第一篇：傳感器設計及應用實例論文

壓力傳感器（壓力變送器）的原理及應用

概 述：壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用

1、應變片壓力傳感器原理與應用

力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D轉換和CPU）顯示或執行機構。

它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發熱致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

電阻應變片的工作原理

金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：

式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ω·cm2/m）

S——導體的截面積（cm2）

L——導體的長度（m）

我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情況。來源: http://tede.cn

2、陶瓷壓力傳感器原理及應用

抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標準的信號根據壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，并可以和絕大多數介質直接接觸。

陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度 >2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。

3、擴散硅壓力傳感器原理及應用

工作原理

被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。來源:www.tmdps.cn

4、藍寶石壓力傳感器原理與應用

利用應變電阻式工作原理，采用硅-藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。

藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發生滯后、疲勞和蠕變現象；藍寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC以內），因此，利用硅-藍寶石制造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外，硅-藍寶石半導體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復性，確保了高成品率。

用硅-藍寶石半導體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價比高。

表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質外延性應變靈敏電橋電路的藍寶石薄片，被焊接在鈦合金測量膜片上。被測壓力傳送到接收膜片上（接收膜片與測量膜片之間用拉桿堅固的連接在一起）。在壓力的作用下，鈦合金接收膜片產生形變，該形變被硅-藍寶石敏感元件感知后，其電橋輸出會發生變化，變化的幅度與被測壓力成正比。

傳感器的電路能夠保證應變電橋電路的供電，并將應變電橋的失衡信號轉換為統一的電信號輸出（0-5，4-20mA或0-5V）。在絕壓壓力傳感器和變送器中，藍寶石薄片，與陶瓷基極玻璃焊料連接在一起，起到了彈性元件的作用，將被測壓力轉換為應變片形變，從而達到壓力測量的目的。

5、壓電壓力傳感器原理與應用

壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。

現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態的應力。

壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。

壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。

BP01型壓力傳感器及其在便攜式電子血壓計中的應用

介紹了德利康公司的BP01型壓力傳感器的主要性能和參數給出了一個用BP01作傳感器組成的便攜式電子血壓計的實際電路,并對該應用電路的工作原理進行了說明,同時給出了該便攜式電子血壓計電路的設計和調試方法。概述

BP01 型壓力傳感器是為監測血壓而專門設計的,主要用于便攜式電子血壓計。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝,具有高線性、低噪聲和外界應力小的特點;采用內部標定和溫度補償方式,從而提高了測量的精度、穩定性以及可重復性,在全量程范圍內,精度為±1%,零點失調不大于±300μV。BP01的主要性能參數

BP01的內部等效電路和外形封裝如圖1所示;表1所列為BP01在電源電壓Vs為5.0V、環境溫度TA為25℃時的主要性能參數。

BP01的極限參數如下：

·最大工作電壓：20VDC;

·最大耐壓：1500 mmHg;

·工作溫度范圍：0～70℃;

·引腳焊接溫度（最大值）：250℃（2～4秒）。基于BP01的電子血壓計

3.1工作原理

用BP01構成的便攜式電子血壓計的原理電路如圖2所示,它由偏置電源電路（A1、A2）、前置處理電路（A3～A6）、顯示電路（A7）和壓力傳感器（BP01）組成,該血壓計的血壓測量范圍為0～200mmHg,分辨率為0.1mmHg,工作電源為一節9V迭層電池。現將血壓計中各主要電路的工作原理分述如下：

a.偏置電源電路

電源電路由帶有內置參考電壓的雙運放LM10組成,A1構成同相放大器,A2構成跟隨器,它們的作用是將內置的參考電壓放大后用作壓力傳感器BP01的偏置電壓Vs,其Vs的值由下式決定：

Vs=Vref（1+R2/R3）

式中：Vref為LM10的內置參考電壓。其值為200mV,將此值連同電路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置電壓Vs的值為5V。

b.前置處理電路

前置處理電路由A3～A6四個運算放大器組成,其中A3構成失調偏置電路以對電路失調進行補償;A5構成跟隨器,用于對壓力傳感器BP01的輸出信號進行隔離緩沖;A4、A6構成放大電路,其增益AV由下式決定：

AV=1+（R1/RT）

若忽略失調,前置處理電路的輸出電壓Vout為：

Vout=2（1+R1/RT）VIN

式中：VIN為壓力傳感器BP01的輸出電壓。

c.顯示電路

顯示電路選用三位半的顯示驅動器。工作時,壓力傳感器BP01的輸出經前置處理電路放大后,由顯示驅動電路來驅動LCD,以讀出測量的血壓值。

3.2調試方法

a.零壓輸出調整

在零壓輸出時,調整失調電位器RP1,在血壓計的顯示值為000.0時,即可認為完成了零壓輸出調整。

b.前置電路增益的調整

壓力傳感器BP01的滿量程輸出與偏置電壓有一定的關系,當5V偏置時,在200mmHg壓力下的輸出為10mV,其對應的顯示驅動電路的輸入為200mV,因此前置電路的增益AV為200mV/10mV,這樣,利用前面Av的計算公式即可反推出增益電阻RT的值。

若選取電阻R1為10kΩ,則增益電阻RT應為1.1kΩ。調試時可先用電位器調整輸出值,再用萬用表測出該電位器的阻值,最后再換成固定電阻。

c.滿量程調整

滿量程調整時,先在顯示電路的輸入端加上200mV電壓,然后調整電位器RP2,使其讀數為199.9mmHg即可。

上調整完成之后,一般應多重復幾次,以使顯示值可靠地符合精度要求。

3.3元器件的選擇

為保證測量精度,上述電路的外圍元器件的選擇也是一個不容忽視的重要環節。一般情況下,電位器RP1、RP2應選用1%精度的金屬膜多圈電位器;電阻應選用1%精度的金屬膜電阻器;電容一般選用聚脂薄膜或者云母電容。結束語

在使用壓力傳感器BP01和其它器件設計便攜式電子血壓計時,應注意的是：對于不同的偏置電壓,其輸出也不同,因而前置處理電路的增益應做相應的調整,以滿足滿量程的不同要求。

