传感器设计论文范文

今天小编为大家推荐《传感器设计论文范文(精选3篇)》，仅供参考，希望能够帮助到大家。【摘要】在现代制造业中，直线位移的测量非常重要。目前的直线位移量传感器有各自的优缺点，文章设计与分析一种基于变磁阻原理的直线位移传感器，其结构主要由初级和次级构成，具有无刷化、线性范围大、适应环境能力强、结构简单、成本低等优点，适用于环境恶劣、可靠性要求高的位移测量系统中。

第一篇：传感器设计论文范文

光电传感器测量设计与应用初探

摘要：光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。本文叙述了这种器件的光电特性，并讨论了测量的设计方法，从而了解其工作特点。

关键词：光电;传感器;设计

光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。从上述分析可知，现代信息技术的主体是光子技术与微电子技术，而光子技术与微电子技术结合，它们相互交叉、相互渗透与补充，就形成了光电信息技术，光电信息技术的主要内容是电─光信息转换和光─电信息的转换及其应用，是现代信息技术的基础和核心。

一、光电效应

光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。

二、光电元件及特性

根据光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。

1、光电管。光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管。当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功时，它就可以克服金属表面束缚而逸出。

2、光电电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。利用逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。若倍增电极有n级，各级的倍增率为σ，则光电倍增管的倍增率可以认为是σN，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。

3、光敏电阻。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下：(1)暗电阻光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。(2)亮电阻光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。

三、光电检测

光电检测术是光电信息技术的主要技术之一，它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。如用光电方法实现各种物理量的测量，微光、弱光测量，红外测量，光扫描、光跟踪测量，激光测量，光纤测量，图象像测量等。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，它具有如下特点。

1)高精度。光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。如用激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm/m。2)高速度。光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。3)远距离、大量程。光是最便于远距的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。4)非接触测量。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。5)寿命长。在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做得好，可以永久的使用。6)具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。用光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，易于与计算机连接，易于实现智能化。

四、设计方法

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构是首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分组成.由于被测对象复杂多样，故检测系统的结构也不尽相同。一般电子检测系统是由传感器、信号调理器和输出环节三部分组成。

传感器处于被测对象与检测系统的接口处，是一个信号变换器。它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化，并转化成便于测量的电参数。有传感器检测到的信号一般为电信号。它不能直接满足输出的要求，需要进一步的变换、处理和分析，即通过信号调理电路将其转换为标准的电信号，输出给输出环节。根据检测系统输出的目的和形式的不同，输出环节主要显示与记录装置、数据通信接口和控制装置。

传感器的信号调理电路是由传感器的类型和对输出信号的要求决定的。不同的传感器具有不同的输出信号。能量控制型传感器输出的是电参数的变化，需采用电桥电路将其转换成电压的变化，而电桥电路输出的电压信号幅度较小，共模电压又很大，需要用仪表放大器进行放大，在能量转换型传感器输出的电压、电流信号中一般都含有较大的噪声信号，需加滤波电路提取有用的信号，而滤波出无用的噪声信号。而且，一般能量型传感器输出的电压信号幅度都很低，也许才用仪表放大器进行放大。

与电子系统载波相比，光电系统载波的频率提高了几个数量级。这种频率量级上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变，在功能上也发生了质的飞跃。主要表现在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率大为提高，因此，在信道、雷达、通信、精导、导航、测量等领域获得广泛应用。

注意事项：1)硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成。这类错误包括错线、开路、短路，其中短路是最常见也是最难以排除的故障。单片机系统往往要求体积很小，印刷板的布线密度很高，由于工艺原因经常造成引线之间的短路。2)元器件失效的原因有两个方面：一是由于元器件本身损坏或性能差，诸如电阻，电容的型号参数不正确，集成电路损坏，或速度、功率等技术参数不合格等。二是组装错误造成元器件失效，诸如电容，二极管极性错误，集成块安装方向颠倒等。

五、结语

采用以上设计后，光电传感器减少干扰。它在严酷环境中能稳定地工作。经过电磁兼容设计，光电传感器可靠性及质量显著提高。(作者单位：沈阳师范大学物理科学与技术学院)

参考文献：

[1]江文杰，施建华.光电技术[M].科学出版社.

