傳感器實驗報告

傳感器測位移傳感器是一種物理裝置或者生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或者化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或者器官。一、傳感器的作用：英文名稱：transducer/sensor國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)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(guī)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(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)?！皞鞲衅鳌痹谛马f式大詞典中定義為：－“從一個系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件”。根據(jù)這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，所以不少學者也用“換能器－Transducer”來稱謂“傳感器－Sensor”。二、傳感器的作用：人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。新技術(shù)革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)學科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，進入了許多新領(lǐng)域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到cm的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到s的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了對深化物質(zhì)認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術(shù)將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。三、傳感器的原理：傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉(zhuǎn)換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應(yīng)變橋檢測得到的mV級的應(yīng)變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉(zhuǎn)換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉(zhuǎn)的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動—靜環(huán)之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運作的?；瘜W傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。四、傳感器的應(yīng)用：常見的：1.自動門，利用人體的紅外微波來開關(guān)門2.煙霧報警器，利用煙敏電阻來測量煙霧濃度，從而達到報警目的3.手機，數(shù)碼相機的照相機，利用光學傳感器來捕獲圖象4.電子稱，利用力學傳感器（導體應(yīng)變片技術(shù)）來測量物體對應(yīng)變片的壓力，從而達到測量重量目的5.水位報警，溫度報警，濕度報警，光學報警等都是……智能傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域中。例如,它在機器人領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)用前景,智能傳感器使機器人具有類人的五官和大腦功能,可感知各種現(xiàn)象,完成各種動作。在工業(yè)生產(chǎn)中,利用傳統(tǒng)的傳感器無法對某些產(chǎn)品質(zhì)量指標(例如,黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等)進行快速直接測量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測量與產(chǎn)品質(zhì)量指標有函數(shù)關(guān)系的生產(chǎn)過程中的某些量(如溫度、壓力、流量等)。Cygnus公司生產(chǎn)了一種"葡萄糖手表",其外觀像普通手表一樣,戴上它就能實現(xiàn)無疼、無血、連續(xù)的血糖測試。"葡萄糖手表"上有一塊涂著試劑的墊子,當墊子與皮膚接觸時,葡萄糖分子就被吸附到墊子上,并與試劑發(fā)生電化學反應(yīng),產(chǎn)生電流。傳感器測量該電流,經(jīng)處理器計算出與該電流對應(yīng)的血糖濃度,并以數(shù)字量顯示。五、傳感器的功能：常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：光敏傳感器——視覺聲敏傳感器——聽覺氣敏傳感器——嗅覺化學傳感器——味覺壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺敏感元件的分類：①物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。②化學類，基于化學反應(yīng)的原理。③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將敏感元件分46類）。傳感器的特性傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。（1）線性度：指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程范圍內(nèi)實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。（2）靈敏度：靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量之比。用S表示靈敏度。（3）遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。（4）重復(fù)性：重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。（5）漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。六、傳感器動態(tài)特性：所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應(yīng)容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。傳感器的線性度通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。傳感器的靈敏度靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度S是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。傳感器的分辨率分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨率時，其輸出才會發(fā)生變化。通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點的分辨率并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨率的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。分辨率與傳感器的穩(wěn)定性有負相相關(guān)性。七、測位移傳感器：利用霍爾型傳感器測位移霍爾效應(yīng)定義：金屬或半導體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。如下圖：eecIIdV’aEHVFEFLb++++++++++++++-------------------霍爾元件原理：由于運動電荷受磁場中洛侖茲力作用的結(jié)果，設(shè)在N型半導體薄片上通以電流I，則半導體中的載流子（電子）沿著與電流方向相反運動（速度V），由于在垂直于半導體薄片平面的方向上施加磁場B，所以電子受洛侖茲力的作用，向一邊偏轉(zhuǎn)（虛線所示），并使該邊形成電子積累，而另一邊則為正電荷積累，于是形成電場，該電場阻止運動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當電場作用在運動電子上的力與洛侖茲力相等時，電子的積累便達到動態(tài)平衡，在薄片兩橫斷面之間建立電場，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢。其中：其中：另則（N型半導體的較大，很高。所以，RH大。）另（）霍爾元件靈敏度。連接電路圖：輸出特性線：利用電阻式傳感器測位移電阻式傳感器原理：電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng),即在導體產(chǎn)生機械變形時,它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。如下圖所示,一根金屬電阻絲,在其未受力時,原始電阻值為R=式中:ρ——電阻絲的電阻率;L——電阻絲的長度;S——電阻絲的截面積。當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應(yīng)減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值相對變化量為式中ΔL/L是長度相對變化量,用應(yīng)變ε表示ΔS/S為圓形電阻絲的截面積相對變化量,即當電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了dρ，從而引起電阻值相對變化量軸向應(yīng)變徑向應(yīng)變式中,μ為電阻絲材料的泊松比，負號表示應(yīng)變軸向方向相反。得:通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。連接電路圖：輸出特性曲線：利用差動變壓器測位移：差動變壓器原理：差動變壓器式傳感器,簡稱差動變壓器（LinerVariableDifferentialTransformer簡稱LVDT）,它是一個有可動鐵芯和兩個次級線圈的變壓器。傳感器的可動鐵芯和待測物相連,兩個次級線圈接成差動形式,可動鐵芯的位移利用線圈的互感作用轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢的變化,從而得到待測位移。由差動變壓器的靈敏度表達式可知,傳感器的靈敏度將隨電源電壓Usr和變壓比N2/N1的增大而提高,隨起始間隙增大而降低。一般情況下取N2/N1=1~2,太大時,次級線圈的輸出阻抗過高,易受外部干擾