1、 传感器与测量技术课程设计题目 单片机设计论文姓 名 张尊才 学 号 0903110215 院（系） 电子电气工程学院 班 级 电气二班 指导教师 朱相磊 职 称 教授 二 O 一一年 七 月 十 日淄博职业学院毕业设计 摘要I摘 要在 现 代 工 业 生 产 尤 其 是 自 动 化 生 产 过 程 中 ， 要 用 各 种 传 感 器 来 监 视 和 控 制 生 产 过 程中 的 各 个 参 数 ， 使 设 备 工 作 在 正 常 状 态 或 最 佳 状 态 ， 并 使 产 品 达 到 最 好 的 质 量 。 因 此 可以 说 ， 没 有 众 多 的 优 良 的 传 感 器 ， 现 代 化 生
2、 产 也 就 失 去 了 基 础 。 在 基 础 学 科 研 究 中 ， 传 感 器 更 具 有 突 出 的 地 位 。 现 代 科 学 技 术 的 发 展 ， 进 入 了 许 多新 领 域 ： 例 如 在 宏 观 上 要 观 察 上 千 光 年 的 茫 茫 宇 宙 ， 微 观 上 要 观 察 小 到 nm 的 粒 子世 界 ， 纵 向 上 要 观 察 长 达 数 十 万 年 的 天 体 演 化 ， 短 到 s 的 瞬 间 反 应 。 此 外 ， 还 出 现 了对 深 化 物 质 认 识 、 开 拓 新 能 源 、 新 材 料 等 具 有 重 要 作 用 的 各 种 极 端 技 术 研 究 ，
3、 如 超 高温 、 超 低 温 、 超 高 压 、 超 高 真 空 、 超 强 磁 场 、 超 弱 磁 砀 等 等 。 显 然 ， 要 获 取 大 量 人 类 感官 无 法 直 接 获 取 的 信 息 ， 没 有 相 适 应 的 传 感 器 是 不 可 能 的 。 许 多 基 础 科 学 研 究 的 障 碍 ，首 先 就 在 于 对 象 信 息 的 获 取 存 在 困 难 ， 而 一 些 新 机 理 和 高 灵 敏 度 的 检 测 传 感 器 的 出 现 ，往 往 会 导 致 该 领 域 内 的 突 破 。 一 些 传 感 器 的 发 展 ， 往 往 是 一 些 边 缘 学 科 开 发 的 先
4、 驱 。 传 感 器 早 已 渗 透 到 诸 如 工 业 生 产 、 宇 宙 开 发 、 海 洋 探 测 、 环 境 保 护 、 资 源 调 查 、 医学 诊 断 、 生 物 工 程 、 甚 至 文 物 保 护 等 等 极 其 之 广 泛 的 领 域 。 可 以 毫 不 夸 张 地 说 ， 从 茫 茫的 太 空 ， 到 浩 瀚 的 海 洋 ， 以 至 各 种 复 杂 的 工 程 系 统 ， 几 乎 每 一 个 现 代 化 项 目 ， 都 离 不 开各 种 各 样 的 传 感 器 。 由 此 可 见 ， 传 感 器 技 术 在 发 展 经 济 、 推 动 社 会 进 步 方 面 的 重 要 作
5、用 ， 是 十 分 明 显的 。 世 界 各 国 都 十 分 重 视 这 一 领 域 的 发 展 。 相 信 不 久 的 将 来 ， 传 感 器 技 术 将 会 出 现 一 个飞 跃 ， 达 到 与 其 重 要 地 位 相 称 的 新 水 平 。淄博职业学院毕业设计 目录II目 录摘 要 .I目 录 .III第一章 传感器概述 .11.1 传感器原理 .11.2 传感器的应用 .11.3 传感器的作用 .1第二章 传感器的原理与应用 .22.1 电阻式传感器 .32.2 光电式传感器 .42.3 霍尔传感器 .6第三章 总结 .10参考文献 .11淄博职业学院毕业设计 第一章 传感器概述1第一
6、章 传感器概述 1.1 传感器的原理传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。1.2 传感器的应用常 见 的 ： 1.自 动 门 ， 利 用 人 体 的 红 外 微 波 来 开 关 门 。 2.烟 雾 报 警 器 ， 利 用 烟 敏 电 阻 来 测 量 烟 雾 浓 度 ， 从 而 达 到 报 警 目 的 。 3.手 机 ， 数 码 相 机 的 照
7、相 机 ， 利 用 光 学 传 感 器 来 捕 获 图 象 。 4.电 子 称 ， 利 用 力 学 传 感 器 （ 导 体 应 变 片 技 术 ） 来 测 量 物 体 对 应 变 片 的 压 力 ， 从 而达 到 测 量 重 量 目 的 。 5.水 位 报 警 ， 温 度 报 警 ， 湿 度 报 警 ， 光 学 报 警 等 。 智 能 传 感 器 已 广 泛 应 用 于 航 天 、 航 空 、 国 防 、 科 技 和 工 农 业 生 产 等 各 个 领 域 中 。例 如 ,它 在 机 器 人 领 域 中 有 着 广 阔 应 用 前 景 ,智 能 传 感 器 使 机 器 人 具 有 类 人 的
8、五 官 和 大脑 功 能 ,可 感 知 各 种 现 象 ,完 成 各 种 动 作 。 在 工 业 生 产 中 ,利 用 传 统 的 传 感 器 无 法 对 某些 产 品 质 量 指 标 (例 如 ,黏 度 、 硬 度 、 表 面 光 洁 度 、 成 分 、 颜 色 及 味 道 等 )进 行 快 速 直接 测 量 并 在 线 控 制 。 而 利 用 智 能 传 感 器 可 直 接 测 量 与 产 品 质 量 指 标 有 函 数 关 系 的 生 产 过程 中 的 某 些 量 (如 温 度 、 压 力 、 流 量 等 )。1.3 传感器的应用传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 传感器
9、现已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。淄博职业学院毕业设计 第二章 传感器原理与应用2第二章 传感器的原理与应用2.1 电阻式传感器电 阻 式 传 感 器 是 将 被 测 量 ， 如 位 移 、 形 变 、 力 、 加 速
10、 度 、 湿 度 、 温 度 等 这 些 物 理 量转 换 式 成 电 阻 值 这 样 的 一 种 器 件 。 主 要 有 电 阻 应 变 式 、 压 阻 式 、 热 电 阻 、 热 敏 、 气 敏 、湿 敏 等 电 阻 式 传 感 器 件 。 称 重 传 感 器 引 称 重 传 感 器 是 一 种 能 够 将 重 力 转 变 为 电 信 号 的 力 -电 转 换 装 置 ， 是 电 子 衡 器 的一 个 关 键 部 件 。 电 阻 应 变 式 传 感 器传 感 器 中 的 电 阻 应 变 片 具 有 金 属 的 应 变 效 应 ， 即 在 外 力 作 用 下 产 生 机 械 形 变 ， 从而