[2]张福学.传感器、电子学及其应用[M].国防工业出版社.

[3]雷玉堂.光电检测技术[M].中国计量出版社.

作者：赵放

第二篇：直线位移传感器设计与分析

【摘 要】在现代制造业中，直线位移的测量非常重要。目前的直线位移量传感器有各自的优缺点，文章设计与分析一种基于变磁阻原理的直线位移传感器，其结构主要由初级和次级构成，具有无刷化、线性范围大、适应环境能力强、结构简单、成本低等优点，适用于环境恶劣、可靠性要求高的位移测量系统中。

【关键词】直线;位移;传感器

0 引言

随着科学技术的不断进步发展，人们对各种物理参数的测量要求越来越高。在现代制造业中，直线位移测量也是非常重要的。目前应用比较多的直线位移量传感器有感应同步器式、电容式、电感式、光电式、光栅式、磁栅式、霍尔效应式等。这些位移传感器各有优缺点，精度高的制造设备复杂、制造工艺复杂、结构复杂、安装调试要求高、成本高，同时对使用环境要求严格，如光栅式直线位移传感器(如图1所示);精度相对低的、线性范围小的，结构相对简单、可靠性要求也高，但频率响应不高，快速动态测量很难适用，如电感式直线位移传感器(如图2所示)。

本文设计分析的是一种基于变磁阻原理的直线位移传感器，其结构主要由初级和次级构成直线位移传感器(如图3所示)，初级包括初级铁心及激磁、输出绕组，次级仅为带齿的铁心，具有无刷化、精度高、可靠性高、线性范围大、适应环境能力强、频率响应高、体积小、结构简单、价格低等优点，适合作为直线位移检测元件用于无刷直线直流电机等直线伺服驱动电机系统中，也可用于环境恶劣、可靠性要求高的位移测量系统中。

1 设计原理

本文设计分析的是一种基于变磁阻原理的直线位移传感器，根据法拉第电磁感应原理可知，当激磁绕组(R1R2)施加交流励磁电压ER1R2=Esinωt时，两个输出绕组(S1S3、S2S4)中分别产生感应电压，其幅值主要决定于初级、次级齿间气隙磁导的大小，即随气隙磁导的变化而变化。次级移动一个齿距，气隙磁导变化一个周期，则输出电压幅值就变化一个周期，次级移动一个周期，输出电压幅值变化的周期数等于初级齿数，其电气原理图如图4所示。

2 设计分析

2.1 样机设计参数

磁阻式直线位移传感器主要技术参数有励磁电压、励磁频率、最大输出电压及极对数等，设计参数有初次级槽数、初次级长度尺寸、气隙等。样机具体参数见表1。

2.2 结构设计

磁阻式直线位移传感器主要由初级和次级构成，初级包括初级铁心及励磁绕组、正余弦输出绕组，次级仅为带齿的铁心，结构比较简单。为了保证磁阻式直线位移传感器运行时的性能指标，必须保证初级、次级之间的气隙均匀，优化初级、次级结构及安装型式，并合理选择直线导轨，选取气隙尺寸为0.3 mm。初级、次级铁芯仅由冲片组成，并用激光焊接或铆钉紧固，加工工艺简单，零部件安装可靠，初级上面还有励磁绕组、正余弦输出绕组，材料选取漆包线，绕线骨架选用尼龙材料注塑成型，套装在初级齿上。直线位移传感器整体结构简单，零部件安装可靠，选材主要为硅钢片、漆包线及尼龙材料，因此对环境适应能力非常强。

