畢業(yè)論文----傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用及發(fā)展的研究

1、 畢 業(yè) 論 文題 目：傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用及發(fā)展的研究緒論作為機電一體化學生，將來工作學習都會以機電為主，所以必須對機電專業(yè)的相關知識有所了解，然而傳感器在機電一體化中占據(jù)了一定的地位。本文簡述了傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的作用及其地位，也講述了在機電一體化中常見的傳感器類型、特點、結構及用途等，還介紹了在機電一體化中傳感器的選擇指標以及傳感器在以后的發(fā)展方向和未來發(fā)展前景。傳感器作為信息集訓的一脈正在越來越廣泛的普及及發(fā)展到我國的各行各業(yè)各個領域，其中為使我國從勞動密集型向技術型轉化，必須利用其信息技術，即傳感器技術，使傳感器在工業(yè)自動化，農(nóng)業(yè)國防軍工，能源交通，家用電器等應用領域

2、均有其開發(fā)市場。在我國尤以傳感器技術的潛力最大。應用方面主要用于化學方面、環(huán)境保護方面、生物工程方面以及醫(yī)療衛(wèi)生方面等等。關鍵詞：傳感器 傳感器技術 應用領域 目 錄一、傳感器的基礎知識.4（一）、傳感器的定義和組成.4 （二）、傳感器的分類. 4（三）、常用傳感器的結構特點、及用途.4二、如何為機電一體化系統(tǒng)選擇傳感器（舉例說明）.6（一）、如何選擇傳感器.6（二）、霍爾式傳感器的結構、表現(xiàn)形式及應用.7三、機電一體化系統(tǒng)中傳感器的發(fā)展方向及未來發(fā)展前景.9（一）、現(xiàn)代傳感技術的發(fā)展方向.9（二）、未來發(fā)展前景.9四、結束語.10五、參考文獻.10一、傳感器的基礎知識（一）、傳感器的定義和組

3、成1、傳感器的定義人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長。傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。根據(jù)國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所

4、需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的組成：（1）敏感元件：直接感受或響應被測量的部分。有時也將敏感元件稱為傳感器。（2）轉換元件：能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。（二）、傳感器的分類傳感器可以從不同角度進行分類。1、按被測量的屬性分：位移、速度、加速器、力、壓力、流量、溫度等傳感器。2、按傳感器的工作原理分：電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式、激光式、光電式等傳感器。3、按信號轉換特征分：結構型傳感器、物性型傳感器。結構型傳感器是被測量的變化轉換成敏感元件結構參數(shù)的變化而工作的

5、（如電容、電感傳感器等），物性型傳感器則是利用敏感元件材料的物理性質(zhì)的某一特點而工作的（如壓電、磁電、光電傳感器等）。 4、按傳感器輸出參量的狀態(tài)分:模擬傳感器、數(shù)字傳感器。5、按工作時是否需要外部能源分：參量型傳感器、發(fā)典型傳感器。參量型傳感器（也稱為無源傳感器、能量控制型傳感器）必須借助與外加能源才能產(chǎn)生輸出信號（如電容、電感傳感器等），發(fā)電型傳感器（也稱為有源傳感器、能量轉換型傳感器）則在感受被測量時自身產(chǎn)生具有能量的信號（如壓電、磁電傳感器等）。（三）、常用傳感器的結構特點、及用途.隨著材料科學的發(fā)展，物理型傳感器將發(fā)揮越來越重要的作用。電阻應變式、電感式、電容式、壓電式傳感器是測量工

6、作中使用最多的傳感器，他們的工作原理簡單，測量轉化電路也基本固定，應用技術比較成熟，下面就此幾種常用的傳感器進行一下分析，首先我們必須了解他們的結構、特點以及在生活中的用途。1、電阻應變式傳感器 電阻應式變傳感器具有悠久的歷史，是應用最廣泛的傳感器之一。電阻應變式傳感式是利用電阻應變片將應變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅鳌?應變式傳感器特征：不同材料類型：金屬應變片、半導體應變片應變范圍：應變力、壓力、轉矩、位移、加速度。主要優(yōu)點：使用簡單、精度高、范圍大、體積小。2、電感式傳感器電感式傳感器 ：是利用電磁感應把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉換為電壓

