1、福建电力职业技术学院 2015 届专科生毕业论文1摘 要随着计算机辅助设计技术（CAD） 、微机电系统（MEMS）技术、光纤技术和信息技术的发展，获取各种信息的传感器已经成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的重要技术工具，越来越成为信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。因此，在当今信息时代掌握传感器技术尤为重要。本 文 简 述 了 传 感 器 在 机 电 一 体 化 系 统 中 的作 用 及 其 地 位 ， 也 讲 述 了 在 机 电 一 体 化 中 常 用 传 感 器 的 类 型 、 特 点 、 结 构 及 用 途 等 ， 还 介 绍了 在 机 电 一 体 化 中 传
2、感 器 的 选 择 指 标 以 及 在 以 后 的 发 展 。关键词：传感器，机电一体化福建电力职业技术学院 2015 届专科生毕业论文2目 录前言一、传感器的定义与组成.4二、传感器在机电一体化技术中的地位及作用.4三、常用传感器的类型、特点、结构及用途.53.1 电阻式传感器.53.2 电容式传感器.53.3 电感式传感器.63.4 压电式传感器.6四、机电一体化系统中传感器的选择.7五、机电一体化系统中常用传感器的发展.85.1 传感器的微型化.85.2 传感器的智能化.9六、结论七、参考文献福建电力职业技术学院 2015 届专科生毕业论文3八、谢辞前 言传感器作为机电一体化技术中不可缺
3、少的部分，作为一名机电一体化专业的学生，我们必须了解传感器的在机电一体化技术中所扮演的角色，了解传感器的分类、组成、功能等。了解和学习传感器技术对于我们今后的学习和工作都有很大的帮助。传感器作为信息集训的一脉正在越来越广泛的普及及发展到我国的各行各业各个领域，其中为使我国从劳动密集型向技术型转化，必须利用其信息技术，即传感器技术，使传感器在工业自动化，农业国防军工，能源交通，家用电器等应用领域均有其开发市场。在我国尤以传感器技术的潜力最大。应用方面主要用于化学方面、环境保护方面、生物工程方面以及医疗卫生方面等等。福建电力职业技术学院 2015 届专科生毕业论文4一、传感器的定义与组成传感器是一
4、种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可以用输出信号的器件或装置。传感器一般由敏感元件、转换元件和信号调理与转换电路组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或直接响应的被测的部分；转换元件是指传感器中 将敏感元件感受或响应的被测量转换成适用于传输或检测的信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此有信号调理与转换电路对其进行放大、运算和调制等。被测量 敏感元件 转换元件 信号调理与转换电路福建电力职业技术学院 2015 届专科生毕业论文5图 1 传感器的组成二、传感器在机电一体化技术中的地位及作用一个典型的机电一体化技术结构框图如图 2 所示。 图 2由图可见，在机电一体化系统中，
5、传感器是必不可少的部分。传感器在机电一体化技术中扮演着不可缺少的角色。机电一体化技术想要发展就离不开传感器技术。传感器等同于系统的感受器官，它能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，是机电一体化系统达到高水平的保证。现今机电一体化技术中的机器人技术的快速发展也离不开传感器，如果没有传感器那么机器人将寸步难行。传感器其作用相当于系统的感受器官，它能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，是机电一体化系统达到高水机电一体化技术传感器技术信号变换技术接口技术电工电子技术微电子技术 信息技术辅助电源福建电力职业技术学院 2015 届专科生毕业论文6平的保证。如果缺少这些传感器对系统状态和对象
6、信息精确而可靠的自动检测，那么系统的信息处理、控制决策等功能就无法谈及和实现。三、常用传感器的类型、特点、结构及用途3.1 电阻式传感器电阻式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器和锰铜压阻传感器等。结构：由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。特点：电阻式传感器具有结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等特点。但是它受环境条件如温度等影响较大，有分辨率不高等不足之处。用途：电阻式传感器
7、与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一 。3.2 电容式传感器把 被 测 的 机 械 量 ， 如 位 移 、 压 力 等 转 换 为 电 容 量 变 化 的 传 感 器 。 容 式 传 感 器 可 分 为 极 距变 化 型 、 面 积 变 化 型 、 介 质 变 化 型 三 类 。 电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。 图 3 电容式传感器的等效电路结 构 :它 的 敏 感 部 分 就 是 具 有 可 变 参 数 的 电 容 器 。 其
8、最 常 用 的 形 式 是 由 两 个 平 行 电 极 组 成 、福建电力职业技术学院 2015 届专科生毕业论文7极 间 以 空 气 为 介 质 的 电 容 器 。特 点 ： 电 容 器 传 感 器 的 优 点 是 结 构 简 单 ,价 格 便 宜 ， 灵 敏 度 高 ,过 载 能 力 强 ， 动 态 响 应 特性 好 和 对 高 温 、 辐 射 、 强 振 等 恶 劣 条 件 的 适 应 性 强 等 。 缺 点 是 输 出 有 非 线 性 ， 寄 生 电 容 和分 布 电 容 对 灵 敏 度 和 测 量 精 度 的 影 响 较 大 ， 以 及 联 接 电 路 较 复 杂 等 。用途：极 距