第二篇：6-4 傳感器的應用實例教案

6．4 傳感器的應用實例

教學目標

（一）知識與技能

1．了解兩個實驗的基本原理。

2．通過實驗，加深對傳感器作用的體會，培養自己的動手能力。

（二）過程與方法

通過實驗培養動手能力，體會傳感器在實際中的應用。

（三）情感、態度與價值觀

在實驗中通過動手組裝和調試，增強理論聯系實際的意識，激發學習興趣，培養良好的科學態度。

教學重點、難點

重點

1．了解斯密特觸發器的工作特點，能夠分析光控電路的工作原理。2．溫度報警器的電路工作原理。難點

光控電路和溫度報警器電路的工作原理。

教學方法

實驗法、觀察法、討論法。

教學手段

實驗過程中用到的有關器材、元器件等，由實驗室統一準備

教學過程

（一）引入新課

隨著人們生活水平的提高，傳感器在工農業生產中的應用越來越廣泛，如走廊里的聲、光控開關、溫度報警器、孵小雞用的恒溫箱、路燈的自動控制、銀行門口的自動門等，都用到了傳感器．傳感器的工作離不開電子電路，傳感器只是把非電學量轉換成電學量，對電學量的放大，處理均是通過電子元件組成的電路來完成的．

這節課我們就來動手組裝光控開關或溫度報警器。

（二）進行新課 實驗

1、光控開關

1．實驗原理及知識準備

（投影）如圖所示光控電路，用發光二極管LED模仿路燈，RG為光敏電阻，R1的最大電阻為51 kΩ，R2為 330 kΩ，試分析其工作原理．

白天，光強度較大，光敏電阻RG電阻值較小，加在斯密特觸發器A端的電壓較低，則輸出端Y輸出高電平，發光二極管LED不導通；當天色暗到一定程度時，RG的阻值增大到一定值，斯密特觸發器的輸入端 A的電壓上升到某個值（1.6V），輸出端Y突然從高電平跳到低電平，則發光二極管LED導通發光（相當于路燈亮了），這樣就達到了使路燈天明熄滅，天暗自動開啟的目的．

（1）要想在天更暗時路燈才會亮，應該把R1的阻值調大些還是調小些？為什么？

應該把R1的阻值調大些，這樣要使斯密特觸發器的輸入端A電壓達到某個值（如1.6V，就需要RG的阻值達到更大，即天色更暗。

（2）用白熾燈模仿路燈，為何要用到繼電器？

由于集成電路允許通過的電流較小，要用白熾燈泡模仿路燈，就要使用繼電器來啟閉工作電路．

（投影）如圖所示電磁繼電器工作電路，圖中虛線框內即為電磁繼電器，D為動觸點，E為靜觸點．試分析電磁繼電器的工作原理．

當線圈 A中通電時，鐵芯中產生磁場，吸引銜鐵B向下運動，從而帶動動觸點D向下與E接觸，將工作電路接通，當線圈A中電流為零時，電磁鐵失去磁性，銜鐵B在彈簧作用下拉起，帶動觸點D與E分離，自動切斷工作電路．

試說明控制電路的工作原理。

天較亮時，光敏電阻RG阻值較小，斯密特觸發器輸入端A電勢較低，則輸出端Y輸出高電平，線圈中無電流，工作電路不通；天較暗時，光敏電阻RG電阻增大，斯密特觸發器輸入端A電勢升高，當升高到一定值，輸出端Y由高電平突然跳到低電平，有電流通過線圈A，電磁繼電器工作，接通工作電路，使路燈自動開啟；天明后，RG阻值減小，斯密特觸發器輸入端A電勢逐漸降低，降到一定值，輸出端 Y突然由低電平跳到高電平，則線圈A不再有電流，則電磁繼電器自動切斷工作電路的電源，路燈熄滅．

分組實驗。2．溫度報警器

上一節我們學習了火災報警器，它是利用煙霧對光的散射作用，使火災發出的光引起光敏電阻的阻值變化，從而達到報警的目的．這種設計其敏感性是否值的懷疑，你想過嗎？既然發生火災時，環境溫度要升高，我們能不能用溫度傳感器來做成火災報警器呢？

（投影）溫度報警器的工作電路，如圖所示。試分析其工作原理。

常溫下，調整R1的阻值使斯密特觸發器的輸入端A處于低電平，則輸出端Y處于高電平，無電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發聲；當溫度升高時，熱敏電阻RT阻值減小，斯密特觸發器輸入端A電勢升高，當達到某一值（高電平），其輸出端由高電平跳到低電平，蜂鳴器通電，從而發出報警聲，Rl的阻值不同，則報警溫度不同．

怎樣使熱敏電阻在感測到更高的溫度時才報警？

要使熱敏電阻在感測到更高的溫度時才報警，應減小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特觸發器輸入端達到高電平，則熱敏電阻阻值要求越小，即溫度越高．

分組實驗。

（三）課堂總結、點評

本節課主要學習了以下幾個問題：

光控開關

傳感器的應用實例

溫度報警器

（四）實例探究

電磁繼電器與自動控制 【例1】現有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動變阻器、開關和導線若干．如圖所示，試設計一個溫控電路．要求溫度低于某一溫度時，電爐絲自動通電供熱，超過某一溫度時，又可以自動斷電，畫出電路圖說明工作過程．

第六章

傳

感

器

（一）本章知識結構梳理（投影復習提綱，可以印發提綱，要求學生課下預習完成）1．什么是傳感器？它是怎樣的一類元件？

2．熱敏電阻和金屬熱電阻是一回事嗎？它們的阻值隨溫度分別怎樣變化？ 3．霍爾電壓UH=__________，式中各量分別表示什么？ 4．光敏電阻有何特性？

5．傳感器應用的一般模式是怎樣的？請畫圖表示。

6．常用的一種力傳感器是由_________和__________組成的，________是一種敏感元件，現在多用半導體材料組成，受壓時其上表面拉伸，電阻變_____，下表面壓縮，電阻變_____。外力越大，這兩個表面的電壓差值就越_____。

7．指出以下傳感器應用的實例中，所應用的傳感器，或主要元件。（1）電子秤：_________的應用，敏感元件是_________（2）話筒：_________的應用，分_______和_________兩種。