7、或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉換。電感式傳感器具有以下特點： （1）結構簡單，傳感器無活動電觸點，因此工作可靠壽命長。 （2）靈敏度和分辨力高，能測出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號強，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數(shù)百毫伏的輸出。 （3）線性度和重復性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差可達0.05%0.1%。同時，這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應較低，不宜快速動態(tài)測控等缺點。 電感式傳感器種類很多，常見的有自感式，互感式和渦流式三種。電感式傳感器主要用于位移測量和可以

8、轉換成位移變化的機械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比重、轉矩等）的測量。3、電容式傳感器把被測的機械量，如位移、壓力等轉換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測定。電容器傳感器的優(yōu)點是結構簡單,價格便宜，靈敏度高,過載能力強，動態(tài)響應特性好和對高溫、

9、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復雜等。70年代末以來,隨著集成電路技術的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?、壓電式傳感器是一種自發(fā)電式和機電轉換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等(見壓電式壓力傳感器、加速

10、度計)。它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。配套儀表和低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。它廣泛應用于工程力學、生物醫(yī)學、電聲學等技術領域。傳感器在生活中應用很廣泛，不只是以上幾種傳感器在生活中有應用，還有很多很多，例如：霍爾式傳感器、熱電偶傳感器等等二、如何為機電一體化系統(tǒng)選擇傳感器（舉例說明）（一）如何選擇傳感器選擇傳感器主要考慮傳感器的類型、靈敏度、頻率響應特性、線性范圍、可靠性與穩(wěn)定性、精度、工作方式等幾個方面的因素。 1

11、、傳感器類型為實現(xiàn)對某一參數(shù)的測試，可供選用的傳感器類型可能會有很多。不同類型的傳感器在原理、測量方式、信號輸出方式、精度、動態(tài)特性等諸多方面有著很大的差異。例如，測試機床主軸的振動時，可以選用電容式位移傳感器，而用電感式位移傳感器則無法滿足要求。 2、靈敏度 一般來說，傳感器的靈敏度越高越好，因為靈敏度高的傳感器所能感受的最小被測參數(shù)變化小，當被測參數(shù)發(fā)生變化時，傳感器將會產(chǎn)生較大的輸出變化。但應注意： 靈敏度越高，外部干擾、噪聲越容易混入。（1）一般來說，靈敏度越高測量（線性）范圍越小。（2）如果被測參數(shù)為二維或三維向量，則各測量方向上的單向靈敏度越高越好、交叉靈敏度越低越好。 3、頻率響

12、應特性在被測參數(shù)的頻帶內(nèi)，所選傳感器應能實現(xiàn)近似的不失真測試；與幅頻特性對應的靈敏度應盡可能高些，與相頻特性對應的響應時間越短越好。物性型傳感器的頻響特性比結構型傳感器要好；非接觸式傳感器的頻響特性比接觸式傳感器要好。 4、線性范圍任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測試精度的基本條件。 線性范圍一般與靈敏度相互矛盾。 5、可靠性與穩(wěn)定性 可靠性是指儀器、裝置及其它產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)實現(xiàn)指定功能的能力。傳感器的可靠性主要取決于設計、制造及使用時的工作環(huán)境條件等因素，特別是受后者的

13、影響很大。穩(wěn)定性指的是測試裝置在長時間工作后或工作條件發(fā)生變化后保持其性能不變的能力。穩(wěn)定性主要有時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是傳感器可靠工作的條件和保證。 6、精度 傳感器的精度表示其輸出與輸入的被測量值的一致程度。傳感器是測試系統(tǒng)最前沿的環(huán)節(jié)，其輸出能否真實準確地反映輸入的被測量值，將直接影響整個系統(tǒng)的使用性能。選用傳感器時，要綜合考慮精度的使用要求與經(jīng)濟性。一般在滿足精度使用要求的前提下，盡可能選用價廉的傳感器。 7、工作方式：（1）接觸測量與非接觸測量（2）破壞性檢驗與非破壞性檢驗（3）在線測試與非在線測試 8、其它選用傳感器時還要兼顧結構簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維護等因

