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1、福建電力職業(yè)技術學院2015屆?？粕厴I(yè)論文
摘 要
隨著計算機輔助設計技術（CAD）、微機電系統(tǒng)（MEMS）技術、光纖技術和信息技術的發(fā)展，獲取各種信息的傳感器已經(jīng)成為各個應用領域，特別是自動檢測、自動控制系統(tǒng)中不可缺少的重要技術工具，越來越成為信息社會賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術基礎。因此，在當今信息時代掌握傳感器技術尤為重要。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用傳感器的類型、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
2、及在以后的發(fā)展。
關鍵詞：傳感器，機電一體化
14
目 錄
前言
一、傳感器的定義與組成..............................................4
二、傳感器在機電一體化技術中的地位及作用........................4
三、常用傳感器的類型、特點、結構及用途..........................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、機電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇..................................7
五、機電一體化系統(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、結論
七、參考文獻
八、謝辭
前 言
傳感器作為機電一體化技術中不可缺少的部分，作為一名機電一體化專業(yè)的學生，我們必須了解傳感器的在機電一體化技術中所扮演的角色，了解傳感器的分類、組成、功能等。了解和學習傳感器技術對于我們今后的學習和工作都有很大的幫助。傳感器作為信息集訓的一脈正在越來越廣泛的普
5、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。
一、傳感器的定義與組成
傳感器是一種能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉換成可以用輸出信號的器件或裝置。傳感器一般由敏感元件、轉換元件和信號調(diào)理與轉換電路組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或直接響應的被測的部分；轉換元件是指傳感器中 將敏感
6、元件感受或響應的被測量轉換成適用于傳輸或檢測的信號部分。由于傳感器的輸出信號一般都很微弱，因此有信號調(diào)理與轉換電路對其進行放大、運算和調(diào)制等。
信號調(diào)理與轉換電路
轉換元件
敏感元件
被測量
輔助電源
圖1 傳感器的組成
二、傳感器在機電一體化技術中的地位及作用
一個典型的機電一體化技術結構框圖如圖2所示。
傳感器技術
信息技術
微電子技術
7、
機電一體化技術
信號變換技術
接口技術
電工電子技術
圖2
由圖可見，在機電一體化系統(tǒng)中，傳感器是必不可少的部分。傳感器在機電一體化技術中扮演著不可缺少的角色。機電一體化技術想要發(fā)展就離不開傳感器技術。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)受嚴酷環(huán)境的考驗，是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證?，F(xiàn)今機電一體化技術中的機器人技術的快速發(fā)展也離不開傳感器，如果沒有傳感器那么機器人將寸步難行。傳感器其作用相當于系統(tǒng)的感受器官，它能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境的考驗
8、，是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。如果缺少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對象信息精確而可靠的自動檢測，那么系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實現(xiàn)。
三、常用傳感器的類型、特點、結構及用途
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換為電阻值變化的傳感器。它主要包括電阻應變式傳感器、電位器式傳感器和錳銅壓阻傳感器等。
結構：由電阻元件及電刷(活動觸點)兩個基本部分組成。電刷相對于電阻元件的運動可以是直線運動、轉動和螺旋運動，因而可以將直線位移或角位移轉換為與其成一定函數(shù)關系的電阻或電壓輸出。
特點：電阻式傳感器具有結構簡單、輸出精度較高、線性和
9、穩(wěn)定性好等特點。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的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、加速度、扭矩等測量儀表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學和國防等部門進行自動稱重、過程檢測和實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化不可缺少的工具之一 。
3.2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。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
結構: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。
特點：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、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。
用途：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。
3.3電感式傳感器
11、
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。電感式傳感器種類很多，常見的有自感式，互感式和渦流式三種。
特點： ①無活動觸點、可靠度高、壽命長；②分辨率高；③靈敏度高；④線性度高、重復性好；⑤測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低）；⑥無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差；⑦對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；⑧不適用于高頻動態(tài)測量。
