传感器设计总结

传感器设计总结（精选8篇）

篇1：传感器设计总结

本文档根据老师最后一次课上课时所说的相关内容并根据我自己的个人情况简要整理，相对简洁，和大家分享一下。考虑到老师说的内容和考试内容相比，可能不够完整；而且个人水平有限，不可能把握的很准确，所以只是参考而已。。建议大家根据自己的理解补充完善~ 第一章：传感器概论

1、传感器的定义：传感器（或敏感元件）基于一定的变换原理/规律将被测量（主要是非电量的测量，可采用非电量电测技术）转换成电量信号。变换原理/规律涉及到物理、化学、生物学、材料学等学科。

2、传感器的组成：传感器一般由敏感元件（将非电量变成某一中间量）、转换元件（将中间量转换成电量）、测量电路（将转换元件输出的电量变换成可直接利用的电信号）三部分组成，有的传感器还需加上辅助电源。

3、传感器的分类

按变换原理分类——>利用不同的效应构成物理型、化学型、生物型等传感器。

按构成原理分类：

结构型：依靠机械结构参数变化来实现变换。物性型：利用材料本身的物理性质来实现变换。

按输入量的不同分类——>温度、压力、位移、流量、速度等传感器 按变换工作原理分类: 电路参数型:电阻型、电容型、电感型传感器

按参电量如：Q（电量）、I、U、E 等分类:磁电型、热电型、压电型、霍尔型、光电式传感器

4、传感器技术的发展动向：

教材表述：发现新现象、开发新材料、采用微细加工技术、研制多功能集成传感器、智能化传感器、新一代航天传感器、仿生传感器

老师表述：微型化、集成化、廉价。第二章：传感器的一般特性

1、静态特性

检测系统的四种典型静态特性

线性度：传感器的输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出-输入特性是线性的。

灵敏度：系统在静态工作的条件下，其单位输入所产生的输出，实为拟合曲线上某点的斜率。

即S N=输入量的变化/输出量的变化=dy/dx

迟滞性：特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。

（产生的原因：传感器机械部分存在的不可避免的缺陷。）

重复性：重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度。曲线的重复性好，误差也小。产生的原因与迟滞性类似。

精确度.测量范围和量程.零漂和温漂.2、动态特性：（传感器对激励（输入）的响应（输出）特性）

动态误差：输出信号不与输入信号具有完全相同的时间函数，它们之间的差异。包括：稳态动态误差、暂态动态误差

动态测试中的两个重要特征：时间响应、频率响应 第三章：传感器中的弹性敏感元件

1、什么叫敏感材料? 对电、光、声、力、热、磁、气体分布等待测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。

半导体材料最主要的特点是对温度、光、电、磁、各种气体及压力等外界因素具有敏感特性，是制造磁敏、热敏、光敏、力敏、离子敏等传感器件的主要材料。

2、引言：

（1）变形：物体在外力作用下，改变原来的尺寸和形状的现象。（2）刚度：弹性敏感元件在外力的作用下抵抗变形的能力（3）弹性元件：具有弹性变形特性的物体。

弹性敏感元件作用：把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移;然后由各种转换元件，将被测力、力矩或压力转换成电量。

3、弹性敏感元件的基本特性：

（1）弹性特性：作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。可由刚度或灵敏度来表示。

（2）刚度：弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力。dx dF x F k x = ⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆=→∆0lim（3）灵敏度是刚度的倒数

（4）弹性滞后：弹性元件在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象。

（5）弹性后效：弹性敏感元件所加载荷改变后，不时立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象。

（6）应力：反映物体一点处受力程度的力学量

（7）应变：用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变（8）弹性模量=线性应力/线性应变

第四章：电阻应变式传感器

1、电阻应变片的种类（P63~P65）

丝式应变片：（1）回线式应变片（2）短接式应变片 箔式应变片 薄膜应变片 半导体应变片

2、应变效益：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变（拉伸或压缩），其电阻也将随之发生变化。

通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。

第五章：电容式传感器

1、电容式传感器工作原理：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数、极板间介质的相对介电常数、极板的有效面积Ａ以及两极板间的距离d 有关：

d A C r εε0=

若被测量的变化使式中d、Ａ、三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，因此可分为三种：

变间隙式、变面积式、变介电常数式。第六章：电感式传感器

（目测老师上课时没讲，之后视情况补充）第七章：压电式传感器

1、概念：压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器，已被广泛应用于超声，通信，宇航，雷达和引爆等领域。

2、（1）正压电效应（压电效应）：

在电介质的一定方向上施加机械力而产生电的极化，导致两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q，且其电位移D 与外应力张量T 成正比：

D=dT（d —压电常数矩阵 即压电系数？）

当外力消失，又恢复不带电原状；当外力消失，电荷极性随之而变。（2）逆压电效应（电致伸缩）：

施加电场时，应变S 与外电场强度E 成正比：S= dE（d —逆压电常数矩阵 即压电系数？）

即能量类型转换： 电能量

教材表述：

x 轴平行于正六面体的棱线，称为电轴； y 轴垂直于正六面体的棱面，称为机械轴；

z 轴表示其纵向轴，称为光轴。

压电效应：这些物质（压电材料）在沿一定的方向受到压力或拉力作用而发生形变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时他们又回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。在每一切片中，当沿电轴方向加作用力F 时，则在于电轴垂直的平面上产生电荷Q。

逆压电效应：在片状压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫“逆压电效应”。

3、相关传感器：压电式加速度传感器、压电式力传感器、压电式压力传感器、测力传感器

第八章：磁电式传感器

1、概念：磁电式传感器是利用电磁感应原理, 将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。有时也称作电动式或感应式传感器。根据电磁感应定律, 当N 匝线圈在均恒磁场内运动时, 设穿过线圈的磁通为Φ, 则线圈内的感应电势e 与磁通变化率d Φ/dt有如下关系：

dt d N e φ-=

2、霍尔传感器（ppt 上没有相关内容，大家自己补充）第九章：热电式传感器

1、热电偶温度计（热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表）（1）组成：

热电偶（敏感元件）: 必须用两种不同的材料作热电极—>1 连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜导线）—>2

测量仪表（动圈仪表或电位差计）—（2）结构：

热电偶是由两种不同材料的导体焊接而成；导体被称为热电极。工作端或热端：焊接的一端用来感受被测介质的温度。自由端或冷端：与导线相连端。（3）热电偶的基本原理：

①热电效应：在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为Seebeck 电势。这一物理现象称为热电效应。回路的总热电势为：

αAB —为热电势率或Seebeck 系数，其值随电极材料和两接点的温度而定。热电效应产生的电势由珀尔帖效益和汤姆逊效应引起。

②接触电势（珀尔帖电势）——>珀尔帖效应

将同温度的两种不同的金属互相接触。由于不同金属内自由电子的密度不同，在金属A 和B 的接触处会发生自由电子的扩散现象，从密度大的A 扩散到B ；使A 带正电，B 带负电；直到在接点处建立了强度充分的电场，E AB(T