14、素。據(jù)此上述要求我們來講一下霍爾式傳感器，在講述之前首先我們必須了解其傳感器的概念、效應、以及表現(xiàn)形式和應用。（二）霍爾式傳感器的結構、表現(xiàn)形式及應用霍爾式傳感器是一種磁電轉換元件，它利用某些半導體材料所具有的霍爾效應來實現(xiàn)某些參數(shù)的測量。1、 霍爾效應將一金屬或半導體薄片置于磁場中并在相對的兩個控制電極之間通入電流時，由于運動的電子在磁場中受到洛倫茲力的作用而在另兩個電極的位置產(chǎn)生電子堆積，從而在這兩個電極上形成電動勢，稱為霍爾電勢，上述現(xiàn)象就稱為霍爾效應?；魻栯妱轂榛魻栃c霍爾元件a) 霍爾效應 b) 霍爾元件結構示意圖 c) 符號 d) 封裝式中 霍爾電勢；霍爾元件的靈敏度；磁場的磁感

15、應強度；控制電流；控制電流方向與磁感應強度方向的夾角。改變、中的任何一個參數(shù)都會使霍爾電勢發(fā)生變化。霍爾元件霍爾傳感器的核心是霍爾元件。霍爾元件常用的半導體材料是N型硅，其他還有銻化銦（1nSb）、砷化銦（1nas）、砷化鎵（GaAs）等?；魻栐慕Y構示意圖、霍爾元件的符號、霍爾元件的封裝形式。2、集成霍爾傳感器（1）線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾感器a) 單端輸出 b) 差動輸出（2）開關型集成霍爾傳感器開關型集成霍爾傳感器3、霍爾傳感器的應用 （1）能轉換為磁感應強度變化的參量的測量（如位移、轉速、加速度、壓力等） （2）能轉換為電流變化的參量的測量 （3）用作乘法器（電功率測量中的電流

16、與電壓的相乘等）圖3-40 霍爾傳感器的幾種應用a) 線位移測量b) 角位移測量c) 信號相乘運算d) 零件計數(shù)e) 轉速測量 f) 壓力測量三、機電一體化系統(tǒng)中傳感器的發(fā)展方向及發(fā)展前景(一)現(xiàn)代傳感技術的發(fā)展方向當前，傳感器技術的主要發(fā)展動向，一是開展基礎研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。1、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)新材料，新現(xiàn)象、新原理、新材料是發(fā)展傳感器技術，研究新型傳感器的重要基礎，每一種新原理、新材料的發(fā)現(xiàn)都會伴隨著新的傳感器種類誕生。2、集成化，多功能化向敏感功能裝置發(fā)展 傳感器的集成化，最近積極地應用了半導體集成電路技術及其開發(fā)思想用于傳感器

17、制造。如采用微細加工技術制作微型傳感器 ；采用厚膜和薄膜技術制作傳感器等。 3、向未開發(fā)的領域挑戰(zhàn)生物傳感器 到目前為止，正大力研究。開發(fā)的傳感器大多為物理傳感器，今后應積極開發(fā)研究化學傳感器和生物傳感器。特別是智能機器人技術的發(fā)展，需要研制各種模擬人的感覺器官的傳感器，如已有的機器人力覺、觸覺傳感器、味覺傳感器等。(二)未來發(fā)展前景未來發(fā)展會讓人們會看到傳感器技術上的多種變化，會讓人們感受到傳感器在生活中譜寫的篇章越來越美好，越來越精彩。 傳感器技術會朝著各種領域發(fā)展：化學傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測、能源、醫(yī)療衛(wèi)生等領域具有十分重要的作用,需求將越來越迫切?；瘜W傳感器今后發(fā)展重點

18、是微型化、智能化、多功能化。深入研究有機、無機生物類化學傳感器的工作原理,提高敏感材料功能設計能力,靈活地應用微機械加工技術,敏感膜修飾技術,微電子技術、光纖技術、生物工程技術等多種枝術融合,使傳感器性能最優(yōu)化。 應用仿生學、傳感器學、計算科學聯(lián)理作為仿生傳感器取得了重大進展,生物傳感器是跨學科的科學,它著眼于保健、環(huán)境、衣業(yè)和食品工業(yè)的檢測的需求。      環(huán)境保護愈來愈普遍受到人們的重視。目前我國傳感器第一大用戶冶金行業(yè),所需100種專用高附加值傳感器幾乎全部依靠進口（例如鋼水包的高溫稱重傳感器）。 從節(jié)能、環(huán)保、提高汽車安全性和舒適件等方面分析，將會有一個較大的市場需求。 為了以后能夠在這些方面能夠突飛猛進，為了以后傳感器在生活上能夠取到舉足輕重的地位，必須讓技術與現(xiàn)實狀況相結合，向其所要達到的標準，所要需求的方向邁進，傳感器技術最終一定能在社會上取得重要的位置。總結