11、 使 电 阻 值 随 之 发 生 相 应 的 变 化 。 电 阻 应 变 片 主 要 有 金 属 和 半 导 体 两 类 ， 金 属 应 变 片 有金 属 丝 式 、 箔 式 、 薄 膜 式 之 分 。 半 导 体 应 变 片 具 有 灵 敏 度 高 （ 通 常 是 丝 式 、 箔 式 的 几 十倍 ） 、 横 向 效 应 小 等 优 点 。 压 阻 式 传 感 器压 阻 式 传 感 器 是 根 据 半 导 体 材 料 的 压 阻 效 应 在 半 导 体 材 料 的 基 片 上 经 扩 散 电 阻 而 制成 的 器 件 。 其 基 片 可 直 接 作 为 测 量 传 感 元 件 ， 扩 散 电
12、 阻 在 基 片 内 接 成 电 桥 形 式 。 当 基 片受 到 外 力 作 用 而 产 生 形 变 时 ， 各 电 阻 值 将 发 生 变 化 ， 电 桥 就 会 产 生 相 应 的 不 平 衡 输 出 。 用 作 压 阻 式 传 感 器 的 基 片 （ 或 称 膜 片 ） 材 料 主 要 为 硅 片 和 锗 片 ， 硅 片 为 敏 感 材料 而 制 成 的 硅 压 阻 传 感 器 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视 ， 尤 其 是 以 测 量 压 力 和 速 度 的 固 态 压 阻式 传 感 器 应 用 最 为 普 遍 。 整流电路把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压
13、器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛。全波整流的输出是交流输入电压的 0.9 倍，效率高，直流电压平稳。能充分利用变压器的功率。半波整流输出是交流输入的 0.45 倍，效率低。在负载电流较小的场合也可用半波整淄博职业学院毕业设计 第二章 传感器原理与应用 3流。根据电压的充分利用整流电路选用单向桥式整流电路。单向桥式整流电路是由电源变压器 T，4 只整流二极管 VD1 VD4和负载 RL组成。电路图如 2-1 图所示。
14、图 1-1 桥式整流电路原理图工作原理：利用 4 个二极管接成电桥使在 U2的正负半周的电压经过两只二极管交替导通，即在负载上形成了单方向的全波脉冲电压。其中单向桥式整流电路对电压的利用率高。在桥式整流电路中，交流电在一个周期内有两个半波电流以相同方向通过负载所以该整流电路输出的直流电压比半波整流电路增加一倍，即 29.0UL根据欧姆定律可求出负载上的直流电流 IL，即LRUI29.0热 电 阻 传 感 器热 电 阻 测 温 是 基 于 金 属 导 体 的 电 阻 值 随 温 度 的 增 加 而 增 加 这 一 特 性 来 进 行 温 度 测 量的 。 热 电 阻 大 都 由 纯 金 属 材
15、料 制 成 ， 目 前 应 用 最 多 的 是 铂 和 铜 ， 此 外 ， 现 在 已 开 始 采 用镍 、 锰 和 铑 等 材 料 制 造 热 电 阻 。 热 电 阻 传 感 器 主 要 是 利 用 电 阻 值 随 温 度 变 化 而 变 化 这 一 特 性 来 测 量 温 度 及 与 温 度 有关 的 参 数 。 在 温 度 检 测 精 度 要 求 比 较 高 的 场 合 ， 这 种 传 感 器 比 较 适 用 。 目 前 较 为 广 泛 的热 电 阻 材 料 为 铂 、 铜 、 镍 等 ， 它 们 具 有 电 阻 温 度 系 数 大 、 线 性 好 、 性 能 稳 定 、 使 用 温 度
16、范 围 宽 、 加 工 容 易 等 特 点 。 用 于 测 量 -200 +500 范 围 内 的 温 度 。 热 电 阻 传 感 器 分 类 ： 淄博职业学院毕业设计 第二章 传感器原理与应用 41.NTC 热 电 阻 传 感 器 ： 该 类 传 感 器 为 负 温 度 系 数 传 感 器 ， 即 ， 传 感 器 阻 值 随 温 度 的 升 高 而 减 小 ； 2.PTC 热 电 阻 传 感 器 ： 该 类 传 感 器 为 正 温 度 系 数 传 感 器 ， 即 ， 传 感 器 阻 值 随 温 度 的 升 高 而 增 大 。2.2 光电式传感器光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，
17、若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为 hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。1.光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图 1 所示，半圆筒形金属片制成的阴极 K 和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极 A
18、封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加 h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功 A 时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为2)1(mv光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图 2 所示。在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图 2 所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强
19、成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电阴极 K 上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流，在负载电阻上的电压。光电管的光电特性如图 3 所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。2.光电倍曾管 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图 4 是光电倍增管结构示意图。图 1 光电光结构示意图图 2 光电管测量电路 图 3 光电管的光电特性淄博职业学院毕业设计 第二章 传感器原理与应用 5从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极 K 和一个阳极 A，与光电管不同的是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2
