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1、福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015屆?？粕厴I(yè)論文 摘 要 隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、光纖技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，獲取各種信息的傳感器已經(jīng)成為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的重要技術(shù)工具，越來(lái)越成為信息社會(huì)賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。因此，在當(dāng)今信息時(shí)代掌握傳感器技術(shù)尤為重要。本文簡(jiǎn)述了傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用及其地位，也講述了在機(jī)電一體化中常用傳感器的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途等，還介紹了在機(jī)電一體化中傳感器的選擇指標(biāo)以

2、及在以后的發(fā)展。 關(guān)鍵詞：傳感器，機(jī)電一體化 14 目 錄 前言 一、傳感器的定義與組成..............................................4 二、傳感器在機(jī)電一體化技術(shù)中的地位及作用........................4 三、常用傳感器的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途..........................5 3.1電阻式傳感器....................................................5 3.

3、2電容式傳感器....................................................5 3.3電感式傳感器....................................................6 3.4壓電式傳感器....................................................6 四、機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇..................................7 五、機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展.............................8

4、 5.1傳感器的微型化..................................................8 5.2傳感器的智能化..................................................9 六、結(jié)論 七、參考文獻(xiàn) 八、謝辭 前 言 傳感器作為機(jī)電一體化技術(shù)中不可缺少的部分，作為一名機(jī)電一體化專業(yè)的學(xué)生，我們必須了解傳感器的在機(jī)電一體化技術(shù)中所扮演的角色，了解傳感器的分類、組成、功能等。了解和學(xué)習(xí)傳感器技術(shù)對(duì)于我們今后的學(xué)習(xí)和工作都有很大的幫助。傳感器作為信息集訓(xùn)的一脈正在越來(lái)越廣泛的普

5、及及發(fā)展到我國(guó)的各行各業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，其中為使我國(guó)從勞動(dòng)密集型向技術(shù)型轉(zhuǎn)化，必須利用其信息技術(shù)，即傳感器技術(shù)，使傳感器在工業(yè)自動(dòng)化，農(nóng)業(yè)國(guó)防軍工，能源交通，家用電器等應(yīng)用領(lǐng)域均有其開發(fā)市場(chǎng)。在我國(guó)尤以傳感器技術(shù)的潛力最大。應(yīng)用方面主要用于化學(xué)方面、環(huán)境保護(hù)方面、生物工程方面以及醫(yī)療衛(wèi)生方面等等。 一、傳感器的定義與組成 傳感器是一種能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可以用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蛑苯禹憫?yīng)的被測(cè)的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦?將敏感

6、元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適用于傳輸或檢測(cè)的信號(hào)部分。由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱，因此有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行放大、運(yùn)算和調(diào)制等。 信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換元件 敏感元件 被測(cè)量 輔助電源 圖1 傳感器的組成 二、傳感器在機(jī)電一體化技術(shù)中的地位及作用 一個(gè)典型的機(jī)電一體化技術(shù)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 傳感器技術(shù) 信息技術(shù) 微電子技術(shù)

7、 機(jī)電一體化技術(shù) 信號(hào)變換技術(shù) 接口技術(shù) 電工電子技術(shù) 圖2 由圖可見，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感器是必不可少的部分。傳感器在機(jī)電一體化技術(shù)中扮演著不可缺少的角色。機(jī)電一體化技術(shù)想要發(fā)展就離不開傳感器技術(shù)。傳感器等同于系統(tǒng)的感受器官，它能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證?，F(xiàn)今機(jī)電一體化技術(shù)中的機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展也離不開傳感器，如果沒有傳感器那么機(jī)器人將寸步難行。傳感器其作用相當(dāng)于系統(tǒng)的感受器官，它能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)

8、，是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。如果缺少這些傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)象信息精確而可靠的自動(dòng)檢測(cè)，那么系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無(wú)法談及和實(shí)現(xiàn)。 三、常用傳感器的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途 3.1電阻式傳感器 電阻式傳感器是把位移、力、壓力、加速度、扭矩等非電物理量轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。它主要包括電阻應(yīng)變式傳感器、電位器式傳感器和錳銅壓阻傳感器等。 結(jié)構(gòu)：由電阻元件及電刷(活動(dòng)觸點(diǎn))兩個(gè)基本部分組成。電刷相對(duì)于電阻元件的運(yùn)動(dòng)可以是直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)，因而可以將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。 特點(diǎn)：電阻式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出精度較高、線性和

9、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。但是它受環(huán)境條件如溫度等影響較大，有分辨率不高等不足之處。 用途：電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、加速度、扭矩等測(cè)量?jī)x表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和國(guó)防等部門進(jìn)行自動(dòng)稱重、過程檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化不可缺少的工具之一 。 3.2電容式傳感器 把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。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。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?