（3）電熨斗：_________的應用，敏感元件是_________，作用：控制________的通斷。（4）電飯鍋：_________的應用，敏感元件是_________，作用：控制________的通斷。（5）測溫儀：_________的應用，測溫元件是________或_________、________、_________。（6）鼠標器：_________的應用，主要元件是________或_________（7）火災報警器：_________的應用，利用煙霧對____________來工作的。

8．如圖所示是光控電路，用發光二極管LED模仿路燈，RG為光敏電阻，R1的最大電阻為51 kΩ，R2為 330 kΩ，試分析其工作原理．

要想在天更暗時路燈才會亮，應該把R1的阻值調大些還是調小些？

9．如圖所示溫度報警器的工作電路，試分析其工作原理。要使熱敏電阻在感測到更高的溫度時才報警，應該把R1的阻值調大些還是調小些？

（二）精題講練

1、熱敏電阻的特性

【例1】如圖所示，將多用表的選擇開關置于“歐姆”擋，再將電表的兩支表筆與負溫度系數的熱敏電阻 R t（負溫度系數熱敏電阻是指阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻）的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中間．若往R t上擦一些酒精，表針將向________（填“左”或“右”）移動；若用吹風機將熱風吹向電阻，表針將向________（填“左”或“右”）移動。

針對練習1：如圖所示，R 1為定值電阻，R 2為負溫度系數的熱敏電阻（負溫度系數熱敏電阻是指阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻），L為小燈泡，當溫度降低時（）

A．R 1兩端的電壓增大

B．電流表的示數增大

C．小燈泡的亮度變強

D．小燈泡的亮度變弱

2、光敏電阻的特性 【例2】如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當照射光強度增大時，（）

A．電壓表的示數增大

B．R2中電流減小

C．小燈泡的功率增大

D．電路的路端電壓增大

跟蹤練習2： 如圖所示，將多用電表的選擇開關置于歐姆檔，再將電表的兩支表筆分別與光敏電阻Rt的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中間．若用不透光的黑紙將Rt包裹起來，表針將向_______（填“左”或“右”）轉動；若用手電筒光照射Rt，表針將向_______（填“左”或“右”）轉動。

3、力傳感器的應用 【例3】如圖所示為某種電子秤的原理示意圖，AB為一均勻的滑線電阻，阻值為R，長度為L，兩邊分別有P1、P2兩個滑動頭，P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態而上下自由滑動，彈簧處于原長時，P1剛好指著A端，P1與托盤固定相連，若P1、P2間出現電壓時，該電壓經過放大，通過信號轉換后在顯示屏上將顯示物體重力的大小．已知彈簧的勁度系數為k，托盤自身質量為m0，電源電動勢為E，內阻不計，當地的重力加速度為g。求：

（1）托盤上未放物體時，在托盤自身重力作用下，P1離A的距離xl．

（2）托盤上放有質量為m的物體時，P1離A的距離x2．

（3）在托盤上未放物體時通常先核準零點，其方法是：調節P2，使P2離A的距離也為xl，從而使P1、P2間的電壓為零．校準零點后，將物體m放在托盤上，試推導出物體質量m與P1、P2間的電壓U之間的函數關系式．

跟蹤練習3：

磁場具有能量，磁場中單位體積所具有的能量叫做能量密度，其值為B2．式中B是磁感應強度，?是磁導率，在空氣中?為一已知常數．為了近似測得條形磁2?鐵磁極端面附近的磁感強度B，一學生用一根端面面積為A的條形磁鐵吸住一相同面積的鐵片P，再用力將鐵片與磁鐵拉開一段微小距離?l，并測出拉力F，如圖所示．因為F所做的功等于間隙中磁場的能量，所以由此可得磁感應強度B與F、A之間的關系為B=_______

4、溫度傳感器的應用

【例4】家用電熱滅蚊器中電熱部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸鋇等半導體材料制成的電阻器，其電阻率與溫度的關系如圖所示，由于這種特性，PTC元件具有發熱、控溫兩重功能，對此以下說法中正確的是（）

A．通電后其功率先增大后減小 B．通電后其功率先減小后增大

C．當其產生的熱量與散發的熱量相等時，溫度保持在t1至t2的某一值不變

D．當其產生的熱量與散發的熱量相等時，溫度保持在t1或t2不變

跟蹤練習4：一般的電熨斗用合金絲作發熱元件，合金絲電阻隨溫度t變化的關系如圖中實線①所示．由于環境溫度以及熨燙的衣物厚度、干濕等情況不同，熨斗的散熱功率不同，因而熨斗的溫度可能會在較大范圍內波動，易損壞衣物．

有一種用主要成分為BaTiO3被稱為“PTC”的特殊材料作發熱元件的電熨斗，具有升溫快、能自動控制溫度的特點．PTC材料的電阻隨溫度變化的關系如圖中實線②所示．試根據圖線分析：

（1）為什么原處于冷態的PTC熨斗剛通電時比普遍電熨斗升溫快？

（2）通電一段時間后電熨斗溫度t自動地穩定在T_____

5、霍爾元件的應用

【例5】 如圖所示，厚度為h、寬為d的導體板放在垂直于它的磁感應強度為B的均勻磁場中，當電流通過導體板時，在導體板的上側面A和下側面A′之間會產生電勢差，這種現象稱為霍爾效應。實驗表明，當磁場不太強時電勢差U，電流I和B的關系為U=k，式中的比例系數k稱為霍爾系數。

霍爾效應可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運動的電子聚集在導體板的一側，在導體板的另一側出現多余的正電荷，從而形成橫向電場，橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力，當靜電力與洛倫茲力達到平衡時，導體板上下兩側之間就會形成穩定的電勢差。

設電流I是由電子定向流動形成的，電子的平均定向速度為v，電量為e，回答下列問題：（1）達到穩定狀態時，導體板上側面A的電勢

下側面Ａ的電勢（填高于、低于或等于）。

（2）電子所受的洛倫茲力的大小為。

（3）當導體板上下兩側之間的電勢差為U時，電子所受的靜電力的大小為

．

（4）由靜電力和洛倫茲力平衡的條件，證明霍爾系數k=

I，其中n代表導體板單位體ne積中電子的個數。

跟蹤練習5：電磁流量計廣泛應用于測量可導電流體（如污水）在管中的流量（在單位時間內通過管內橫截面的流體的體積）。為了簡化，假設流量計是如圖7所示的橫截面為長方形的一段管道，其中空部分的長、寬、高分別為圖中的a、b、c，流量計的兩端與輸送液體的管道相連接（圖中虛線）。圖中流量計的上下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料，現于流量計所在處加磁感應強度為B的勻強磁場，磁場方向垂直于前后兩面。當導電液體穩定地流經流量計時，在管外將流量計上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測得的電流值。已知流體的電阻率為ρ，不計電流表的內阻，則可求得流量為

A．IcIb(bR??)