③温差电势——>Thomson效应

假设在一匀质棒状导体的一端加热，则沿此棒状导体有一温度梯度。导体内的自由电子将从高温端向低温端扩散，并在温度较低一端积聚起来，使棒内建立起一电场。当该电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用停

止，电场产生的电势称为Thomson 电势（温差电势）

。E A(T T T o 温差电势远小于接触电势，常把它忽略掉。回路的总热电势为：((,(0 0 T E T E dT T

T E AB AB T T AB AB-= =⎰α

(4插入第三种导线的问题:在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。

(5补偿导线的选用:(工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，受周围环境温度的影响，冷端温度难以恒定。可以采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。不同的热电偶所用的补偿导线也不同。

(6热电偶的温度补偿方法（教材上表述方法有些许不同，大家自己补充吧~）①0℃恒温法：在标准大气压下，将清洁的水和冰鞋混合后放在保温容器内，可使T 0保持0℃

②补正系数修正法：设冷端温度为t n，此时测得温度为t 1，其实际温度应为t= t1+kt n（k ：补正系数）③延伸电极法：原理为连接导体定律

④补偿电桥法：利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化

（7）热电偶的使用误差

①分度误差：热电偶的分度是指将热电偶置于给定温度下测定其热电势，以确定热电势与温度的对应关系。

方法有标准分度表分度和单独分度两种。

②仪表误差δ=（T max-T min）K（式中T max、T min ：仪表量程上，下限；K ：仪表的精度等级。）③延伸导线误差：一种是由延伸导线的热特性与配用的热电偶不一致引起的；另一种是由延伸导线与热电偶参考端的两点温度不一致引起的。这种误差应尽量避免。

④动态误差

产生原因：由于测温元件的质量和热惯性，用接触法测量快速变化的温度时，会产生一定的滞后，即指示的温度值始终跟不上被测介质温度的变化值，两者之间会产生一定的差值。

修正方法：在热电偶测量系统中引入与热电偶传递函数倒数近似的RC 或RL 网络

⑤漏电误差

产生原因：随温度升高（特别是在高温时）时，绝缘效果明显变坏，是热电势输出分流。

（8）热电偶的基本定律（P158）：

①均质导体定律：两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极的直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。

②中间导体定律：在热电偶回路中插入第三、四„种导体，只要插入导体的两端温度相同，切插入导体是均质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小。

③中间温度定律：热电偶在接点温度为T,T 0时的热电势等于该热电势在接点温度为T,T n 和T n，T 0时相应的热电势的代数和，即：E AB(T,T0=EAB(T,Tn +EAB(Tn ,T 0(9热电偶对热电极的材料的基本要求任意两种导体或半导体都能配成热电偶，当两个接点温度不同时就能产生热电势，但作为实用的测温元件，不是所有的材料都适于制作热电偶。基本要求是：

①热电特性稳定，即热电势与温度的对应关系不会变动 ②热电势要足够大，易于测量热电势，且课得到较高的准确度 ③热电势与温度为单值关系，最好成线性关系，或者是简单的函数关系 ④电阻温度系数和电阻率要小，否则热电偶的电阻讲随热端温度而有较大的变化，影响测量结果的准确性⑤物理成分稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀

⑥材料的复制性好

⑦材料的机械强度要高

2、两种热电式传感器的转换关系： 热电阻传感器（将温度变化转化为电阻变化）热电偶传感器（将温度变化转化为热电势变化）

3、热电阻传感器 电阻式测温系统是利用热电阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成温度传感器的。大多数金属导体和半导体的 电阻率都随温度发生变化，都称为热电阻。纯金属有整的温度系数，半导体有负的温度系数。（1）热电阻材料的特点： ①高温度系数，高电阻率 ②化学和物理性能稳定 ③良好的输出特性 ④良好的工艺性（2）热敏电阻的特点 ①负温度系数热敏电阻 a：电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的十倍。b：结构简单，体积小，可测量点温度。c：电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。d：易于维护和进行远距离控制。e：制造简单，使用寿命长。②正温度系数热敏电阻 ③临界温度系数热敏电阻 第十章：光电式传感器

1、分类（光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应）： 光电管 光电倍增管 光敏电阻 光敏二极管和光敏晶体管 光电池 光电式传感器的应用 光电耦合器件(补 测量非电量时:非电量的变化转化为光量 的变化，通过光电器件的作用，将光量的变化转换为电量的变化

2、光电式传感器利用的效应：光电效应，分为：外光电效应、内光电效应、阻挡层光电效应（光生伏打效应）（1）外光电效应：在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象称为外光电效应。例如：光电管、光电倍增管（2）内光电效应：在光线作用下能使物体电阻值改变的现象称为内光电效应。例如：光敏电阻（3）在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象，称为阻挡层光电效应（光生伏打效应）。例如:光电 池、光敏晶体管等

3、光电管（充气光电管：玻璃泡内充少量惰性气体，提高光电管灵敏度，但稳定性、频率特性等较差）6 原理：当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这 样在光电管内就产生了电子流，在外电路中便产生了电流。

4、光电倍增管 它由光电阴极 K、若干倍增极 E1~E4 和阳极 A 三部分组成。光电阴极是由半导体光电材料制造的，入射光就 在它上面打出光电子。倍增极数目在 4—14 个不等。在各倍增极上加上一定的电压。阳极收集电子，外电路形成电 流输出。

5、光敏电阻（没有极性，纯粹是一个电阻器件）当无光照时，光敏电阻值(暗电阻很大，电路中电流很小，此时的电流称为暗电流。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻急剧减少，电路中电流迅速增加此时的电流称为亮 电流。光电流与暗电流之差，称为光电流。

6、光敏二极管和光敏晶体管（1）接法及原理：光敏二极管在电路处于反向偏置，在没有光照射，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流 称为暗电流。当光照射在 pn 结上，通过 Pn 结的反向电流也随着增加。如果入射光照度变化，通过外电路的光电流 强度也随之变动，可见光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。（2）光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有 2 个 pn 结。它在把光信号转换为电信号同时又将信号电流加以放大。又将信号电流加以放大。

7、光电池 7（1）工作原理：当光照到 pn 结上时，如果光子能量足够大，n 区和 p 区之间就出现电位差。用导线将 pn 结两端用 导线连接起来．电路中就有路流流过，电流的方向由 p 区流经外电路至 n 区。若将电路断开，就可以测出光生电动 势。（2）光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的 第十一章：智能式传感器（这个好像也