2.3 绕组设计

激磁绕组采用等匝集中绕组，每个初级齿上的匝数：

N1=N/Z1

式中：N为激磁绕组总匝数;Z1为初级齿数。

两个输出绕组分别采用正弦分布绕组和余弦分布绕组。

正弦分布绕组匝数：

Nsin=N0sin(i-1)αe

余弦分布绕组匝数：

Ncos=N0cos(i-1)αe

式中：N0为每个大齿上一相输出绕组可能的最大匝数。

3 信号处理应用

由于磁阻式直线位移传感器是一种模拟型机电元件，在实际中无法满足伺服系统的数字化应用，因此要通过设计合适的接口电路，将模拟信号与控制系统数字信号之间的相互转化得以实现。

美国AD公司的AD2S90作为模拟/数字转换器，与控制器之间采用同步串行通信方式进行数据传输，具有如下的优点：?譹?訛轴角信息提供两种输出方式，一是绝对串行二进制输出(12位)，最高传输速率为2 Mbps;二是模拟增量式编码器输出，A、B和NM信号，相当于1个1024线增量式编码器。?譺?訛分辨率固定为12位，外围电路简单。?譻?訛串行芯片價格便宜，仅为并行芯片的1/5～1/100。基于以上优点，AD2S90的分辨率固定，因此几乎不必设置任何外围电路，而只需提供正常的工作电源，转换器就能正常运行(如图5所示)。

4 结语

本文设计分析的直线位移传感器结构简单，所用材料主要为硅钢片、漆包线及工程塑料，除了具有线性范围大、频率响应高、成本低等优点外，对环境适应能力也非常强，可用于环境温度较高或较低的场合，也可用于高振动、冲击的环境。

参 考 文 献

[1]薛山，温旭辉，徐志捷.基于AD2S90的数字旋转变压器[J].电工技术杂志，2003(9)：102-104.

[2]李永清，李振波，申安安，等.高可靠直线位移传感器[J].仪表技术与传感器，2007(12)：12-13.

[3]曲家骐，王季秩.伺服控制系统中的传感器[M].北京：机械工业出版社，1998.

[4]张晓宇.用于伺服驱动系统的无刷旋转变压器仿真设计[J].湖南工程学院学报：自然科学版，2013，23(1)：21-23.

[责任编辑：钟声贤]

作者：张晓宇　叶子彬

第三篇：创新型光栅传感器读数方法设计

【摘　要】光栅测量技术是制造工业中(机床工业)应用最为广泛的几何量测试技术。基于莫尔条纹的光栅测量方法已经有上百年的历史了，随着现代超精密加工技术、微电子技术的进步，基于莫尔条纹的光栅读数方法已经可达亚微米精度，但是如果要实现更高精度的测量，莫尔条纹光栅读数方法目前面临着诸多瓶颈问题。结合现代光电技术的最新成果，开展光栅新型读数方法研究，对于推动光栅测量技术进步，发展现代光电信息产业具有推动作用。

【关键词】DVD激光头;光栅;莫尔条纹;纳米测量

0.引言

以DVD光学读取头作为非接触式的光学测量探头，其内部的光学激光读取技术不断的更新与发展，已相当成熟。从激光光源、光路设计以及传感器等，系统整合的完整度还有聚焦的特性，只需进行适当的改装以及控制手段的改进，将可以成为实用的非接触探头。一般高精度的探头价格相当昂贵。为适应现今各种产业的低成本高精度的需求，本设计以建立光栅测量的探头系统为目的，对DVD读取头加以改进，发展出符合测量要求的精密探头系统。测量范围约为5um，测量重复性误差的单标准差约为1.1nm。且可以实现纳米分辨率小于30nm的测量精度。

1.DVD激光头的工作原理

DVD激光头组件中包括激光二极管，提供稳定的测量用光源的激光光源;以及分光镜、穿透式光栅、光电传感器、聚焦物镜、四分之一波片等光学组件。光信号由光电传感器转换为电信号，光电传感器输出的电压信号的强弱可得出入射光的光强度。本设计中所使用的DVD激光头的内部传感器由四片面积相同且光电形式也相同的光电传感器所组成，被称为四象限传感器(Quadrant detector)。当光点打在检测器上时，光点落在各检测器上的能量是不相等的，因此信号输出也不同，然后比较各检测器的输出，就可得知光点位置差。激光读数头就是利用四象限傳感器来检测四个象限分别的感光强度，并且由后续的运算电路计算出来聚焦误差信号(Focus Error Signal，即FES)。

