現(xiàn)代傳感器應(yīng)用技術(shù)論文

1、 檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)課論文 班級(jí)：電力系統(tǒng)8班 學(xué)號(hào)：13230801姓名：白智揚(yáng)現(xiàn)代傳感器應(yīng)用技術(shù)傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，其水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。傳感器產(chǎn)業(yè)也是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，它以其技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人矚目。改革開(kāi)放20多年來(lái)，我國(guó)的傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，主要表現(xiàn)在：一是建立了“傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“微米/納米國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“國(guó)家傳感技術(shù)工程中心”等研究開(kāi)發(fā)基地；二是MEMS、MOEMS等研究項(xiàng)目列入了國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)；三是在“九五”國(guó)家重點(diǎn)科

2、技攻關(guān)項(xiàng)目中，傳感器技術(shù)研究取得了51個(gè)品種86個(gè)規(guī)格的新產(chǎn)品；四是初步建立了敏感元件與傳感器產(chǎn)業(yè)，2000年總產(chǎn)量超過(guò)13億只，品種規(guī)格已有近6000種，并已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)和國(guó)防建設(shè)中得到一定應(yīng)用。因?yàn)閭鞲衅魉婕暗膬?nèi)容很多，而我所學(xué)的知識(shí)有有限，所以本文僅就電感式傳感器的原理及應(yīng)用做一下簡(jiǎn)單的介紹。電感式傳感器 （inductance type transducer）是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移，壓力，流量，振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。 電感式傳感器具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此

3、工作可靠壽命長(zhǎng)。 （2）靈敏度和分辨力高，能測(cè)出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出。 （3）線(xiàn)性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線(xiàn)性誤差可達(dá)0.05%0.1%。同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低，不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)控等缺點(diǎn)。電感式傳感器種類(lèi)很多，常見(jiàn)的有自感式，互感式和渦流式三種。因?yàn)橹R(shí)水平有限，本文主要對(duì)自感式和電感式傳感器做一個(gè)詳細(xì)的介紹。1.1自感式傳感器的工作原理：自感式電感傳感器屬于電感式傳感器的一種。它是利用線(xiàn)圈

4、自感量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，它由線(xiàn)圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵都導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，使銜鐵產(chǎn)生位移，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線(xiàn)圈的電感量變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。 這種傳感器又稱(chēng)為變磁阻式傳感器。2.1自感式傳感器的特點(diǎn)：無(wú)活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長(zhǎng)；分辨率高；靈敏度高；線(xiàn)性度高、重復(fù)性好；測(cè)量范圍寬（測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低）；無(wú)輸入時(shí)有零位輸出電壓，引起測(cè)量誤差；對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn)

5、換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測(cè)量。常用自感式傳感器有變間隙型、有變面積型和螺旋管插鐵型。3.1電渦流式傳感器的工作原理：電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，并能進(jìn)行非接觸測(cè)量，適用范圍廣。目前，這種傳感器已廣泛用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)，以及用于無(wú)損探傷領(lǐng)域。如圖所示，有一通以交變電流的傳感器線(xiàn)圈。由于電流的存在，線(xiàn)圈周?chē)彤a(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。若被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)H2，H2與H1方向相反，力

6、圖削弱原磁場(chǎng)H1,從而導(dǎo)致線(xiàn)圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線(xiàn)圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線(xiàn)圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)參數(shù)改變，其余皆不變，就能構(gòu)成測(cè)量該參數(shù)的傳感器。3.2電渦流式傳感器的分類(lèi)電渦流式傳感器按用途可分為測(cè)量位移、接近度和厚度的傳感器；按結(jié)構(gòu)可分為變間隙型、可變面積型、螺管型和低頻透射型4類(lèi)。 變間隙型這種傳感器結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，主要元件是一個(gè)固定于傳感器端部的線(xiàn)圈。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體與線(xiàn)圈之間的間隙發(fā)生變化時(shí)，就引起線(xiàn)圈電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)變化，從而能在接到線(xiàn)圈上的測(cè)量電路內(nèi)得到正比于間隙變化的電流或電壓變化。為改善性能

7、可在線(xiàn)圈內(nèi)加入磁芯?？勺兠娣e型這種傳感器由繞在矩形框架上的線(xiàn)圈構(gòu)成，它利用被測(cè)導(dǎo)體和傳感器線(xiàn)圈之間相對(duì)覆蓋面積的變化所引起的電渦流效應(yīng)強(qiáng)弱的變化來(lái)測(cè)量位移。為補(bǔ)償間隙變化引起的誤差常使用兩個(gè)串接的線(xiàn)圈，置于被測(cè)物體的兩邊。它的線(xiàn)性測(cè)量范圍比變間隙型的大，而且線(xiàn)性度較高。 螺旋管型這種傳感器由螺管和插入螺管的短路套筒組成，套筒與被測(cè)物體相連。套筒沿軸向移動(dòng)時(shí)，電渦流效應(yīng)引起螺管阻抗變化。這種傳感器有較好的線(xiàn)性度，但是靈敏度較低，具有與螺管型電感式傳感器相似的特性，但沒(méi)有鐵損。 低頻透射型它由分別位于被測(cè)金屬板材兩面的發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈組成，適于測(cè)量金屬板材的厚度。發(fā)射線(xiàn)圈L1接到振蕩器上后所產(chǎn)生