没上。。）第十二章：光导纤维传感器

1、光纤传感器的工作原理 光纤波导原理：光纤波导简称光纤，它是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等构成的光通路。它由 折射率 n1 较大(光密介质的纤芯和折射率 n2 较小(光疏介质的包层构成的双层同心圆柱结构。n0 : 光纤周围媒质的折射率 n1：纤芯的折射率 n2：包层的折射率  : 光线纤端入射角 ：光线纤内入射角 ：光线与轴线的夹角 a : 纤芯半径 在光纤内传输的条件：

2、光纤的分类：    0（ 0：光线在纤芯 包层分界面的临界角。 纤芯直径 2a  2 ~ 12μm   单模光纤 纤皮折射率差   1 2  0.01 ~ 0.02   n1    纤芯折射率均匀  阶跃折射率光纤   纤芯与包层界面折射率 发生突变 按纤芯折射率分布  纤芯折射率不均匀  梯度折射率光纤 纤芯折射率按一定函数 关系沿光纤径向变化  

3、光调制与解调技术 所谓“调制”，是将被研究对象的信号（信息）通过载体传输出去。因此，光的调制过程就是将一携带信息的 信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。

4、概念：纤传感器是通过被测量对光纤内传输光进行调制，使传输光的强度(振幅、相位、频率或偏振等特性发生 变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出相应被测量的传感器。

5、光纤的特性（1）损耗：吸收损耗、散射损耗，物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光功能的损失。损耗的单位：dB／km（2）色散：所谓光纤的色散就是输入脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象 可分为：材料色散、波导色散（结构色散）、多模色散 8

6、光强度的外调制 光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。反射式强度调制器：

7、信息容量用所能调制的频带宽度表示。载波信号的频率越高，获得的频带宽度越大信息传送容量越大。第十三章、第十四章可能不考。。第十五章：湿度传感器

1、湿度测量技术发展已有 200 多年的历史

2、绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量：ρ =Mv/V（Mv：被测空气中水汽质量；V：被测空气体积）相对湿度是气体的绝对湿度(ρ v与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(ρ w之

比，表达式为：相对湿度=(ρ v /ρ w×100%RH 第十六章：红外传感器 红外线与可见光、紫外线、X 射线、γ 射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。9

篇2：传感器设计总结

院 系： 专 业： 成 员： 指导老师：--电涡流位移传感器

计 划 报 告

XXX

XXXX年XX月XX日

传感器课程设计

目录

一、概述 …………………………………………………………2

二、总体设计方案…………………………………………………2

三、电涡流传感器的基本原理……………………………………3 3.1 电涡流传感器工作原理………………………………………3 3.2 电涡流传感器等效电路分析…………………………………3 3.3 电涡流传感器测量电路原理…………………………………4

四、电涡流传感器探头参数设计…………………………………6

五、电涡流传感器新型测量电路的设计…………………………7 5.1 电路实现方案…………………………………………………7 5.2 振荡电路的选择………………………………………………7 5.3 滤波电路的选择………………………………………………8 5.4 增益调节电路的选择…………………………………………9 5.5 移相电路的选择………………………………………………9 5.6 电压-电流转换电路的选择…………………………………11

六、误差分析………………………………………………………12 6.1 非线性补偿 …………………………………………………12 6.2 动态特性……………………………………………………13 6.3 温度补偿……………………………………………………13

七、设计总结.…………………………………………………………13

传感器课程设计

感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。

电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：

三、电涡流传感器等效电路分析

为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2-3所示的等效电路。

图中R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：

经求解方程组，可得I1和I2表达式：

传感器课程设计

由此可得传感器线圈的等效阻抗为:

从而得到探头线圈等效电阻和电感。

通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。

因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数关系：

其中，x为检测距离；μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。

所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中，有通过测量ΔL或ΔZ等来测量x ,ρ,μ,f的变化的电路。

四、电涡流传感器测量电路原理

电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗Z的测量一般用电桥，电感L的测量电路一般用谐振电路，其中谐振电路又分为调频式和调幅式电路。

5ra)h)dx · dy 此电流在轴线任意点P 处所产生的磁感应强度为：

整个载流扁平线圈通以电流I 后，在轴线上任意P 点处产生的磁感应强度为：

式中，x1 就是扁平线圈端面到被测体的距离，可用x表示，所以线圈轴线上某点P 产生的磁感应强度可改写为：

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5.3 滤波电路的选择

通过上节的COMS晶体振荡器，产生出了稳定的方波。方波图形和其分解表达式如图4-6所示。从表达式中可以看出，方波是正弦波的合成波形，其振幅是基波的奇次倍频率波形振幅的合成。若从中抽出高次谐波，即可得到所需正弦波。

由于本次设计需要滤掉方波中高于1M的信号，因此可以选用低通滤波器将方波变成正弦波。滤波电路有多种形式，大致分为有源滤波和无源滤波，二者最大的差别在于滤波电路中是否使用了有源元器件——运算放大器。对于截止频率为MHz数量级的滤波电路，则有源滤波器对运算放大器等的高频特性要求非常严格。因此在本电路中，将采用结构相对简单的无源滤波电路。

在滤波器的近代设计方法中有各种方式，如巴特沃思型、切比雪夫型、贝塞型、高斯型等。本文选用通带内响应最为平坦的巴特沃思型低通滤波器，它对构成滤波器的元件Q值要求较低，因而易于制作和达到设计性能。为了同时满足电路滤波的精确性和结构简单，本次设计预选用巴特沃思型3阶低通滤波器，其基本结构和对数幅频特性如图4-7所示:

5.4 增益调节电路的选择

经过滤波电路后输出的正弦波信号，由于信号幅值的衰减，很难直接满足设计时的要求。因此在电路中，为了便于调节,使输出电压值能满足需要，有必要在滤波电路之后加上一个增益调节环节。常用的增益调节电路，有同相比例放大器和反向比例放大器。具体的电路结构分别如图4-8中（a）、（b）所示：

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上图中两电路的基本特性参数比较如表4-1所示：

从上表中可以看出，两电路都能灵活调节输出电压幅值的大小。但同时考虑到各模块电路之间需要加隔离电路，而同相比例放大的输入电阻趋于无穷大，更适合于做隔离电路。因此兼顾调节幅值和隔离电路的两个功能，本次设计选用同相比例放大电路来做增益调节环节。

5.5 移相电路的选择

本次设计中，要得到两个幅值相等的正交信号，必须采用移相电路。将上节滤波后所得到的交流信号经过90度移相后即可得到两个正交的信号。

本次设计采用如图4-10所示的有源移相电路。

上图中的电路是通过将单节RC移相电路接入到反向放大器的非反向输入端子来实现的。该电路可在保持输入输出电压幅值不变的情况下，进行90度移相，这就有效地解决了采用RC级联所带来的麻烦。根据理想放大器的条件，可得如下方程组：

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从上述方程组可解得该电路输入——输出关系：，令，则上式可写为：

