傳感器7874679729

1、傳感器論文學(xué)院：信息工程學(xué)院 專業(yè)：電子信息工程 學(xué)號(hào)：200811214 姓名:袁廣彬 一：傳感器的地位及作用 沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的有利工具。 傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。 沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。 傳感器是邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的

2、工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。 可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步等方面起著重要作用。尤其是今天現(xiàn)在，信息技術(shù)對社會(huì)發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步起了決定性的作用?，F(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)包括信息采集、信息傳輸與信息處理。信息采集離不開傳感器技術(shù)。傳感器位于信息采集系統(tǒng)之首、檢測與控制之前，是感知、獲取與檢測的最前端。 科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過程中所要獲取的各類信息，都須通過傳感器獲取并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。沒有傳感器技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)信息技術(shù)的發(fā)展就成為一句空話。若將計(jì)算機(jī)比喻為人的大腦，那么傳感器則可比喻為感覺器官?？梢栽O(shè)想，沒有功能正常而完善的感覺器官來迅速、準(zhǔn)確地采集與轉(zhuǎn)換外界信息，縱

3、使有再好的大腦也無法發(fā)揮其應(yīng)有的效能。科學(xué)技術(shù)越發(fā)達(dá)，自動(dòng)化程度越高，工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對傳感器的依賴性越大。20世紀(jì)80年代以來，世界各國相繼將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。 傳感器廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。在基礎(chǔ)學(xué)科和尖端技術(shù)的研究中，大到上千光年的茫茫宇宙，小到10-13cm的粒子世界；長到數(shù)十億年的天體演化，短到10-24s的瞬間反應(yīng)，高達(dá)5×1041×10-8度的超高溫，低到10-6K以下的超低溫；從25T超強(qiáng)磁場，到10-11T的超弱磁場要完成如此極巨和極微信息的測量，單靠人的感官和一般電子設(shè)備早已無能為力，必須憑借配備有專門傳感器的高精度測試儀器或大型測試系

4、統(tǒng)的幫助。傳感器技術(shù)的民展，正在把人類感知、認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的能力推向一個(gè)新的高度。 在工業(yè)領(lǐng)域和國防領(lǐng)域，高度自動(dòng)化的裝置、系統(tǒng)、工廠和設(shè)備是傳感器的大集合地。從工業(yè)自動(dòng)化中的柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、幾十萬千瓦的大型發(fā)電機(jī)組、連續(xù)生產(chǎn)的軋鋼生產(chǎn)線、無人駕駛汽車、多功能武器指揮系統(tǒng)，直至宇宙飛船或星際、海洋探測器等，無不裝置數(shù)以千計(jì)的傳感器，晝夜發(fā)送各種各樣的工況參數(shù)，以達(dá)到監(jiān)控運(yùn)行的目的，成為運(yùn)行精度、生產(chǎn)速度、產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備安全的重要保障。 在生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、安全防范、家用電器等與人們生活密切相關(guān)的方面，傳感器的應(yīng)用也已層出不窮。可以肯定地說，未來

5、的社會(huì)將是充滿傳感器的世界。二：電子式壓力式傳感器的設(shè)計(jì)我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到機(jī)械力作用發(fā)生變形時(shí)，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時(shí)候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng)，這就是所謂的極化效應(yīng)?？茖W(xué)家就是根據(jù)這個(gè)效應(yīng)研制出了壓電傳感器。  壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因?yàn)榻?jīng)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(shí)才得到保存。實(shí)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(dòng)態(tài)的應(yīng)力。2.1 背景壓力傳感器中主要使用的壓電材料

6、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(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(shù)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(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。早在1954年美國C.S.Smith首先確認(rèn)了半導(dǎo)體壓電效應(yīng)，1955年C.Herring指出：這種壓電電阻效應(yīng)是由于應(yīng)