B．(aR??)BaBcIaIbcC．(cR??)

D．(R??)

BbBa

第三篇：傳感器設計論文

傳感器 課 程 論 文

課程名稱：論文題目：學 院：系 別：專 業：學 號：學生姓名：指導教師：日 期： 傳感器技術 溫度的傳感器設計

合肥通用職業技術學院

機械工程系

機電一體化 機電1301 11130156 張印

邢老師 2015 年 1 月 4日

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傳感器的應用、發展前景及其目前的發展趨勢

近年來，國內外溫度傳感器研發領域取得了很大的進步。溫度傳感器正從結構復雜、功能簡單向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展，為開發新一代溫濕度測控系統創造了有利條件，也將溫度測量技術提高到新的水平。國內數字溫度儀測量溫濕度采用的主要方法有:“溫—阻”法,即采用電阻型的溫度傳感器,利用其阻值隨溫度的變化測量空氣的溫度。受傳感器靈敏度的限制,這類溫濕度儀的精度不是很高,一般條件下還可以滿足需要,但是在環境實驗設備等對精度要求較高的場合就難以滿足要求了。

隨著信息產業的發展及工業化的進步,溫度不僅僅表現在以上幾個方面直接或間接影響著人類基本生活條件, 還表現在對工生物制品、醫藥衛生、科學研究、國防建設等方面的影響。針對以上情況，研制可靠且實用的溫度控制器顯得非常重要。常用溫度傳感器的非線性輸出及一致性較差，使溫度的測量方法和手段相對較復雜，且給電路的調試帶來很大的困難。傳統的溫度測量多采用模擬小信號傳感器，不僅信號調理電路復雜，且溫度值的標定過程也極其復雜，并需要使用昂貴的標定儀器設備。因此對于溫濕度控制器的設計有著很大的現實生產意義。

隨著光學技術在傳感器領域的應用，出現了開關式溫度測量器、輻射式溫度測量器等溫度測量器，使得溫度測量精度和范圍都有較大的提高，其中應用激光技術測溫打破了傳統的近距測溫，可以針對遠程溫度測量[4-5]。

隨著電子技術和自動化的發展，研究開發出數字式集成溫度傳感器。這種傳感器是將溫度和數字電路集成在一起，內部包含了溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、接口電路等，有的還有單片機的中央處理器、隨即存取存儲器和只讀存儲器集成在一起，成功的實現了溫度傳感器的數字化結構。數字式溫度傳感器的采集精度高、測試的可靠性高、又很強的抗干擾能力，這些都是模擬式溫度傳感器不能達到的，由于引入了數字式的溫度反饋，有效地改善了比較器的失調和零點漂移對溫度精度的影響。目前，數字溫度傳感器已經結合了總線技術、等接口和主機進行通信，這種數字化、集成化的傳感器是將溫度傳感器的一個新的發展方向。

溫度傳感器的工作原理

熱敏電阻溫度測量傳感器所采用的材料為鉑金，該傳感器應用了激光調阻和濺射成膜等技術制作形成的。選用鉑電阻的原因是因為其電阻值可以隨著溫度的變化而近似線性的變化，且具有良好的溫度重現性和良好的測試穩定性。

本文設計所使用的是鉑膜溫度傳感器，該傳感器零度時的阻值為1000Ω，該電阻的變化率為0.3851Ω/℃，在測量中薄膜鉑電阻具有體積小，響應快，壽命長，測溫范圍寬，在氧化介質中性能穩定，線性度及精確度高等優點，很適合在便攜式測量儀中使用。

由于熱電阻隨溫度變化而引起電阻的變化值較小，如鉑電阻 Pt1000 在零溫度時的阻值

R0=1000，因此，在傳感器與測量儀器之間的引線過長會引起較大的測量誤差，在實際應用時，通常是熱電阻與儀器或放大器采用兩線或四線制的接線方式。兩線制的引線電阻：鉑電阻不超過 R0的 0.1%，銅電阻不超過 R0的 0.2%。采用四線制可消除連線過長而引起的誤差。

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電橋輸出電壓 V0為

V0=I /2×2R(Rt-Rr)/(2R+Rt+Rr)當 R>>Rt、Rr時，V0=I /(Rt-Rr)其中

Rr為溫漂很小的鉑電阻 Rt為可變電阻 R 為固定電阻

I 為恒流源提供的電流 V0為輸出電壓。

傳感器的動態特性

根據本文的設計，圖1-1為所測得在0℃～ 100℃溫度范圍內鉑電阻的阻值和溫度的關系曲線。并且該圖為傳感器的動態特性。

圖1-1鉑電阻與溫度關系曲線

由圖1-1可以看出，隨著溫度升高鉑電阻的的組織也隨之升高，曲線呈近似線性變化。

傳感器的靜態特性

溫度傳感器探頭采用的材料為鉑金，應用激光調阻和濺射成膜等工藝技術制成。鉑電阻的阻值能夠隨著溫度的變化而近似線性變化，具有良好的溫度重現性和測試穩定性。本文采用的是溫度傳感器探頭如圖1-2所示。