从上式中所列出的该电路传递函数表达式，可得到该电路的幅频特性：

当取R1=R2，即k=1时，上式的值为1，即表明图4-10中的电路输入输出的电压幅值保持不变，且与输入信号频率无关。因此该电路可以实现幅值不变的电路移相。同时，令θ1为上式分子中复数的相角，θ2为分母复数的相角，θ为该电路输入输出移相角度。根据上式可得出表达式：

再由上述方程组经过反三角函数变换可得：

上式即为该电路的相频特性。从该式得到的结果可以看出，该电路电压信号

0

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满足设计需要。

六、误差分析

6.1 非线性补偿

由于振荡回路的检波输出与测量位移之间为非线性关系, 为了提高涡流传感器的使用范围和精度,必须对电涡流传感器进行非线性补偿。补偿方法有串联式补偿和并联式补偿,本文采用串联式补偿。

式中: x 为测量位移。补偿模块的表达式为

传感器的最终输出与测量位移之间为线性比例关系

式中:k 为比例常数,则要求补偿模块的函数关系为

因为实现串联式非线性补偿的函数为传感器非线性关系的反函数,所以对电涡流传感器进行标定,建立测量位移与检波输出之间的函数,并进行多项式拟合,建立多项式的反函数。

6.2 动态特性

电涡流传感器的动态特性主要由振荡回路和检波回路的频率特性决定, 整个传感器的传递函数表示为：

式中: L1为线圈的电感;R1为线圈的串联电阻;RC2 为检波电路的时间常数。为了在提高系统的动态特性的同时不降低振荡回路的品质因数,在传感器的输出信号流中串联超前校正环节以改善传感器的动态特性。超前校正的传递函数为：

6.3 温度补偿

传统的检波方式采用二极管、电容、电阻实现。由于二极管的导通特性受温度影响比较明显,所以传统的二极管检波输出存在随温度变化而发生漂移的现象。感应线圈本身存在电阻随温度变化而变化的问题,会使传感器输出信号产生较大的误差。

篇3：传感器密封联接装置设计

传感器的联接头是传感器的组成部分。联接头的结构和连接形式直接影响传感器的谐振频率, 继而影响传感器的响应特性和测量精度, 而且传感器的重量越轻, 联接头的影响越显著, 这种影响在高频信号的测量中尤为显著[1]。目前市售L5 (M5) 母头只有两种:一种适合在仪器壳体上安装, 采用垫片夹固方式连接在仪器壳体上, 使用时将信号线焊接在插芯尾部, 一般接线端较长, 不适宜在外形尺寸较小的传感器上安装;另一种可直接连接同轴电缆, 这种母头设计有电缆夹固结构, 整体尺寸也很大, 且无法将其与机加工件可靠连接, 也不适宜用于传感器信号输出端的连接。

2 主要元件设计

设计的联接头共3个零件, 分别为螺纹连接件、绝缘套、插芯。

螺纹连接件用于联接传感器和输出信号电缆接头, 及固定绝缘套。外表面有两段螺纹, 后端螺纹与传感器连接螺纹为同一规格, 前端螺纹与低噪声电缆的联接头连接螺纹为同一规格;两段螺纹中间有凸台, 凸台截面为圆形或多边形;其内表面分为两部分, 前端内径尺寸略大于绝缘套外径尺寸, 与绝缘套过渡配合;后端为锥孔, 内径尺寸小于绝缘套外径尺寸, 与绝缘套过盈配合。

绝缘套为绝缘材料制成的圆筒状零件, 其使用温度高于传感器使用温度, 用于固定插芯和信号线, 并隔离输出信号[2]。

插芯主要作用是固定信号线并引出传感器信号, 要求其有良好的导电性能, 因此通常采用铜材料加工, 并镀金处理, 单端封闭, 封闭端有若干锥台或凸台, 带内孔, 开孔端有开口槽, 其外径略大于绝缘套内径, 其内径略大于传感器所选用的电缆联接头插针外径。

3 具体实施方式

联接头装配图如图1所示。螺纹连接件结构如图2所示:前端螺纹由传感器配用电缆接头螺纹决定, 一般压电传感器配用带有L5 (或M5) 公头的电缆, 因此前端螺纹一般为L5 (或M5) 螺纹;后端螺纹由传感器穿线孔连接螺纹决定;联接头与传感器连接时, 需要施加预紧力, 因此在螺纹连接件前后两段螺纹之间设计有凸台, 凸台横截面为圆形或多边形;联接头中心孔后端有0.2~1mm锥孔, 其前端螺纹顶端有1~2mm倒角, 这两处设计用于固定绝缘套, 保证绝缘套在联接头反复使用时不会脱出;绝缘套外表面与螺纹连接件内表面锥面部分过盈配合, 与非锥面部分过渡配合;装配时将绝缘套压入螺纹连接件, 并使螺纹连接件前端倒角产生一定变形量, 以固定绝缘套前后端面。装入绝缘套并紧固后的联接头如图3所示。

插芯结构如图4所示, 后端封闭, 前端钻中心孔。开孔端有开口槽, 以保证内孔与电缆联接头插针可靠联接。封闭端有若干锥台或凸台, 以便于插芯安装。使用时, 其封闭端外表面与信号线紧密接触, 引出信号;插芯外表面小于绝缘套内孔, 与绝缘套过盈配合;前端中心孔内径略大于传感器所选用的电缆联接头插针外径, 与插针外表面过渡配合。

联接头在压电加速度传感器上应用时, 装配方法如图5所示:将信号线穿入图3联接头部件内孔后, 将联接头紧固在传感器上, 施加压力将插芯挤入绝缘套内孔, 固定信号线。图6为工作状态下的传感器联接头, 与带有市售L5 (M5) 公头的电缆配接, 实现传感器信号的可靠传输。

4 振动平台测试

对设计的联接头进行800Hz定频正弦振动试验。模拟相同环境条件, 输入信号1000m V, 在振动平台进行信号稳定性测试, 测试实验数据如图7所示, 输出信号1为设计输出值, 输出信号2为市售联接件输出值[3]。

5 结语

实验表明, 信号2输出值呈线性递增, 这说明在长时间的振动条件下, 普通传感器联接头开始松动, 结构不稳定, 导致外部影响因素增加, 信号失真。而输出信号1输出值稳定, 基本不漂移, 说明联接头结构紧凑, 刚性好, 并能起到密封作用。考虑到成本因素, 联接头采用简单加工和装配工艺, 且可与市售公头和传感器直接连接, 使设计取得了较为满意的效果, 易于实际应用。

参考文献

[1]孟立凡, 蓝金辉.传感器原理与应用 (第二版) [M].北京:电子工业出版社

[2]陆兆峰, 秦旻, 陈禾, 等.压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究[J].仪表技术与传感器, 2007, (07)