8、的磁力線(xiàn)穿過(guò)金屬板M,于是在接收線(xiàn)圈 L2兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2。由于金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流使到達(dá)L2的磁力線(xiàn)減小。金屬板的厚度越大，透射的磁力線(xiàn)越少,因而u2也就越小。u2與之間呈指數(shù)變化關(guān)系：u2e-/h，式中h為磁力線(xiàn)的貫穿深度。貫穿深度取決于激勵(lì)頻率，為使貫穿深度大于板材厚度，要將頻率選得低些。頻率低還可改善線(xiàn)性度。激勵(lì)頻率一般選在500赫左右。3.3電渦流式傳感器的應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn)電渦流式傳感器能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，而且是根據(jù)與被測(cè)導(dǎo)體的耦合程度來(lái)測(cè)量，因此可以通過(guò)靈活設(shè)計(jì)傳感器的構(gòu)形和巧妙安排它與被測(cè)導(dǎo)體的布局來(lái)達(dá)到各種應(yīng)用的目的。 在測(cè)量位移方面，除可直接測(cè)量金屬零件的動(dòng)態(tài)位移、汽輪機(jī)主軸的軸

9、向竄動(dòng)等位移量外，它還可測(cè)量如金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線(xiàn)張力、流體壓力、加速度等可變換成位移量的參量。 在測(cè)量振動(dòng)方面，它是測(cè)量汽輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng)和汽輪機(jī)葉片振幅的理想器件。還可以用多個(gè)傳感器并排安置在軸側(cè)，并通過(guò)多通道指示儀表輸出至記錄儀，以測(cè)量軸的振動(dòng)形狀并繪出振型圖。 在測(cè)量轉(zhuǎn)速方面，只要在旋轉(zhuǎn)體上加工或加裝一個(gè)有缺口的圓盤(pán)狀或齒輪狀的金屬體，并配以電渦流傳感器，就能準(zhǔn)確地測(cè)出轉(zhuǎn)速。 此外，利用導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系，保持線(xiàn)圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的距離及其他參量不變，就可以測(cè)量金屬材料的表面溫度，還能通過(guò)接觸氣體或液體的金屬導(dǎo)體來(lái)測(cè)量氣體或液體的溫度。 電渦流測(cè)溫是非

10、接觸式測(cè)量，適用于測(cè)低溫到常溫的范圍，且有不受金屬表面污物影響和測(cè)量快速等優(yōu)點(diǎn)。 3.4與光電傳感器的對(duì)比光敏電阻可用于進(jìn)行光的測(cè)量和光的控制，測(cè)量方面主要是用于測(cè)量光強(qiáng)，控制方面最常見(jiàn)的就是路燈控制和樓道感應(yīng)燈的控制，在電路接通的狀態(tài)下，路燈會(huì)隨著周?chē)鈴?qiáng)的變化而變化，樓道中的燈白天不亮晚上亮也利用了光敏電阻的對(duì)光的感應(yīng)特點(diǎn)。光敏電阻還被應(yīng)用于海上導(dǎo)航，通常海上的浮標(biāo)用的就是光敏電阻作為航道燈的開(kāi)關(guān)，到晚上光敏電阻阻值變小，接通控制電路，將燈打開(kāi)；白天光敏電阻增大將控制電路斷開(kāi)，關(guān)掉電燈。光敏管大體有開(kāi)關(guān)作用，環(huán)境光檢測(cè)作用，各種光線(xiàn)接收作用。在太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制中，做光電檢測(cè)用，接受太陽(yáng)光

11、，校正方位。光敏二級(jí)管被應(yīng)用于收音機(jī)、電視、電腦等設(shè)備中，比如用LED發(fā)光二極光替代液晶顯示器背后的光源，能達(dá)到節(jié)能且穩(wěn)定的作用。光敏三極管可用來(lái)控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，其主要原因是三極管對(duì)光照強(qiáng)度十分敏感，可以根據(jù)光照強(qiáng)弱來(lái)控制電流大小，從而在繼電器的配合下控制開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。由于光敏管對(duì)光的敏感性很高，還可用于測(cè)量溫度，因?yàn)椴煌瑴囟鹊奈矬w輻射的光不同，以此可以間接測(cè)量溫度。此外，光敏三極管還可用于傳輸信號(hào)，如藕合器，光耦合器亦稱(chēng)光電隔離器，簡(jiǎn)稱(chēng)光，光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)，它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。另外，紅光光敏管可用于測(cè)量紅外線(xiàn)，這一點(diǎn)可用來(lái)做夜視儀硅光電池在日常生活中也是十分常見(jiàn)的，因?yàn)樗軐⒐饽苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，像一些太?yáng)能發(fā)電板和太陽(yáng)能電池中就有硅光電池，被廣泛用于衛(wèi)星、太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能熱水器以及手機(jī)等。光電傳感器的用途很多很廣，還有一些等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。比如我們經(jīng)常抱怨陽(yáng)光下看不清手機(jī)和電腦，我們可以利用光敏器件來(lái)改變手機(jī)和電腦的屏幕亮度，從而更能看清楚，。還有我們的空調(diào)，可以通過(guò)檢測(cè)紅外線(xiàn)自動(dòng)調(diào)至人的舒適溫度，當(dāng)溫度過(guò)低或過(guò)高就開(kāi)啟調(diào)節(jié)裝置，若在人體舒適范圍左右則可關(guān)閉調(diào)節(jié)裝置，從而節(jié)省能源。我們