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圖1-2溫度傳感器探頭圖

常用的鉑膜溫度傳感器

圖1-3 溫度傳感器探頭圖

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鉑膜溫度傳感器技術指標

鉑膜溫度傳感器的技術指標見下表 1.鉑電阻的技術指標

2.熱響應時間

在溫度出現階躍變化時，鉑電阻的輸出變化至量程變化50%所需要的時間成為熱響應時間，用T0.5表示。

3.鉑電阻絕緣電阻

常溫絕緣電阻的試驗電壓可取直流 10～100V 任意值，環境溫度在15～35℃范圍內，相對濕度應不大于 80%，常溫絕緣電阻值應大于 100M。

4.鉑電阻允許通過電流

通過鉑電阻的測量電流最大不應超過 1mA。5.公稱壓力

一般是指在長溫下，保護管所能承受的不至于破裂的靜態外壓，承壓數值的大小同保護管的材料，直徑，壁厚，焊接強度等密切相關。

溫度傳感器是指檢測外界溫度的傳感器，它將所測環境中的溫度信號轉換為便于處理，顯示，記錄的電（頻率）信號等，在很多領域都有普遍的應用。

溫度傳感器從使用角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類。前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，來檢測被測物體溫度的變化，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離。檢測從待測物體放射出的紅外線，從而達到測溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比之下運用較多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場合才使用。它是利用轉換元件電磁參數隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關的參量進行檢測的裝置，其中將溫度變化轉換為電阻變化的稱熱電阻傳感器，金屬熱電阻式傳感器簡稱熱電阻，半導體熱電阻式傳感器簡稱熱敏電阻，將溫度變化轉換為電動勢變化的稱為熱電偶傳感器。

溫度檢測采用的最基本的是熱電偶式和熱敏電阻式。熱電偶式應用廣泛，價格便宜而且耐用，種類多，能夠覆蓋非常寬的溫度范圍，最高溫度可達到2000℃。所以本文設計選擇熱敏電阻，該傳感器主要隨溫度的變化阻值發生變化，主要測量范圍為-200℃～ 500℃溫度范圍內測量。其溫度系數大而且穩定，反應速度快，工藝價格低，測溫環境穩定。

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傳感器的內部結構

在傳感器中間沉積了過渡層氧化鎳,同時為了提高鉑薄膜的焊接連接特性,在鎳薄膜上面又沉積了銅薄膜作為導線層,最后在最外層沉積了三氧化二鋁薄膜作為保護膜,起到絕緣保護的作用,其膜系結構設計如圖所示：

由于三氧化二鋁的絕緣特性和高硬度、高穩定性等特點,可以避免傳感器層和銅導線層的氧化,同時也可以保證傳感器的耐腐蝕和耐沖擊,從而保證傳感器長期穩定地工作。

設計小結

利用鉑薄膜的溫度電阻特性以及磁控濺射鍍膜技術設計并制備了薄膜熱阻型溫度傳感器,得到的薄膜傳感器在-200到600攝氏度之間有極高的線性度和穩定性,并且通過對不同工藝參數的分析得到了最佳的制備鉑薄膜的工藝參數:工作壓強0.6 Pa,靶基距60 mm,電源功率120 W。通過對退火溫度的對比分析得到了鉑薄膜最佳的退火溫度為400℃,退火時間為2 h,這些都為制備更為穩定精度更高的鉑薄膜溫度傳感器奠定了良好的基礎。

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第四篇：傳感器的應用和設計

傳感器的設計與應用

王皓 信息114 32311416 摘要：隨著科學技術的發展，電子技術特別是微電子技術的發展，促進了傳感與檢測技術的迅速發展，其應用領域也在迅速擴大，從人們日常生活的衣食住行到各種復雜的工程系統隨處都可以看到傳感與檢測技術的實際應用壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用

關鍵詞:傳感器;設計;應用

The design and application of the

transducer

Wanghao Information 114 32311416 Abstract：With the development of science and technology, the development of electronic technology, microelectronics technology in particular, promoted the rapid development of the sensor and detection technology, its application fields are also expanding rapidly, from the daily life of People's Daily life to all kinds of complicated engineering system everywhere can see sensing and detection technology in the practical application of pressure sensor is a industrial practice is most commonly used one kind of sensor, its widely used in various industrial control environment, involved in water conservancy and hydropower, railway transportation, intelligent buildings, production control, aerospace, military industry, petrochemical, oil, electric power, ships, machine tools, pipe, and many other industries, the following is a brief introduction some commonly used sensor principle and its application Key words: Sensor;Design;Application

一、應變片壓力傳感器原理與應用

力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D轉換和CPU）顯示或執行機構。它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發熱致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。1.1電阻應變片的工作原理

金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：

式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ω·cm2/m）S——導體的截面積（cm2）L——導體的長度（m）

我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情況。

二、電阻應變式傳感器---稱重傳感器

原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。稱重傳感器可以采用兩種不同的輸入、輸出接線方法：一種是四線制接法，另一種是六線制接法(如圖1所示).四線制接法的稱重傳感器對二次儀表無特殊要求,使用起來比較方便,但當電纜線較長時,容易受環境溫度波動等因素的影響;六線制接法的稱重傳感器要求與之配套使用的二次儀表具備反饋輸入接口,使用范圍有一定的局限性,但不容易受環境溫度波動等因素的影響,在精密測量及長距離測量時具有一定的優勢。

在稱重設備中，四線的傳感器用的比較多，如果要將六線傳感器接到四線傳感器的設備上時，可以把反饋正和激勵正接到一起，反饋負和激勵負，接到一起。信號線要注意一點就是，紅色和白色在兩種類型的傳感器上對應的輸出信號是不一樣的。

三、陶瓷壓力傳感器原理及應用

抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標準的信號根據壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，并可以和絕大多數介質直接接觸。

陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度 >2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。

四、電容式傳感器---液位傳感器

原理：電容式液位傳感器系統;它利用被測體的導電率, 通過傳感器測量電路將液位高度變化轉換成相應的電壓脈沖寬度變化, 再由單片機進行測量并轉換成相應的液位高度進行顯示,該系統對液位深度具有測量、顯示與設定功能, 并具有結構簡單、成本低廉、性能穩定等優點。

五、擴散硅壓力傳感器原理及應用 工作原理被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。

六、電感式傳感器---壓力傳感器

原理：電感式壓力傳感器的工作原理是由于磁性材料和磁導率不同，當壓力作用于膜片時，氣隙大小發生改變，氣隙的改變影響線圈電感的變化，處理電路可以把這個電感的變化轉化成相應的信號輸出，從而達到測量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路變化可以分為兩種:變磁阻和變磁導。電感式壓力傳感器的優點在于靈敏度高、測量范圍大；缺點就是不能應用于高頻動態環境。變磁阻式壓力傳感器主要部件是鐵芯跟膜片。它們跟之間的氣隙形成了一個磁路。當有壓力作用時，氣隙大小改變，即磁阻發生了變化。如果在鐵芯線圈上加一定的電壓，電流會隨著氣隙的變化而變化，從而測出壓力。在磁通密度高的場合，鐵磁材料的導磁率不穩定，這種情況下可以采用變磁導式壓力傳感器測量。變磁導式壓力傳感器用一個可移動的磁性元件代替鐵芯，壓力的變化導致磁性元件的移動，從而磁導率發生改變，由此得出壓力值。