篇4：温度传感器的设计与研究

【关键词】温度传感器；设计；研究

1.概述

随着高速铁路装备的发展，国家铁科院提出了对铁路高速动车装备的一系列标准化要求，针对机车上用的温度传感器也提出了一系列标配化要求，如对热感应元件、安装结构件，应用信号传递线缆等提出了标配化的要求，其中最关键的热感应元件主推Pt100铂热电阻。

铂的电阻/温度关系比较稳定，在较大的温度范围内其化学性质都不显著，即在较大的温度范围内，铂电阻都是比较稳定的。此外，铂电阻还具有很好的延展性，可以拔成细丝。即使在对精度、强度、可靠性、稳定性、复现性要求比较高的环境下，其物理化学性质也是满足相关要求的。正是因为如此，很多温度测量使用的是铂电阻温度传感器。但通常来说，常用的铂电阻温度传感器（Pt100）的0℃阻值为100Ω。典型的pt100温度/电阻特性曲线如图1所示。

图1 pt100温度/电阻特性曲线

2.铂电阻pt100温度传感器

铂电阻的工作原理是基于导体或半导体电阻值随着温度增加而增加的特性。把变化的电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或其它二次仪表上来判定温度变化。铂电阻温度传感器的精度比较高、稳定性比较好。正是因为如此，铂电阻温度传感器被广泛地应用于相关的领域中，尤其是在进行-200℃至850℃的温度测量中，通常我们将这个温度范围定义为中低温区。铂电阻温度传感器不仅被广泛应用于工业生产过程中，同时还被制成标准温度计，用于对其它温度传感器进行计量和校准。

铂电阻温度传感器可以分成两种类型，第一种是装配式铂电阻。装配式铂电阻通常包括四个部分，分别为外保护管、测温电阻、延长导线以及氧化镁。装配式铂电阻产品的整体外形比较小巧，内部结构也比较简单。但是装配式铂电阻具有较快的反应速度，反应比较灵敏，同时还具有防水抗震的功能；第二种是铠装铂电阻。铠装铂电阻同样是由四部分组成的。分别为电阻体、绝缘氧化镁、保护管以及引线。不过铠装铂电阻是将这四部分整体拉制而成的，而装配式铂电阻则是将其主要构件装配在一起。铠装铂电阻产品的内部结构比较复杂。但却具有灵敏性强、抗震性好、测温范围广、可弯曲的优点。铠装铂电阻温度传感器主要应用于环境温度测量、液体温度测量、冷冻冷藏温度测量以及电机轴瓦温度测量等。

3.测量温度原理与主要误差分析

本文中设计的温度传感器属于热电阻式温度传感器。热电阻式温度传感器进行温度测量的主要原理就是利用导体或半导体的电阻值会随温度的变化而变化。而在热电阻式温度传感器中又以铂电阻温度传感器的性能最好。铂电阻温度传感器的稳定性比较好，测量的精度最高。因此，铁路机车最普遍选用铂电阻温度传感器作为机车用温度传感器。

3.1测量原理

铂电阻温度传感器是利用其电阻与温度成一定函数关系而制成的温度传感器。Pt100铂电阻的温度传感器的温度测量范围为-200℃～850℃，电阻值与温度的关系如下所示：

（1）-200℃Rt=Ro[1+At+Bt2+（t-100）t3]

篇5：传感器总结

当今社会的发展，是信息化社会的发展。在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。

传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置。现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。

传感器的定义

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

结构

很多非电学量(包括物理量,化学量,生物量等),早期都采用非电学

量方法测量。随着科学技术的飞速发展,对被测量的准确度、速度和精度提出了新的要求,传统方法已不能满足测量要求,必须采用传感器电测技术,把非电学量信号转换为电信号。在现代化生产过程中,需用各种传感器来监控生产过程的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态。特别是传感器与计算机结合,使自动化过程更具有准确、快捷、效率高等优点。

传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，能完成检测任务,它的输入量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学量、生物量等;输出量是某种物理量,便于传输、转换、处理、显示等,可以是气、光、电物理量，主要是电物理量;输出输入有对应关系,且应有一定的精确程度。传感器的作用包括信息的收集、信息数据的转换和控制信息的采集。传感器一般由敏感元件和转换元件两大部分组成。有时也将转换电路及辅助电路作为其组成部分。

材料

传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料四大类。

半导体传感器材料主要是硅，其次是锗、砷化镓、锑化铟、碲化铅、硫化镉等。主要用于制造力敏、热敏、光敏、磁敏、射线敏等传感器。

陶瓷传感器材料主要有氧化铁、氧化锡、氧化锌、氧化锆、氧化

钛、氧化铝、钛酸钡等，用于制造气敏、湿敏、热敏、红外敏、离子敏等传感器。

金属用作传感器的功能材料不如半导体和陶瓷材料广泛，主要用在机械传感器和电磁传感器中，用到的材料有铂、铜、铝、金、银、钴合金等。

有机材料用于传感器还处在开发阶段，主要用于力敏、湿度、气体、离子、有机分子等传感器，所用材料有高分子电解质、吸湿树脂、高分子膜、有机半导体聚咪唑、酶膜等。

性能

传感器性能指标主要有：灵敏度、使用频率范围、动态范围、相移。

灵敏度：指沿着传感器测量轴方向对单位振动量输入x 可获得的电压信号输出值u，即s=u/x。与灵敏度相关的一个指标是分辨率，这是指输出电压变化量△u 可加辨认的最小机械振动输入变化量△x 的大小。为了测量出微小的振动变化，传感器应有较高的灵敏度。

使用频率范围：指灵敏度随频率而变化的量值不超出给定误差的频率区间。其两端分别为频率下限和上限。为了测量静态机械量，传感器应具有零频率响应特性。传感器的使用频率范围，除和传感器本身的频率响应特性有关外，还和传感器安装条件有关（主要影响频率上限）。

动态范围：动态范围即可测量的量程，是指灵敏度随幅值的变化

量不超出给定误差限的输入机械量的幅值范围。在此范围内，输出电压和机械输入量成正比，所以也称为线性范围。动态范围一般不用绝对量数值表示，而用分贝做单位，这是因为被测振值变化幅度过大的缘故，以分贝级表示使用更方便一些。

相移：指输入简谐振动时，输出同频电压信号相对输入量的相位滞后量。相移的存在有可能使输出的合成波形产生崎变，为避免输出失真，要求相移值为零或Π，或者随频率成正比变化。

有机材料用于传感器还处在开发阶段，主要用于力敏、湿度、气体、离子、有机分子等传感器，所用材料有高分子电解质、吸湿树脂、高分子膜、有机半导体聚咪唑、酶膜等。

优缺点

从传感器分类看优缺点 按传感器输出信号分类 模拟式：输出信号为模拟信号。数字式：输出信号为数字信号。

按结构形式分类：柱式、桥式、轮辐式、悬臂梁式、板环式等。柱式：特点是结构简单、紧凑，易于加工，成本费用低，密封性能良好，对于潮湿环境很适用，可设计成压式或拉式的，可以承受很大的载荷；其缺点是位移量小、灵敏度低。