10、 圖3電容式傳感器的等效電路 結(jié)構(gòu):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(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。 特點(diǎn)：電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜，靈敏度高,過載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。 用途：極距變化型一般用來(lái)測(cè)量微小的線位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化。面積變化型一般用于測(cè)量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測(cè)量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測(cè)定。 3.3電感式傳感器

11、 電感式傳感器 ：是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移，壓力，流量，振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。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。 特點(diǎn)： ①無(wú)活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長(zhǎng)；②分辨率高；③靈敏度高；④線性度高、重復(fù)性好；⑤測(cè)量范圍寬（測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低）；⑥無(wú)輸入時(shí)有零位輸出電壓，引起測(cè)量誤差；⑦對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；⑧不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。 用途：電感式傳感器主要用于測(cè)量微位移，凡是能轉(zhuǎn)換成位移變換的參數(shù)，如壓力，力，壓差，加速度，振動(dòng)，應(yīng)變，流量，厚度，液體等都可以用電感

12、傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。 3.4壓電式傳感器 是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的量輸出。 特點(diǎn)：它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)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。 用途：壓電式傳感器用于測(cè)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、加速度計(jì))。廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)

13、、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。 四、機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇 選擇傳感器主要考慮傳感器的類型、靈敏度、頻率響應(yīng)特性、線性范圍、可靠性與穩(wěn)定性、精度、工作方式等幾個(gè)方面的因素。 1、傳感器類型 為實(shí)現(xiàn)對(duì)某一參數(shù)的測(cè)試，可供選用的傳感器類型可能會(huì)有很多。不同類型的傳感器在原理、測(cè)量方式、信號(hào)輸出方式、精度、動(dòng)態(tài)特性等諸多方面有著很大的差異。例如，測(cè)試機(jī)床主軸的振動(dòng)時(shí)，可以選用電容式位移傳感器，而用電感式位移傳感器則無(wú)法滿足要求。 2、靈敏度 一般來(lái)說(shuō)，傳感器的靈敏度越高越好，因?yàn)殪`敏度高的傳感器所能感受的最小被測(cè)參數(shù)變化小，當(dāng)被測(cè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，傳感器將會(huì)產(chǎn)生較大的

14、輸出變化。但應(yīng)注意： 靈敏度越高，外部干擾、噪聲越容易混入。 （1）一般來(lái)說(shuō)，靈敏度越高測(cè)量（線性）范圍越小。（2）如果被測(cè)參數(shù)為二維或三維向量，則各測(cè)量方向上的單向靈敏度越高越好、交叉靈敏度越低越好。 3、頻率響應(yīng)特性 在被測(cè)參數(shù)的頻帶內(nèi)，所選傳感器應(yīng)能實(shí)現(xiàn)近似的不失真測(cè)試；與幅頻特性對(duì)應(yīng)的靈敏度應(yīng)盡可能高些，與相頻特性對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間越短越好。物性型傳感器的頻響特性比結(jié)構(gòu)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(guān)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

15、證測(cè)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(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)指定功能的能力。傳感器的可靠性主要取決于設(shè)計(jì)、制造及使用時(shí)的工作環(huán)境條件等因素，特別是受后者的影響很大。穩(wěn)定性指的是測(cè)試裝置在長(zhǎng)時(shí)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(shí)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(cè)量值的一致程度。傳感器是測(cè)試系統(tǒng)最前沿的環(huán)節(jié)，其輸出能否真實(shí)準(zhǔn)確地反映輸入的被測(cè)量值，將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的使用性能。選用傳感器時(shí)，要綜合考慮

16、精度的使用要求與經(jīng)濟(jì)性。一般在滿足精度使用要求的前提下，盡可能選用價(jià)廉的傳感器。 7、工作方式：（1）接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量（2）破壞性檢驗(yàn)與非破壞性檢驗(yàn)（3）在線測(cè)試與非在線測(cè)試 8、其它 選用傳感器時(shí)還要兼顧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維護(hù)等因素。 據(jù)此上述要求我們來(lái)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(yīng)、以及表現(xiàn)形式和應(yīng)用。 五、機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展 在當(dāng)前信息時(shí)代，對(duì)于傳感器的需求日益增多，同時(shí)對(duì)其性能要求也越來(lái)越高。隨著計(jì)數(shù)機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、光纖技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器技術(shù)正在向著微型化和智能化發(fā)展。