七、壓電式傳感器---薄膜傳感器

原理：壓電薄膜（PVDF）是一種獨特的高分子傳感材料，能相對于壓力或拉伸力的變化輸出電壓信號，因此是一種理想的動態應變片，可加工成為高效可靠、低成本的振動傳感器、加速度計或動態開關，也可作為高音頻(>1kHz)至超聲波(可高達100MHz)的高保真傳感器。

八、藍寶石壓力傳感器原理與應用

利用應變電阻式工作原理，采用硅-藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發生滯后、疲勞和蠕變現象；藍寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC以內），因此，利用硅-藍寶石制造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外，硅-藍寶石半導體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復性，確保了高成品率。用硅-藍寶石半導體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價比高。

九、熱電式傳感器---紅外測溫儀

原理：是利用紅外輻射的熱效應，通過溫差電效應、熱釋電效應和熱敏電阻等來測量所吸收的紅外輻射，間接地測量輻射紅外光物體的溫度。

十、壓電壓力傳感器原理與應用

壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。

現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態的應力。

壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。

壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。

十一、光導纖維傳感器---分布式溫度光纖傳感器

原理：單片機接收（數據采集卡ＤＳＰ）的信號，確認需要輸出的載波信號頻率，然后向直接數字合成器（ＤＤＳ）發送指令，直接數字合成器接收該指令后，輸出對應頻率的正弦波信號，信號經過ＬＤ激光器后得到調制激光，該激光信號分為兩路，一路直接輸入雪崩二極管ＡＤＤ２，另一路經耦合器后進入傳感光纖，即為激光沿測溫光纖向前傳播的通道。同時耦合器還有一路回波，即反斯托克斯喇曼背向散射光回波通道。

十二、激光傳感器原理

激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。

激光與普通光不同，需要用激光器產生。激光器的工作物質，在正常狀態下，多數原子處于穩定的低能級E1，在適當頻率的外界光線的作用下，處于低能級的原子吸收光子能量激發而躍遷到高能級E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 為普朗克常數，v 為光子頻率。反之，在頻率為v 的光的誘發下，處于能級E2 的原子會躍遷到低能級釋放能量而發光，稱為受激輻射。激光器首先使工作物質的原子反常地多數處于高能級（即粒子數反轉分布),就能使受激輻射過程占優勢，從而使頻率為v 的誘發光得到增強，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產生大的受激輻射光，簡稱激光。激光具有3 個重要特性。

高方向性（即高定向性，光速發散角小），激光束在幾公里外的擴展范圍不過幾厘米。

高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10 倍以上。高亮度，利用激光束會聚最高可產生達幾百萬度的溫度

十三、智能傳感器---智能溫度傳感器

原理：各檢測單元能獨立完成各自功能，并根據主控機的指令對溫濕度進行實時采集。主控機負責控制指令的發送，并控制各個檢測單元進行溫度采集，收集測量數據，同時對測量結果進行整理和顯示。其中包括單片機、復位電路、溫度檢測、報警電路、鍵盤及顯示、報警電路等部分。

低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到計數器2計數到0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數器1的預置值。

下面詳細介紹下BP01型壓力傳感器及其在便攜式電子血壓計中的應用

概述

BP01型壓力傳感器是為監測血壓而專門設計的,主要用于便攜式電子血壓計。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝,具有高線性、低噪聲和外界應力小的特點;采用內部標定和溫度補償方式,從而提高了測量的精度、穩定性以及可重復性,在全量程范圍內,精度為±1%,零點失調不大于±300μV。BP01的主要性能參數

BP01的內部等效電路和外形封裝如圖1所示;表1所列為BP01在電源電壓Vs為5.0V、環境溫度TA為25℃時的主要性能參數。

BP01的極限參數如下： ·最大工作電壓：20VDC;·最大耐壓：1500 mmHg;·工作溫度范圍：0～70℃;·引腳焊接溫度（最大值）：250℃（2～4秒）。基于BP01的電子血壓計

3.1工作原理

用BP01構成的便攜式電子血壓計的原理電路如圖2所示,它由偏置電源電路（A1、A2）、前置處理電路（A3～A6）、顯示電路（A7）和壓力傳感器（BP01）組成,該血壓計的血壓測量范圍為0～200mmHg,分辨率為0.1mmHg,工作電源為一節9V迭層電池。現將血壓計中各主要電路的工作原理分述如下： a.偏置電源電路

電源電路由帶有內置參考電壓的雙運放LM10組成,A1構成同相放大器,A2構成跟隨器,它們的作用是將內置的參考電壓放大后用作壓力傳感器BP01的偏置電壓Vs,其Vs的值由下式決定：Vs=Vref（1+R2/R3）

式中：Vref為LM10的內置參考電壓。其值為200mV,將此值連同電路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置電壓Vs的值為5V。

b.前置處理電路

前置處理電路由A3～A6四個運算放大器組成,其中A3構成失調偏置電路以對電路失調進行補償;A5構成跟隨器,用于對壓力傳感器BP01的輸出信號進行隔離緩沖;A4、A6構成放大電路,其增益AV由下式決定： AV=1+（R1/RT）