桥式：传感器弹性体为桥式，其两端用两只螺栓紧固到下面的支撑体上，其弹性体与支撑体之间有一间隙，为弹性体的受力变形空间。

该类传感器的特点如下：由于传感器与秤体之间的连接为要求很低的间隙配合，所以安装方便，维护简单，重复性好。

轮辐式：高度低、精度高、抗偏心载荷和侧向力强。

剪切梁式：该类传感器有以下特点：输出信号不受称重点位置变化的影响；线性好、精度高；传感器受拉伸与压缩时，切应力的幅度与分布基本相同，即传感器的拉伸、压缩灵敏度基本相同，所以特别适用于同时受拉和压的测量；外形低、体积小、重量轻，易于安装和维修；结构简单易于密封；抗侧向力强。

板环式：特点是输出灵敏度高、受力状态稳定、温度均匀性好、结构简单、易于加工，可制成拉压2种型号，对于0.5～30吨的拉压方式称重传感器，这种方式是很好的。

发展方向

对比传感器技术的发展历史与研究现状可以看出，随着科学技术的迅猛发展以及相关条件的日趋成熟，传感器技术逐渐受到了更多人士的高度重视。当今传感器技术的研究与发展，特别是基于光电通信和生物学原理的新型传感器技术的发展，已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。

由于传感器具有频率响应、阶跃响应等动态特性以及诸如漂移、重复性、精确度、灵敏度、分辨率、线性度等静态特性，所以外界因素的改变与动荡必然会造成传感器自身特性的不稳定，从而给其实际应用造成较大影响。这就要求我们针对传感器的工作原理和结构，在

不同场合对传感器规定相应的基本要求，以最大程度优化其性能参数与指标，如高灵敏度、抗干扰的稳定性、线性、容易调节、高精度、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度等。

篇6：智能传感器的设计

【摘 要】电子自动化产业的迅速发展与进步促使智能传感器技术日趋发展，国内外一些企业已经大力开展有关集成智能传感器的研制，并取得了令人瞩目的发展。本文针对智能传感器的发展与设计进行了探讨。

【关键词】智能传感器;发展;设计;自动化

智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，所以我们应该掌握只能传感器的设计，从而推动我国自动化的发展。

篇7：温度传感器课程设计

当选择一个温度传感器的时候，将不再限制在模拟输出或数字输出装置。与你系统需要相匹配的传感器类型现在又很大的选择空间。市场上供应的所有温度感应器都是模拟输出。热电阻，RTDs和热电偶是另一种输出装置，矽温度感应器。在多数的应用中，这些模拟输出装置在有效输出时需要一个比较器，ADC，或一个扩音器。因此，当更高技术的集成变成可能的时候，有数字接口的温度传感器变成现实。这些集成电路被以多种形式出售，从超过特定的温度时才有信号简单装置，到那些报告远的局部温度提供警告的装置。现在不只是在模拟输出和数字输出传感器之间选择，还有那些应该与你的系统需要相匹配的更广阔的感应器类型的选择，温度传感器的类型：

图一：传感器和集成电路制造商提供的四中温度传感器

在图一中举例说明四种温度感应器类型。一个理想模拟传感器提供一个完全线性的功能输出电压（A）。在传感器（B）的数字I/O类中，温度数据通常通过一个串行总线传给微控制器。沿着相同的总线，数据由温度传感器传到微控制器，通常设定温度界限在引脚得数字输出将下降的时候。当超过温度界限的时候，报警中断微控制器。这个类型的装置也提供风扇控制。

模拟输出温度传感器：

图2 热阻和矽温度传感器这两个模拟输出温度探测器的比较。

热电阻和矽温度传感器被广泛地使用在模拟输出温度感应器上。图2清楚地显示当电压和温度之间为线性关系时，矽温度传感器比热阻体好的多。在狭窄的温度范围之内，热电阻能提供合理的线性和好的敏感特性。许多构成原始电路的热电阻已经被矽温度感应器代替。

矽温度传感器有不同的输出刻度和组合。例如，与绝对温度成比例的输出转换功能，还有其他与摄氏温度和华氏温度成比例。摄氏温度部份提供一种组合以便温度能被单端补给得传感器检测。

在最大多数的应用中，这些装置的输出被装入一个比较器或A/D转换器，把温度数据转换成一个数字格式。这些附加的装置，热电阻和矽温度传感器继续被利用是由于在许多情况下它的成本低和使用方便。数字I/O温度传感器： 大约在五年前，一种新类型温度传感器出现了。这种装置包括一个允许与微控制器通信的数字接口。接口通常是12C或SMBus序列总线，但是其他的串行接口例如SPI是共用的。阅读微控制器的温度报告，接口也接受来自温控制器的指令。那些指令通常是温度极限，如果超过，将中断微控制器的温度传感器集成电路上的数字信号。微控制器然后能够调整风扇速度或减慢微处理器的速度，例如，保持温度在控制之下。

图3：设计的温度传感器可遥测处理器芯片上的p-n结温度

图4。温度传感器可检测它自己的温度和遥测四个p-n结温度。

图5。风扇控制器/温度传感器集成电路也可使用PWM或一个线性模式的控制方案。

在图4中画是一个类似的装置：而不是检测一个p-n结温度，它检测四个结和它的自己内部的温度。因此内部温度接近周围温度。周围温度的测量给出关于系统风扇是否正在适当地工作的指示。

在图5中显示，控制风扇是在遥测温度时集成电路的主要功能。这个部分的使用能在风扇控制的二个不同的模式之间选择。在PWM模式中，微处理控制风扇速度是通过改变送给风扇的信号周期者测量温度一种功能。它允许电力消耗远少于这个部分的线性模式控制所提供的。因为某些风扇在PWM信号控制它的频率下发出一种听得见的声音，这种线性模式可能是有利的，但是需要较高功率的消耗和附加的电路。额外的功耗是整个系统功耗的一小部分。

当温度超出指定界限的时候，这个集成电路提供中断微控制器的警告信号。这个被叫做过热温度的信号形式里，安全特征也被提供。如果温度升到一个危险级别的时候温控制器或软件锁上，警告信号就不再有用。然而，温度经由SMBus升高到一个水平，过热在没有微控制器被使用去控制电路。因此，在这个非逻辑控制器高温中，过热能被直接用去关闭这个系统电源，没有为控制器和阻力潜在的灾难性故障。

装置的这个数字I/O普遍使用在服务器，电池组和硬盘磁碟机上。为了增加服务器的可靠性温度在很多的位置中被检测：在主板（本质上是在底盘内部的周围温度），在处理器钢模之内，和在其它发热元件例如图形加速器和硬盘驱动器。出于安全原因电池组结合温度传感器和使其最优化已达到电池最大寿命。