20、、D3它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、，倍增电极通常为 1015 级。光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。当入射光照射阴极 K时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极 D1 加速，以高速轰击 D1 ，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以产生多个二次电子， D1 发射出的二次电子又被 D1、D2 问的电场加速，射向 D2 并再次产生二次电子发射，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于 1mA 的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。 3、光敏电阻 光敏电阻的工作原
21、理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下：1）暗电阻 光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。2)亮电阻 光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。4、伏安特性 光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如图 5 所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。图 5 光敏电阻的伏安特性5、光电特性 光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为
22、光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图 6，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.图4光电倍增结构示意图淄博职业学院毕业设计 第二章 传感器原理与应用 6光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重
23、要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种：1、发光二极管 是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。2、丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二
24、类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器. 2.3 霍尔效应传感器1.霍尔传感器的简单介绍在工农业生产和工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要测量其转速。要测淄博职业学院毕业设计 第二章 传感器原理与应用 7速，首先要解决的是采样问题。测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难。数字式通常采用光电编
25、码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。本文主要介绍霍尔传感器转速测试系统。霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力、转速等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。霍尔转速传感器的应用优势：霍尔转速传感器的应用优势主要有三个，一是霍尔转速传感器的输出信号不会受到转速值的影响，二是霍尔转速传感器的频率相应高，三是霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强，因此霍尔转速传感器多应用在控制系统的转速检测中。同时，霍尔转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力
26、强，如抗错误的干扰信号等，因此不易因环境的因素而产生误差。霍尔转速传感器的测量频率范围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。另外，霍尔转速传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、电气环境影响。霍尔转速传感器的测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放油、防潮，并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔转速传感器的工作温度可以达到 100。霍尔转速传感器的安装简单，使用方便，能实现远距离传输。霍尔转速传感器目前在工业生产中的应用很是广泛，例如电力、汽车、航空、纺织和石化等领域，都采用霍尔转速传感器来测量和监控机械设备的转速状态，并以此来实施自动化管理与控制。2.霍尔元件工作原理：1.霍尔效应半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。2.霍尔效应的实质霍尔效应是电磁学一种重要的电磁感应现象.产生霍尔效应的微观原因是洛仑兹力的作用，载流子在磁场中作定向运动，将受到洛仑兹力的作用，分布产生一定的偏离，其结果在宏观上感应出电动势。如图所示，在均匀强磁场 B 中放一导电板，设导电板与 B 的方向垂直，板的宽度为b，厚度为 d，在导电板中沿着与磁场 B 垂直的方向通以电流 I设载流子的定向速度为 v，则可认为载流子线流元在磁场中运动，切割了磁感线，在线流元内将产生感应电动势