若忽略失調,前置處理電路的輸出電壓Vout為：Vout=2（1+R1/RT）VIN 式中：VIN為壓力傳感器BP01的輸出電壓。c.顯示電路

顯示電路選用三位半的顯示驅動器。工作時,壓力傳感器BP01的輸出經前置處理電路放大后,由顯示驅動電路來驅動LCD,以讀出測量的血壓值。3.2調試方法

a.零壓輸出調整

在零壓輸出時,調整失調電位器RP1,在血壓計的顯示值為000.0時,即可認為完成了零壓輸出調整。

b.前置電路增益的調整

壓力傳感器BP01的滿量程輸出與偏置電壓有一定的關系,當5V偏置時,在200mmHg壓力下的輸出為10mV,其對應的顯示驅動電路的輸入為200mV,因此前置電路的增益AV為200mV/10mV,這樣,利用前面Av的計算公式即可反推出增益電阻RT的值。若選取電阻R1為10kΩ,則增益電阻RT應為1.1kΩ。調試時可先用電位器調整輸出值,再用萬用表測出該電位器的阻值,最后再換成固定電阻。

c.滿量程調整

滿量程調整時,先在顯示電路的輸入端加上200mV電壓,然后調整電位器RP2,使其讀數為199.9mmHg即可。

上調整完成之后,一般應多重復幾次,以使顯示值可靠地符合精度要求。3.3元器件的選擇

為保證測量精度,上述電路的外圍元器件的選擇也是一個不容忽視的重要環節。一般情況下,電位器RP1、RP2應選用1%精度的金屬膜多圈電位器;電阻應選用1%精度的金屬膜電阻器;電容一般選用聚脂薄膜或者云母電容。

致謝

傳感器的種類和作用多種多樣，也有不同的形式，上面介紹的只是冰山一角現在的傳感器多的讓人數不過來，有些看到后還會讓人大吃一驚，感覺相當奇妙，一個好的傳感器，關鍵是要有好的電路設計和思路，這樣才能設計出好的傳感器，才會有更好的應用。參考文獻

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第五篇：傳感器原理及應用結課論文

《傳感器原理及應用》

結課論文

學院: 專業: 姓名: 學號: 指導教師:

1.傳感器的地位和作用

傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。它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。國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量件并按照一定的規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，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

在生活中人的五官分別產生視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺，但是在研究自然界的現象和規律及生產活動中，人的五官運動不夠，這就需要傳感器來檢測人們的器官所不能感知的現象。人們把與人的“五官”相似的部分稱為“電五官”。

現代科學技術使人類社會進入了信息時代，來自自然界的物質信息都需要通過傳感器進行采集才能獲取。如圖1-1所示，人們把電子計算機比作人的大腦，把傳感器比作人的五種感覺器官，執行器比作人的四肢。盡管傳感器與人的感覺器官相比還有許多不完善的地方，但傳感器在諸如高溫、高濕、深井、高空等環境及高精度、高可靠性、遠距離、超細微等方面所表現出來的能力是人的感官所不能代替的。傳感器的作用包括信息的收集、信息數據的交換及控制信息的采集三大內容

1.1傳感器的應用有以下幾個方面

1)傳感器在工業檢測和自動控制系統中的應用

在石油、化工、電力、鋼鐵、機械等工業生產中需要及時檢測各種工藝參數的信息，通過電子計算機或控制器對生產過程進行自動化控制，如下圖所示，傳感器是任何一個自動控制系統必不可少的環節。

2)傳感器在汽車中的應用



目前，傳感器在汽車上不只限于測量行駛速度、行駛距離、發動機旋轉速度以及燃料剩余量等有關參數，而且在一些新設施中，如汽車安全氣囊、防滑控制等系統，防盜、防抱死、排氣循環、電子變速控制、電子燃料噴射等裝置以及汽車“黑匣子”等都安裝了相應的傳感器。美國為實現汽車自動化，曾在一輛汽車上安裝了90多只傳感器去檢測不同的信息。

3)傳感器在家用電器中的應用

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現代家庭中，用電廚具、空調器、電冰箱、洗衣機、電子熱水器、安全報警器、吸塵器、電熨斗、照相機、音像設備等都用到了傳感器。

4)傳感器在機器人中的應用

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在生產用的單能機器人中，傳感器用來檢測臂的位置和角度； 在智能機器人中，傳感器用作視覺和觸覺感知器。在日本，機器人成本的二分之一是耗費在高性能傳感器上的。

5)傳感器在醫學中的應用

在醫療上，應用傳感器可以準確測量人體溫度、血壓、心腦電波，并幫助醫生對腫瘤等進行診斷

6)傳感器在環境保護中的應用

為了保護環境,研制用以監測大氣、水質及噪聲污染的傳感器,已被世界各國所重視。

7)傳感器在航空航天中的應用



飛機、火箭等飛行器上，要使用傳感器對飛行速度、加速度、飛行距離及飛行方向、飛行姿態進行檢測。

8)傳感器在遙感技術中的應用

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在飛機及衛星等飛行器上，利用紫外、紅外光電傳感器及微波傳感器來探測氣象、地質等信息。在船舶上，利用超聲波傳感器進行水下探測。

9)傳感器在軍事方面的應用

利用紅外探測可以發現地形、地物及敵方各種軍事目標。紅外雷達具有搜索、跟蹤、測距等功能，可以搜索幾十到上千千米的目標。紅外探測器在紅外制導、紅外通信、紅外夜視、紅外對抗等方面也有廣泛的應用。

傳感器技術不僅對現代化科學技術、現代化農業及工業自動化的發展起到基礎和支柱的作用，同時也被世界各國列為關鍵技術之一。可以說“沒有傳感器就沒有現代化的科學技術，沒有傳感器也就沒有人類現代化的生活環境和條件”，傳感器技術已成為科學技術和國民經濟發展水平的標志之一。

2.壓力傳感器及其應用

壓力傳感器是將壓力轉換為電信號輸出的傳感器。通常把壓力測量儀表中的電測式儀表稱為壓力傳感器。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件(或應變計)組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉換為位移或應變，然后由位移敏感元件或應變計轉換為與壓力成一定關系的電信號。有時把這兩種元件的功能集于一體。

壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器。一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號，模擬信號是指信息參數在給定范圍內表現為連續的信號。或在一段連續的時間間隔內，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現為任意數值的信號。而通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。

壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統的壓力傳感器以機械結構型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結構尺寸大、質量重，不能提供電學輸出。隨著半導體技術的發展，半導體壓力傳感器也應運而生。其特點是體積小、質量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術的發展，半導體傳感器向著微型化發展，而且其功耗小、可靠性高。壓力傳感器在安全控制系統中經常應用，主要針對的領域是空壓機自身的安全管理系統。在安全控制領域有很多傳感器應用，壓力傳感器作為一種非常常見的傳感器，在安全控制系統中應用也不足為奇。