检测依靠中心马达的速度和周围温度的硬盘驱动器的温度有两个号的理由：在驱动器中读取错误增加温度极限。而且硬盘的MTBF大大改善温度控制。通过测量系统里面温度，就能控制马达速度将可靠性和性能最佳化。驱动器也能被关闭。在高端系统中，警告能为系统管理员指出温度极限或数据可能丢失的状况。

图6。温度超过某一界限的时候，集成电路信号能报警和进行简单的ON/OFF风扇控制。

图7.热控制电路部分在绝对温标形式下，频率与被测温度成比例的产生方波的温度传感器

图8。这个温度传感器传送它的周期与被测温度成比例的方波，因为只发送温度数据需要一条单一线，就需要单一光绝缘体隔离信道。

模拟正温度感应器

“模拟正量”传感器通常匹配比较简单的测量应用软件。这些集成电路产生逻辑输出量来自被测温度，而且区别于数字输入/输出传感器。因为他们在一条单线上输出数据，与串行总线相对。

在一个模拟正量传感器的最简单例子中，当特定的温度被超过的时候，逻辑输出出错：其它，是当温度降到一个温度极限的时候。当其它传感器有确定的极限的时候，这些传感器中的一些允许使用电阻去校正温度极限。

在图6中，装置显示购买一个特定的内在温度极限。这三个电路举例说明这个类型装置的使用：提供警告，关闭仪器，或打开风扇。

当需要读实际温度时，微控制器是可以利用的，在单线上传送数据的传感器可能是有用的。用微处理器的内部计数器，来自于这个类型温度感应器的信号很容易地被转换成温度的测量。图7传感器输出频率与周围温度成比例的方波。在图8中的装置是相似的，但是方波周期是与周围温度成比例的。

图9。用一条公共线与8个温度传感器连接的微控制器，而且从同一条线上接收每个传感器传送的温度数据。

图9，在这条公共线上允许连接达到八个温度传感器。当微控制器的I/O端口同时关闭这根线上的所有传感器的时候，开始提取来自这些传感器的温度数据。微控制器很快地重新装载接收来的每个传感器的数据，在传感器关闭期间，数据被编码。在特定时间内每个传感器对闸口脉冲之后的时间编码。分配给每个感应器自己允许的时间范围，这样就避免冲突。

通过这个方法达到的准确性令人惊讶：0.8 是典型的室温，正好与被传送方波频率的电路相匹配，同样适用于方波周期的装置。

这些装置在有线电线应用中同样显著。举例来说，当一个温度传感器被微控制器隔离的时候，成本被保持在一个最小量，因为只需要一个光绝缘体。这些传感器在汽车制造HVAC应用中也是很有效，因为他们减少铜的损耗数量。温度传感器的发展：

集成电路温度传感器提供各式各样的功能和接口。同样地这些装置继续发展，系统设计师将会看见更多特殊应用就像传感器与系统接口连接的新方式一样。最后，在相同的钢模区域内集成更多的电子元件，芯片设计师的能力将确保温度传感器很快将会包括新的功能和特殊接口。

总结

通过这些天的查找资料，我了解了很多关于温度传感器方面的知识。我的大家都知道温度的一些基本知识，温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。利用温度所创造出来的传感器即温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。并且从资料中显示温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，在本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

这些天,我通过许多的资料了解到两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称它为“热电偶”。我查找的资料显示数据:不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。

热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。

温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可以用来测量运动物体、小目标还有热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可以用于测量温度场的温度分布。资料显示，最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体所测温度才是真实温度。如果想测定物体的真实温度，就必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取绝于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关连，因此很难精确测量。在自动化生产中我发现往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，这样才能提高有效发射系数。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即是介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。现在，我通过这些天的努力，了解了很多温度传感器及其相关的一些传感器的知识。他们在我们生活中的应用及其广泛，我们只有加紧的学习加紧的完成自己所学专业的知识，了解相关的最新信息，我们才能跟上科技前进的步伐。

参考文献：

篇8：电涡流传感器的设计

关键词：电涡流传感器,电容三点式振荡器,对数运算电路,非线性补偿,频率稳定度

引言

电涡流传感器具有灵敏度高、分辨力高、线性度高、重复性好、结构简单、抗干扰能力强、线性测量范围宽、安装方便、非接触测量、耐高温、能在油、汽、水等恶劣环境下长期连续工作的特点以及能够实现信息的远距离传输、记录、显示和控制的优势, 被广泛应用于工业生产和科学研究等领域的位移、振动、偏心、胀差、厚度、转速等物理量的在线检测和安全保护, 为精密诊断系统提供了全息动态特性。因而对于电涡流传感器的研究有着深远的理论和实践意义。

目前, 对电涡流传感器的研究, 主要集中在电磁学模型机理的研究、线圈几何形状的优化设计、测量精度的提高、非线性的线性化和应用范围的拓展等方面。本文提出了一种新型的电涡流传感器设计方案, 具有速度快、功耗低、稳定性好等诸多优点, 并已广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、航空航天等领域, 取得了非常好的效果, 得到了用户的一致好评。

1 电涡流传感器的基本工作原理[1,2]

电涡流传感器的基本工作原理是基于电涡流效应。根据法拉第电磁感应定律可知:金属导体置于变化的磁场中时, 导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属导体内自行闭合, 这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流, 这种现象称为电涡流效应, 电涡流传感器就是利用电涡流效应来检测导电物体的各种物理参数的。如图1所示。

很显然, 如果只改变其中的某一参数, 其他参数恒定, 阻抗就成为该参数的单值函数。假设被测金属导体材质均匀, 且具有线性和各向同性的性能特点, 我们可以控制, ξ, σ, I, ω这几个参数在一定范围内不变, 则阻抗就成为距离的单值函数, 再通过前置器电子线路的处理, 将探头线圈阻抗的变化, 即探头线圈与金属导体之间的距离的变化转化为电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的距离而变化, 电涡流传感器正是基于这样的原理实现对位移、振动、胀差、偏心等的测量。

2 电涡流传感器电路设计

2.1 测量电路的选择[3,4,5]

电涡流传感器的测量电路可分为调频式和调幅式两种, 调幅式测量电路又可细分为恒定频率的调幅式和频率变化的调幅式两种。

调幅式测量电路是指以输出高频信号的幅度来反映电涡流传感器探头与被测金属导体之间的关系。其特点是:输出可以被调理为直流电压, 而对直流电压进行数据采集的速度快、时间短、可以降低功耗。

调频式测量电路是指将探头线圈的电感量与微调电容构成振荡器, 以振荡器的频率作为输出量的一种转换电路。其优点是:电路结构简单, 抗干扰能力强, 性能较稳定, 分辨率和精度高, 易与计算机连接, 频率输出便于数据采集和处理, 成本较低。