7、力的作用，引起導(dǎo)體與價(jià)電子帶能量狀態(tài)的變化，以及載流子數(shù)量與遷移率變化所產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。日本從1970年開始研究開發(fā)，首先應(yīng)用在血壓計(jì)上，之后在過程控制領(lǐng)域及轎車發(fā)動(dòng)機(jī)控制部分都獲得了廣泛的應(yīng)用。最近幾年在家用電器、裝配機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域普遍采用電子壓力傳感器作為壓力控制、壓力監(jiān)控和判斷真空吸附的效果。圖1 電子壓力傳感器模型2.2 設(shè)計(jì)目的圖2是壓力傳感器在全自動(dòng)洗衣機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例。如圖所示，利用氣室，將在不同水位情況下水壓的變化，作為空氣壓力的變化檢測出來，從而可以在設(shè)定的水位上自動(dòng)停止向洗衣機(jī)注水。 圖2 壓力傳感器在全自動(dòng)洗衣機(jī)中的應(yīng)用2.3 工作原理圖1為PS壓力傳感器的截面結(jié)構(gòu)圖，圖

8、2為其傳感器部分的結(jié)構(gòu)。如圖所示，在壓力傳感器半導(dǎo)體硅片上有一層擴(kuò)散電阻體，如果對這一電阻體施加壓力，由于壓電電阻效應(yīng)，其電阻值將發(fā)生變化。受到應(yīng)變的部分，即膜片由于容易感壓而變薄，為了減緩來自傳感器底座應(yīng)力的影響，將壓力傳感器片安裝在玻璃基座上。  如圖2（b）所示，當(dāng)向空腔部分加上一定的壓力時(shí)，膜片受到一定程度的拉伸或收縮而產(chǎn)生形變。壓電電阻的排列方法如圖3所示，受到拉伸的電阻R2和R4的阻值增加；受到壓縮的電阻R1和R3阻值減小。 圖4 由于各壓電電阻如圖4那樣組成橋路結(jié)構(gòu)，如果將它們連接到恒流源上，則由于壓力的增減，將在輸出端獲得輸出電壓V，當(dāng)壓力為零時(shí)的V等于偏置

9、電壓Voffset,在理想狀態(tài)下我們希望Voffset=0V，實(shí)際上在生成擴(kuò)散電阻體時(shí)，由于所形成的擴(kuò)散電阻體尺寸大小的不同和存在雜質(zhì)濃度的微小差異，因此總是有某個(gè)電壓值存在。壓力為零時(shí)，R1=R2=R3=R4=R，我們把加上一定壓力時(shí)R1、R2電阻的變化部分記作R；相應(yīng)R3、R4電阻的變化部分記作-R，于是V=RI 。這個(gè)V相對壓力呈現(xiàn)幾乎完全線性的特性，只是隨著溫度的變化而有所改變。2.4電路圖設(shè)計(jì)圖5是PS壓力傳感器的外圍電路設(shè)計(jì)實(shí)例，圖中用恒流源來驅(qū)動(dòng)壓力傳感器。圖5 壓力傳感器設(shè)計(jì)電路由于橋路失衡時(shí)的輸出電壓比較小，所以必須用運(yùn)放IC1b和IC1C來進(jìn)行放大。圖中VR1為偏置調(diào)整，V

10、R2為壓力靈敏度調(diào)整，VR3為沒有加壓時(shí)輸出電壓調(diào)整，C1、C2用于去除噪聲。另外，如果電源電壓波動(dòng)的話，將引起輸出電壓的變化，所以必須給電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電源。 2.5電路仿真3：電化學(xué)硫化氫傳感器電化學(xué)硫化氫傳感器是一種識(shí)別硫化氫氣體的化學(xué)參數(shù)與傳導(dǎo)系統(tǒng)連結(jié)起來的裝置，能有效檢測進(jìn)入密閉空間和在其間工作時(shí)遇到的硫化氫氣體。在生活中，有效應(yīng)用多種高要求的場合,包括化工行業(yè)，鋼鐵行業(yè)的固定點(diǎn)測量系統(tǒng)電化學(xué)硫化氫傳感器的原理電化學(xué)硫化氫氣體根據(jù)電化學(xué)的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極上的電化學(xué)氧化過程，通過電子線路將電解池的工作電極和參比電極恒定在一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娢?，在該電位下可以發(fā)生待測氣