在安全控制領域應用一般從性能方面來考慮，從價格上的考慮，還有從實際操作的安全性方便性來考慮，實際證明選擇壓力傳感器的效果非常好。壓力傳感器利用機械設備的加工技術將一些元件以及信號調節器等裝置安裝在一塊很小的芯片上面。所以體積小也是它的優點之一，除此之外，價格便宜也是它的另一大優點。在一定程度上它能夠提高系統測試的準確度。在安全控制系統中，通過在出氣口的管道設備中安裝壓力傳感器來在一定程度上控制壓縮機帶來的壓力，這算是一定的保護措施，也是非常有效的控制系統。當壓縮機正常啟動后，如果壓力值未達到上限，那么控制器就會打開進氣口通過調整來使得設備達到最大功率。

3.諧振式傳感器

諧振式傳感器是指利用諧振原理將被測量變化轉換成諧振頻率變化的傳感器。基于諧振技術的諧振式傳感器，自身為周期信號輸出（準數字信號），只用簡單的數字電路即可轉換為微處理器容易接受的數字信號。諧振式傳感器的重復性、分辨率和穩定性等非常優良，又便于和微處理器直接結合組成數字控制系統，是當今人們研究的重點。

3.1諧振式傳感器的優點與應用

諧振式傳感器具有體積小、重量輕、結構緊湊、分辨率高、精度高以及便于數據傳輸、處理和存儲等優點。主要用于測量壓力，也用于測量轉矩、密度、加速度和溫度等。

3.2諧振式傳感器的特征優勢

相對其它類型的傳感器，諧振式傳感器的本質特征與獨特優勢是：

① 輸出信號是周期的，被測量能夠通過檢測周期信號而解算出來。這一特征決定了諧振式傳感器便于與計算機連接，便于遠距離傳輸；

② 傳感器系統是一個閉環結構，處于諧振狀態。這一特征決定了傳感器系統的輸出自動跟蹤輸入；

③ 諧振式傳感器的敏感元件即諧振子固有的諧振特性，決定其具有高的靈敏度和分辨率；

④ 相對與諧振子的振動能量，系統的功耗是極小量。這一特征決定了傳感器系統的抗干擾性強，穩定性好

3.3諧振式傳感器的種類

按諧振元件的不同，諧振式傳感器可分為振弦式、振筒式、振梁式、振膜式和壓電諧振式等。

（1）振弦式傳感器

以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小,通過相應的測量電路,就可得到與拉力成一定關系的電信號。振弦的固有振動頻率f與拉力T的關系為，式中l為振弦的長度，ρ為單位弦長的質量。振弦的材料與質量直接影響傳感器的精度、靈敏度和穩定性。鎢絲的性能穩定、硬度、熔點和抗拉強度都很高,是常用的振弦材料。此外,還可用提琴弦、高強度鋼絲、鈦絲等作為振弦材料。振弦式傳感器由振弦、磁鐵、夾緊裝置和受力機構組成。振弦一端固定、一端連接在受力機構上。利用不同的受力機構可做成測壓力、扭矩或加速度等的各種振弦式傳感器。（2）振筒式傳感器

以振動的金屬薄圓筒為敏感元件的諧振式傳感器。振筒的固有振動頻率決定于筒的形狀、大小、材料的彈性模量、筒的應力和周圍介質的性質。被測參量的變化使得筒的某一物理特性被改變，從而改變了筒的固有振動頻率，通過測量筒的振動頻率即可達到測量被測參量的目的。振筒式傳感器已經發展到較高水平，主要用于測量氣體壓力和密度等（3）振梁式傳感器

以彈性梁為敏感元件的諧振式傳感器。振梁的固有振動頻率隨它兩端所受的力而變化，通過相應的測量電路就可獲得與被測力成一定關系的頻率信號。振梁一般連接于彈性受力機構上以感受被測壓力。振梁式傳感器用于測量靜態或緩變壓力。（4）振膜式傳感器

以圓形恒彈性合金膜片為敏感元件的諧振式傳感器。膜片的固有振動頻率隨膜片上所受壓力的變化而變化，通過相應的測量電路就可獲得與被測壓力成一定關系的頻率信號。振膜式傳感器廣泛用于壓力測量，它由空腔、壓力膜片、振動膜片、激勵線圈、拾振線圈和放大振蕩電路組成。在空腔受壓力影響時,壓力膜片即發生變形,裝在壓力膜片支架上的振膜則因支架角度改變而發生剛度變化。膜片的振動頻率取決于振膜的剛度、壓力膜片和支架的剛度。在振膜的兩側分別放置激勵線圈和拾振線圈。工作時，激勵線圈接通交變電流而使膜片產生振動，拾振線圈則將所感應的振動信號送往放大振蕩電路，該信號經放大后又正反饋給激勵線圈，使振膜保持它固有頻率的振動。激勵線圈和拾振線圈還可以用兩個壓電元件代替，其結構也可做成使振膜直接感受被測壓力。作為拾振器的壓電元件利用正壓電效應將振動信號送往放大器，該信號經放大后又正反饋到作為激振器的壓電元件，利用逆壓電效應產生振動激勵以維持膜片的振動。為提高穩定性，壓電元件的固有振蕩頻率應遠離振膜的固有振蕩頻率，并設置高頻衰減網絡抑制高頻振蕩。

3.4諧振式傳感器設計要點

（1）諧振子的選擇及其振動特性（即振動模態，包括諧振頻率和振型）的分析、計算，確定諧振子的實際結構、參數及所敏感的振動特征參數。這部分工作的核心是建立諧振式傳感器的模型，優化出一個高Q值、高靈敏度的諧振子；

（2）檢測源、激勵源的選擇以及諧振子的配合問題。主要包括它們與諧振子的相對位置的選擇與激勵能量大小的確定；

（3）檢測信號的接收、處理、轉換及按幅相條件設計的。對于靈敏頻率的諧振式傳感器要在滿量程內綜合考慮，而敏感幅值比、相位差的諧振式傳感器要合理設計出“雙閉環”系統，并選擇好參考位置。

（4）引入恰當的補償機制，解算檢測信號，給出被測量。