谷物放在临近谷仓或同一谷仓和保持同一个谷仓的谷物进仓时间差最小为原则，输出最佳进仓方案，这样有利于维持谷仓的储存环境管理。当有谷物出仓任务时，服务器启动相关程序，确定哪些谷仓的谷物适合出仓。在满足提取谷物在数量、类型和质量方面的要求前提下，尽可能将储存时间相对较长的谷物出仓，这样可以最大程度降低陈化粮的形成，防止管理上的失误造成仓内谷物因储存时间超期而形成陈化粮。传感器、处理机及服务器的功能

2.1 传感器

智能谷仓具有一系列传感器，一类用于仓内环境监测，如温度、湿度、气味。这些传感器安装在图1所示的传感器安装柱内，可按照不同高度和位置进行布设。安装柱本身还具有通气等功能，可以独立取出，便于维修。另一类用于谷物重量变化和仓门开闭监测，如压力及仓门位置等传感器。通过这两类传感器可以使得谷仓的存储环境及时得到监测。其中谷仓的气味传感器在最近几年中取得了很大的突破，该类智能传感器被称为电子鼻[5]，是一类专门为防止谷物霉变而研制的智能传感器，使得一旦谷物有霉变倾向，谷物必然产生异常气味，电子鼻通过其布置在谷仓内若干个传感器件以及其内部的专门针对谷物霉变的分析程序及时报警，为谷物的存储提供安全保障。

将这些传感器安装在谷仓的上中下三个层面可有效提高其对谷仓储存环境变化的敏感性。传感器的设置和位置选择如图1所示。仓内安装三组温度、湿度和气味传感器，用于实时探测谷仓内不同部位的温度、湿度、气味所处的范围;通过处理机内的程序进行平滑处理，获得仓内谷物储存环境的具体数值。传感器的安装如图3 所示。

2.2 处理机

数据处理和通信则由安装在谷仓的处理机来执行，它由嵌入式计算机、无线网卡及A/D和D/A转换模块组成，是智能谷仓的数据收集、发送及对采样数据进行预处理的执行机构。它从压力、电子鼻、温度和湿度等传感器获得参数并通过特定程序计算出谷物重量变化，从电子鼻获取检测信息进行预处理后发送至服务器，从湿度及温度传感器获取监测数据进行加权平均和噪声处理后通过无线局域网发送给服务器。此外，处理机还可以接收从服务器发来的指令，调节仓内空调、通风等设施的运行状态，维护仓内环境，适应谷物的存储。此外，处理机还通过A/D转换控制电机开启和关闭谷仓的出入口。其构成如图2所示。

压力传感器位于谷仓的底部，主要用于检测仓内谷物重量的变化。由于谷仓本身重量很大，采用减力杠杆的方式安装，在计算实际重量时将传感器获得的压力乘以杠杆的长度比就可以获得谷仓的实际重量。具体结构如图3所示。

2.3 服务器

服务器根据智能仓谷物发来的温度、湿度、重量、及电子鼻获得的参数，针对仓内储存的谷物的重量、类型、平均存储时间，利用特定的计算机程序计算出仓内增加或减少的谷物重量及各批次进入谷仓的谷物在谷仓内的分布状况及谷物在仓内堆积高度。通过近似的分布图展示在服务器界面上，使管理员可以在管理中心浏览各个谷仓的存储状况。

服务器利用其知识库内的专家知识，综合季节、天气等因素，评估仓内谷物是否具有霉变风险，评估仓内谷物的湿度及温度环境是否适应该类谷物的存储。如果不适应仓内谷物的存储，应调节仓内的温度和湿度及采取相应措施。并将这些数据通过无线网卡传送到主服务器。工作流程

3.1 处理机程序及工作流程

3.1.1 通信程序 每天定时将谷仓谷物所存谷物进入时间批次和每批次进入的重量发送给陈化粮监管服务器;定时将谷仓温度，湿度，气味参数传送给服务器。接收服务器发送来的温度、湿度调节指令，调节仓内储存环境。

3.1.2 谷物重量及分布位置 估算方法当有一批谷物进仓时，仓内谷物分布会发生改变，其估计公式如下：

进仓谷物净高度=谷物比重÷谷仓底面积;

谷物进入谷仓前谷物高度=谷物进入谷仓前重量÷谷仓底面积;

进仓谷物相对于谷仓底部高度=谷物进入谷仓前谷物高度+进仓谷物净高度;

进仓谷物分布范围=谷物进入谷仓前谷物高度-进仓谷物相对于谷仓底部高度;

当有一批谷物出仓时，仓内谷物分布会发生改变，其估计公式如下：

出仓谷物净高度=谷物比重÷谷仓底面积;

谷物进入谷仓前谷物高度=谷物出谷仓前重量÷谷仓底面积;

出仓谷物相对于谷仓底部高度=谷物出谷仓前谷物高度+出仓谷物净高度;

出仓谷物分布范围=谷物进入谷仓前谷物高度-出仓谷物相对于谷仓底部高度;

谷仓内谷物储存平均时间=(第1层谷物重量×第1层谷物存储时间+第2层谷物重量×第2层谷物存储时间+…第n层谷物重量×第内n层谷物存储时间)÷仓内谷物总重量;

出入口控制程序：当出口按钮通电时，检查入口是否处于关闭状态，如果处于关闭状态则启动开启电机打开谷仓出口;当入口按钮通电时，检查出口是否处于关闭状态，如果处于关闭状态则启动开启电机打开谷仓入口。

如果入口打开则处理器启动图4对应的程序流程图工作，如果出口打开则处理器启动图5边对应的程序流程图工作。通过对历次增加和减少的谷物重量的统计以及谷物的比重可以估算出谷仓内每次存入的谷物的重量和位置。由于采用先进先出的顺序，谷仓底部的谷物保存的时间最长，因此一旦某谷仓底部的谷物接近存放极限值，则服务器更具智能谷仓提供的数据可以及时向管理员报警。结语

智能谷仓的管理员通过服务器中的数据可及时掌握粮食储存状况：(1)共有多少谷物在储存。(2)保存时间1～3月的谷物量及位置分布，3～6月的谷物量及位置分布，7～9月的谷物量及位置分布。管理员可以根据粮食的储存状况优化出库顺序，防止谷物陈化事件发生，保障出仓谷物质量达到国家标准。

服务器知识库的建立需要有经验的专家进行密切配合，尤其是针对不同类型的谷物，发生霉变和陈化的诱因和时间有很大的差异，不能一概而论之;此外处于不同的地理位置，谷物的存储期间质量保证的措施也应当因地制宜，对于具体问题应当根据以往的经验形成针对性强的具体对策。

电子鼻的性能对于智能谷仓对谷物霉变的预防和监测非常重要，这类智能传感器目前还没有统一的国际或国家标准，因此在应用时应当根据所储存的谷物事先进行实验和校对，只有当试验结果符合预期时方能投入使用。