11、體的電化學(xué)氧化，由于氧在氧化和還原反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的法拉第電流很小，可以忽略不計(jì)，于是待測氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律。這樣，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。 電化學(xué)硫化氫傳感器的特點(diǎn)·低功耗·高精度·高靈敏度·線性范圍寬·抗干擾能力強(qiáng)·優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性·廣泛適合工業(yè)、礦下及環(huán)保中H2S的檢測電化學(xué)硫化氫傳感器的功能化學(xué)傳感器主要由兩部分組成：識(shí)別系統(tǒng);傳導(dǎo)或轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。識(shí)別系統(tǒng)反待測物的某一化學(xué)參數(shù)(常常是濃度)與傳導(dǎo)系統(tǒng)連結(jié)起來。它主要具有兩種功能：選擇性地與待測物發(fā)生作用，反所測得

12、的化學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化成傳導(dǎo)系統(tǒng)可以產(chǎn)生響應(yīng)的信號(hào)。分子識(shí)別系統(tǒng)是決定整個(gè)化學(xué)傳感器的關(guān)鍵因素。因此，化學(xué)傳感器研究的主要問題就是分子識(shí)別系統(tǒng)的選擇以及如何反分子識(shí)別系統(tǒng)與合適的傳導(dǎo)系統(tǒng)相連續(xù)?；瘜W(xué)傳感器的傳導(dǎo)系統(tǒng)接受識(shí)別系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)，并通過電極、光纖或質(zhì)量敏感元件將響應(yīng)信號(hào)以電壓、電流或光強(qiáng)度等的變化形式，傳送到電子系統(tǒng)進(jìn)行放大或進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，最終使識(shí)別系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯苡米鞣治龅男盘?hào)，檢測出樣品中待測物的量。心得體會(huì)傳感器技術(shù)是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門綜合性的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科，它需要數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、力學(xué)、機(jī)械等知識(shí)，同時(shí)還要掌握各種物理量的變換原理、各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)

13、物理量（如力、振動(dòng)、噪聲、壓力和溫度等）的測定，以及實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等方面所涉及的基礎(chǔ)理論。在做此次實(shí)驗(yàn)前，我把老師所講的傳感器教材通讀了一遍，對傳感技術(shù)有了一定得了解。因?yàn)樵谶@之前，沒有接觸過類似的課程設(shè)計(jì)，所以這次實(shí)驗(yàn)，我感覺有些困難。傳感技術(shù)是一門綜合性的課程知識(shí)，想做好每次實(shí)驗(yàn)，必須要有較好的理論知識(shí)，例如：電路，模電，還有畫圖時(shí)，也要用軟件畫圖multisim仿真軟件的使用。只有熟悉了這些們課程才能真正的完成這次實(shí)驗(yàn)。首先，是電路圖的設(shè)計(jì)，要明白傳感器的原理及在電路中的作用是什么。雖然最終設(shè)計(jì)出的電路圖不是很復(fù)雜，但是也是幾經(jīng)周折。其次，是在multisim中連接電路元件，讓我進(jìn)一步得熟悉了這個(gè)軟件的功能，并能運(yùn)用自如。雖然畫圖時(shí)比較麻煩，經(jīng)過大概一個(gè)小時(shí)的時(shí)間才畫完，但看著自己畫的圖，覺得很有成就感。最后，是電路的仿真，者可以說是最關(guān)鍵的一部了，前面所有的工作都是在為它打基礎(chǔ)，一旦仿真失敗就意味著所有得努力可能全部白費(fèi)。仿真的結(jié)果雖然顯示出數(shù)字來了，但是和是要得要求相差很遠(yuǎn)。因此，就一次一次的調(diào)試，改變電阻的阻值，以及滑動(dòng)變阻器的阻值，最終把結(jié)果調(diào)試出來了。通過傳感