9、 变 化 型 一 般 用 来 测 量 微 小 的 线 位 移 或 由 于 力 、 压 力 、 振 动 等 引 起 的 极 距 变 化 。面 积 变 化 型 一 般 用 于 测 量 角 位 移 或 较 大 的 线 位 移 。 介 质 变 化 型 常 用 于 物 位 测 量 和 各 种 介 质的 温 度 、 密 度 、 湿 度 的 测 定 。3.3 电感式传感器电感式传感器 ：是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电 感 式 传 感 器 种 类 很 多 ， 常 见 的 有 自 感 式
10、 ， 互 感 式 和 涡 流 式 三 种 。特点： 无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低） ； 无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高； 不适用于高频动态测量。用 途 ： 电 感 式 传 感 器 主 要 用 于 测 量 微 位 移 ， 凡 是 能 转 换 成 位 移 变 换 的 参 数 ， 如 压 力 ， 力 ，压 差 ， 加 速 度 ， 振 动 ， 应 变 ， 流 量 ， 厚 度 ， 液 体 等 都 可 以 用 电 感 传 感 器 来 进 行 测 量 。3.4 压电式传感器是一种自发电式和机
11、电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的量输出。特点：它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。用途：压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。福建电力职业技术学院 2015 届专科生毕业论文8
12、四、机电一体化系统中传感器的选择选择传感器主要考虑传感器的类型、灵敏度、频率响应特性、线性范围、可靠性与稳定性、精度、工作方式等几个方面的因素。1、传感器类型为实现对某一参数的测试，可供选用的传感器类型可能会有很多。不同类型的传感器在原理、测量方式、信号输出方式、精度、动态特性等诸多方面有着很大的差异。例如，测试机床主轴的振动时，可以选用电容式位移传感器，而用电感式位移传感器则无法满足要求。 2、灵敏度一般来说，传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度高的传感器所能感受的最小被测参数变化小，当被测参数发生变化时，传感器将会产生较大的输出变化。但应注意：灵敏度越高，外部干扰、噪声越容易混入。（1）一般
13、来说，灵敏度越高测量（线性）范围越小。 （2）如果被测参数为二维或三维向量，则各测量方向上的单向灵敏度越高越好、交叉灵敏度越低越好。3、频率响应特性在被测参数的频带内，所选传感器应能实现近似的不失真测试；与幅频特性对应的灵敏度应尽可能高些，与相频特性对应的响应时间越短越好。物性型传感器的频响特性比结构型传感器要好；非接触式传感器的频响特性比接触式传感器要好。4、线性范围任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测试精度的基本条件。 线性范围一般与灵敏度相互矛盾。5、可靠性与稳定性可靠性是指仪器、装置
14、及其它产品在规定的条件下、规定的时间内实现指定功能的能力。传感器的可靠性主要取决于设计、制造及使用时的工作环境条件等因素，特别是受后者的影响很大。稳定性指的是测试装置在长时间工作后或工作条件发生变化后保持其性能不变的能力。稳定性主要有时间稳定性和温度稳定性。稳定性是传感器可靠工作的条件和保证。福建电力职业技术学院 2015 届专科生毕业论文96、精度传感器的精度表示其输出与输入的被测量值的一致程度。传感器是测试系统最前沿的环节，其输出能否真实准确地反映输入的被测量值，将直接影响整个系统的使用性能。选用传感器时，要综合考虑精度的使用要求与经济性。一般在满足精度使用要求的前提下，尽可能选用价廉的传
15、感器。7、工作方式：（1）接触测量与非接触测量（2）破坏性检验与非破坏性检验（3）在线测试与非在线测试8、其它选用传感器时还要兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维护等因素。据此上述要求我们来讲一下霍尔式传感器，在讲述之前首先我们必须了解其传感器的概念、效应、以及表现形式和应用。五、机电一体化系统中常用传感器的发展在当前信息时代，对于传感器的需求日益增多，同时对其性能要求也越来越高。随着计数机辅助设计技术、微机电技术、光纤技术等技术的迅速发展，传感器技术正在向着微型化和智能化发展。5.1 传感器的微型化一方面传感器技术由于受到计算机辅助设计和微电机技术的发展的影响向着微型化发展。传感器
16、必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。传感器的微型化已经遍布我们生活的各个方面了。就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响；目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度、加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、离子浓度及生物分子浓度等。另一方面，敏感光纤技术的发展也促进了传感器的微型化。光纤传感器的工
17、作原理是将光作为信号载体，并通过光纤来传送信号。光纤传感器的有着重量轻、体积小、敏感性高、动态范围大、传送频带宽、易于转向作业等优点。光纤传感器还可以运用于 3D 表面的无触点测量。近年来，随着半导体激光 LD、CCD、CMOS 图形传感器等新一代设备的问世，光纤无触点测量福建电力职业技术学院 2015 届专科生毕业论文10技术得到了空前的发展。图 4 光纤传感器5.2 传感器的智能化智能化传感器是 20 世纪 80 年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一样，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。与传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点：1）智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行线