用途：電感式傳感器主要用于測量微位移，凡是能轉換成位移變換的參數(shù)，如壓力，力，壓差，加速度，振動，應變，流量，厚度，液體等都可以用電感
12、傳感器來進行測量。
3.4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量輸出。
特點：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。
用途：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、加速度計)。廣泛應用于工程力學、生物醫(yī)學
13、、電聲學等技術領域。
四、機電一體化系統(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、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
14、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
15、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
16、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。
五、機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展
在當前信息時代，對于傳感器的需求日益增多，同時對其性能要求也越來越高。隨著計數(shù)機輔助設計技術、微機電技術、光纖技術等技術的迅速發(fā)展，傳感器技術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由于受到計算機輔助設計和微電機技術的發(fā)展的影響向著微型化發(fā)展。傳感器必須配有標準的輸出模式；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成，具有體積小、重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點。傳感器的微型化已經(jīng)遍布我們生活的各個方面了。就當前技術發(fā)展現(xiàn)狀來看，微型傳感器已經(jīng)對大量不同應用領域，如航空、遠距離探測、醫(yī)療及工業(yè)自動化等領域的信號探測系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠影響；目前開發(fā)并進入實用階段的微型傳感器已可以用來測量各種物理量、化學量和生物量，如位移、速度、加速度、壓力、應力、應變、
18、聲、光、電、磁、離子濃度及生物分子濃度等。
另一方面，敏感光纖技術的發(fā)展也促進了傳感器的微型化。光纖傳感器的工作原理是將光作為信號載體，并通過光纖來傳送信號。光纖傳感器的有著重量輕、體積小、敏感性高、動態(tài)范圍大、傳送頻帶寬、易于轉向作業(yè)等優(yōu)點。光纖傳感器還可以運用于3D表面的無觸點測量。近年來，隨著半導體激光LD、CCD、CMOS圖形傳感器等新一代設備的問世，光纖無觸點測量技術得到了空前的發(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80年代末出現(xiàn)的
19、另外一種涉及多種學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，尤其在探測器應用領域，如分布式實時探測、網(wǎng)絡探測和多信號探測方面一直頗受歡迎，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，而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷的傳感器系統(tǒng)。這一類傳感器就相當于是微型機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的硬件設備。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優(yōu)點：
1）智能化傳感器不但能夠對信息進行處理、分析和調(diào)節(jié)，能夠對所測的數(shù)值及其誤差進行補償，而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷，能夠借助于一覽表對非線性信號
20、進行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波數(shù)字信號。
2）智能化傳感器具有自診斷和自校準功能，可以用來檢測工作環(huán)境。3）智能化傳感器能夠完成多傳感器多參數(shù)混合測量，從而進一步拓寬了其探測與應用領域，而微處理器的介入使得智能化傳感器能夠更加方便地對多種信號進行實時處理。
4）智能化傳感器既能夠很方便地實時處理所探測到的大量數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)需要將它們存儲起來。
5）智能化傳感器備有一個數(shù)字式通信接口，通過此接口可以直接與其所屬計算機進行通信聯(lián)絡和交換信息。智能化傳感器無疑將會進一步擴展到化學、電磁、光學和核物理等研究領域?？梢灶A見，新興的智能化傳感器將會在關系到全人類國民生的各個領域發(fā)揮越來越大作
21、用
結 論
經(jīng)過本次論文設計，我從中學到了很多的知識，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，使我對傳感器有了更深刻認識。為了此次撰寫傳感器論文，我在圖書館借閱了一些資料，同時也在互聯(lián)網(wǎng)上進行了相關知識的搜索，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，通過對這些知識的探索，使我更進一步加深了對傳感器知識的認識理解，對在其社會上的所取的重要性也有了一個初步的認識，也加深了對本專業(yè)知識的認識，同時也對那些從未聞其名的傳感器由了一定的了解，而這些對以后的工作和學習都是一筆不菲的財富，真的受益匪淺。
謝 辭
本論文是在王老師悉心指導下完成的，
22、導師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不禁使我樹立了遠大的學術目標、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，每一步都是在導師的指導下完成的，傾注了導師大量的心血。在此，謹向導師表示崇高的敬意和衷心的感謝!
本論文的順利完成，離不開各位老師、同學和朋友的關心和幫助。在此感謝老師和同學們對我的支持和幫助;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長存。
參考文獻：本課題綜合《傳感器技術》《機電一體化技術》《控制電機》等相關知識進行編寫
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