在本设计中我们采用调幅式电路。

2.2 滤波、稳压、同相比例放大电路的设计

该部分电路的作用是消除直流电源中的交流成分以及电源电压的波动所造成的影响。如图2所示。

2.3 振荡电路的设计[6]

电感三点式振荡电路:由于反馈支路是电感, 振荡器的输出波形中含有较多的高次谐波, 且振荡频率不高, 对本设计不适用, 故不予采用。

电容三点式振荡电路:由于输出端和反馈支路均为电容, 对高次谐波电抗小, 反馈电压中高次谐波分量很少, 振荡频率稳定度高, 因而输出波形好, 更接近正弦波。振荡频率可以较高。符合本设计的要求, 故采用。如图3所示。

在本设计中, 为了保证振荡电路输出信号的稳定和可靠, 我们采取了如下措施:

针对电源电压的变化, 在电源端添加了稳压环节;针对负载变化, 在振荡电路与负载之间插入了缓冲电路以屏蔽负载的影响;针对环境温度变化, 采用了温度系数较小的元件, 例如云母电容等;针对外界磁场会引起磁性材料磁导率的变化, 影响传感器线圈的涡流效应, 将振荡器密封在传感器壳体内, 起到屏蔽作用, 可减少回路与外界发生的电磁耦合。

2.4 检波、滤波电路的设计

检波、滤波电路将电容三点式振荡器的输出信号, 经过检波、滤波, 将其转换为直流信号。通过对电路的优化设计, 对元器件一致性的筛选以及电阻、电容参数的合理选配, 使得该电路既能保证独立线性指标的要求, 又能满足对动态响应时间指标的要求, 同时还要尽可能降低直流信号输出的交流噪声。检波、滤波电路如图4所示。

2.5 对数运算电路的设计[7]

采用对数运算电路对传感器的非线性段进行线性化补偿, 在保证测量精度要求的前提下, 最大限度地扩大传感器的测量范围。本对数运算放大电路采用的运算放大器、电阻和二极管, 都是非常基本的电子元器件, 相对于其他复杂的芯片, 具有很好的时间稳定性和温度稳定性, 因此该电路在高温环境长时间使用可以保持优良的矫正性能, 可靠性好。

对数运算电路的工作原理主要是基于二极管的非线性伏安特性, 伏安特性曲线在输入 (横轴方向) 逐渐增大时, 输出 (纵轴方向) 的变化率不断增大, 这种曲线类似指数运算。指数运算与对数运算互为逆运算, 使得该电路的输出和输入之间满足对数的函数关系。对数运算放大电路如图5所示。

2.6 放大、迁移、滤波电路的设计

该部分电路的作用是对检波、滤波、线性化处理后的直流信号进行信号的迁移、放大、再滤波处理, 确保传感器处于最佳线性工作区间, 确保输出形式符合技术指标要求, 确保信号的交流噪声控制在最低程度, 确保传感器输出信号稳定、可靠。由于电涡流传感器的供电电源仅为24V, 电压过低, 以及由位移量转化而成的电信号变化缓慢且非周期性和比较微弱的特点, 致使传感器的电容三点式振荡器的输出信号以及经过检波、滤波、线性化处理后的直流信号幅度也很低, 为保证传感器的信号输出符合技术指标要求, 需在信号的迁移、放大、滤波环节加以放大处理。放大、迁移、滤波电路如图6所示。

3 线圈的设计

线圈是电涡流传感器的一个非常重要的元件, 其尺寸和形状直接关系到传感器的灵敏度和测量范围;其材料和线径的选择也很关键;本设计为了缩短设计时间和提高精确度, 借助了计算机进行辅助设计, 求得了一组比较合理的参数。限于篇幅, 不展开讨论。

4 关键技术

4.1 电容三点式振荡电路的设计

这是一个同时具有深度负反馈和自举反馈的电容三点式振荡电路, 图中的L就是传感器线圈的电感, 其特点是该电路容易起振, 灵敏度高, 稳定性好, 时漂小, 输出幅值大。

采用电容三点式振荡电路, 可提高整个系统的可靠性及控制精度。为了保证此项关键技术的实现, 采用了以下方法和措施:

1) 为了减小电源引起的频率漂移, 在原电源前添加一稳压环节, 使电路工作在稳压状态, 从而改善了对其频率的影响。2) 晶体管发射结电阻R b e和发射结电容C b e对频率稳定度的影响很大, 其中后者影响更大, 在振荡电路中引入C2、C3便是为了减小发射结电阻R b e和发射结电容Cbe对频率稳定度的影响。3) 为了减小电路的负载效应, 增大品质因数Q以及使谐波的失真系数减小, 设计了一个射极跟随器。4) 为了提高频率稳定度, 便要提高电感L和电容C的稳定性 (主要是温度稳定性) , 电感L的稳定性主要取决于材料和工艺, 电容C的稳定性主要取决于材料, 一般选用瓷介或云母电容, 这种电容损耗小, 电容量稳定性高, 并具有多种低温度系数, 适用于谐振回路和需要补偿温度效应的电路中。

4.2 对数运算电路的设计

对数运算电路是指输出和输入之间满足对数函数关系的电路, 本设计中对数运算电路主要用于对传感器的非线性段进行线性化补偿, 在保证测量精度要求的前提下, 最大限度地扩大电涡流传感器的量程。在设计中始终坚持简单、明了、够用的原则, 本对数运算放大电路设计采用的是运算放大器、电阻和二极管, 它们都是非常基本的电子元器件, 相对于其他复杂的芯片, 具有很好的时间稳定性和温度稳定性, 因此该电路可以在高温环境下长时间工作, 可靠性好。因此也从根本上保证了电涡流传感器的工作可靠性。

5 结束语

本文对电涡流传感器的工作原理和电路设计进行了比较详细的介绍, 依照本设计生产的电涡流传感器具有体积小、重量轻、抗振动、抗冲击、耐高低温等优点, 在油田、矿山、电厂、钢厂等领域得到了广泛的应用, 赢得了用户一致好评。理论和实践均证明本设计科学、合理, 具有一定的推广应用价值。

参考文献

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[2]梁森, 王侃夫, 黄杭美.自动检测与转换技术[M].北京:机械工业出版社.2005.1.

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[4]韩俊秀, 齐剑玲, 冉红霞.电涡流传感器测量电路的设计与仿真[J].中国科技博览.2009, (3) :101

[5]许德章.电涡流传感器信号调理电路的设计[J].自动化仪表.1998, 19 (6) :37-38, 42

[6]马东丽, 赵辉.用于调频式电涡流传感器的高稳定性L C振荡电路[J].计算机测量与控制.2004, 12 (3) :298-300