17、5.1傳感器的微型化 一方面?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)由于受到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和微電機(jī)技術(shù)的發(fā)展的影響向著微型化發(fā)展。傳感器必須配有標(biāo)準(zhǔn)的輸出模式；而傳統(tǒng)的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求，所以它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代；后者主要由硅材料構(gòu)成，具有體積小、重量輕、反應(yīng)快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。傳感器的微型化已經(jīng)遍布我們生活的各個(gè)方面了。就當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，微型傳感器已經(jīng)對(duì)大量不同應(yīng)用領(lǐng)域，如航空、遠(yuǎn)距離探測(cè)、醫(yī)療及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響；目前開發(fā)并進(jìn)入實(shí)用階段的微型傳感器已可以用來(lái)測(cè)量各種物理量、化學(xué)量和生物量，如位移、速度、加速度、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、

18、聲、光、電、磁、離子濃度及生物分子濃度等。 另一方面，敏感光纖技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了傳感器的微型化。光纖傳感器的工作原理是將光作為信號(hào)載體，并通過光纖來(lái)傳送信號(hào)。光纖傳感器的有著重量輕、體積小、敏感性高、動(dòng)態(tài)范圍大、傳送頻帶寬、易于轉(zhuǎn)向作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器還可以運(yùn)用于3D表面的無(wú)觸點(diǎn)測(cè)量。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體激光LD、CCD、CMOS圖形傳感器等新一代設(shè)備的問世，光纖無(wú)觸點(diǎn)測(cè)量技術(shù)得到了空前的發(fā)展。 圖4光纖傳感器 5.2傳感器的智能化 智能化傳感器是20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的

19、另外一種涉及多種學(xué)科的新型傳感器系統(tǒng)。此類傳感器系統(tǒng)一經(jīng)問世即刻受到科研界的普遍重視，尤其在探測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域，如分布式實(shí)時(shí)探測(cè)、網(wǎng)絡(luò)探測(cè)和多信號(hào)探測(cè)方面一直頗受歡迎，產(chǎn)生的影響較大。智能化傳感器是指那些裝有微處理器的，不但能夠執(zhí)行信息處理和信息存儲(chǔ)，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)。這一類傳感器就相當(dāng)于是微型機(jī)與傳感器的綜合體一樣，其主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器及微型機(jī)的硬件設(shè)備。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）智能化傳感器不但能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行處理、分析和調(diào)節(jié)，能夠?qū)λ鶞y(cè)的數(shù)值及其誤差進(jìn)行補(bǔ)償，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷，能夠借助于一覽表對(duì)非線性信號(hào)

20、進(jìn)行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波數(shù)字信號(hào)。 2）智能化傳感器具有自診斷和自校準(zhǔn)功能，可以用來(lái)檢測(cè)工作環(huán)境。3）智能化傳感器能夠完成多傳感器多參數(shù)混合測(cè)量，從而進(jìn)一步拓寬了其探測(cè)與應(yīng)用領(lǐng)域，而微處理器的介入使得智能化傳感器能夠更加方便地對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。 4）智能化傳感器既能夠很方便地實(shí)時(shí)處理所探測(cè)到的大量數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)需要將它們存儲(chǔ)起來(lái)。 5）智能化傳感器備有一個(gè)數(shù)字式通信接口，通過此接口可以直接與其所屬計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)和交換信息。智能化傳感器無(wú)疑將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域。可以預(yù)見，新興的智能化傳感器將會(huì)在關(guān)系到全人類國(guó)民生的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大作

21、用 結(jié) 論 經(jīng)過本次論文設(shè)計(jì)，我從中學(xué)到了很多的知識(shí)，從開始的懵懂到現(xiàn)在的了解，從開始的陌生到現(xiàn)在的熟悉，使我對(duì)傳感器有了更深刻認(rèn)識(shí)。為了此次撰寫傳感器論文，我在圖書館借閱了一些資料，同時(shí)也在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行了相關(guān)知識(shí)的搜索，借此我了解到了很多以前在課堂上未曾涉及到的傳感器知識(shí)，通過對(duì)這些知識(shí)的探索，使我更進(jìn)一步加深了對(duì)傳感器知識(shí)的認(rèn)識(shí)理解，對(duì)在其社會(huì)上的所取的重要性也有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，也加深了對(duì)本專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)那些從未聞其名的傳感器由了一定的了解，而這些對(duì)以后的工作和學(xué)習(xí)都是一筆不菲的財(cái)富，真的受益匪淺。 謝 辭 本論文是在王老師悉心指導(dǎo)下完成的，

22、導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無(wú)華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。不禁使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還是我明白了許多待人接物與為人處事的道理。本論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x! 　　本論文的順利完成，離不開各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心和幫助。在此感謝老師和同學(xué)們對(duì)我的支持和幫助;在沒有他們的幫助和支持是沒有辦法完成我的畢業(yè)論文的，同窗之間的友誼永遠(yuǎn)長(zhǎng)存。 參考文獻(xiàn)：本課題綜合《傳感器技術(shù)》《機(jī)電一體化技術(shù)》《控制電機(jī)》等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行編寫