DVD激光读取头的聚焦原理为像散法(Astigmatic Method)。像散是指光线经过像散透镜，造成成像时横向与纵向的放大率不同，由此会造成像点的失真。利用此像散特性作为测量依据，并结合感测组件四象限传感器，共同工作，达到测量距离的目的。透镜的垂直焦距与水平焦距不同，因此物体会偏离透镜前焦平面的位置。当物体处于透镜的正焦平面位置时，物理在四象限光传感器上的成像光点呈现圆形(FES=0)，当物理偏离透镜的焦平面位置时，成像光点呈现椭圆变化，经信号处理，即对四象限传感器的(A+C)-(B+D)，失焦信号对失焦位移量的关系成一曲线，即所谓的S曲线。

DVD激光读取头的聚焦误差信号(FES)的线形范围为7μm左右，但实际应用时一般只用到其中焦点位置附近±1μm左右的线形范围，在此范围内，具有优异的线形度、高测量分辨率和高测量精度的特点。

2.基于干涉原理的光栅位移测量读数系统原理

当光栅的栅距较小，相当于光波波长数量级时，光的衍射效果是十分明显的，会由各级衍射光束之间相互干涉形成衍射型莫尔条纹。衍射型莫尔条纹同样需要两个光栅组成光栅副。一个作为主光栅，另一个作为指示光栅。相位光栅可以分为透射型光栅和反射型光栅两种，相位光栅的测量系统根据使用不同类型的光栅有着不同的系统结构，总的来说可以分为多光栅测量系统和单光测量系统。

设计用的衍射光栅测量系统是采用两个或者两个以上的光栅对入射光进行多次衍射产生与被测运动成正比的条纹测量信号，这些测量方法都可以使用普通光源，例如本设计中的DVD激光作为测量用光源。在应用中，可以利用激光源的单色性和单光栅组成位移测量系统，这类测量系统结构相比较为简单。同时这种光栅读数测量方法一般精度较高，在精度要求较高的相位光栅测量系统中一般采用这种测量方法。

3.信号的处理方法

DVD激光头输出的信号为四象限传感器的电压信号。因此需要设计运算电路来进行后续的(A+C)-(B+D)的计算。以下为主要运算电路。

本设计主要的关键技术为光栅读数头信号处理技术。光栅读数头信号处理包括两个部分：激光头输出信号的处理和正交信号的处理。激光头四象限探测器输出信号的高质量放大和滤波是设计成功关键。因此我们使用了如下图的滤波设计，其使输出的正余弦信号能够准确对应被测光栅物理表面周期位置的变化。

而且其转化精度的高低关系到后继电路对信号的计数细分。读数头信号的质量受到光栅安装、光路、电路以及使用环境的变化等多种因素的影响，信号的幅值、零点、相位差会发生波动，并伴有波形失真，从而给后继的电子细分引入较大的误差。因此要根据测量条件对电路进行精确调整，在保证不丢失有效测量信息的同时对信号进行实时处理，增强正交信号质量。

4.实验结果和总结

将DVD触头放置在光栅尺对面，利用微调机构调整触头和光栅尺的相对位置，利用示波器来记录输出信号。在触头离光栅尺很远或者很近的时候，都没有信号的输出。只有在一个固定的距离范围内，信号才会有很敏感的信号的反应。这个距离就是触头的焦点距离，而范围则是其的线性范围。在敏感区域内，将触头沿着光栅尺的方向移动，可以明显的看到周期性的波形信号。这是因为光栅尺的明暗条纹，在反射光线时所产生的效果，对于激光头来说就是在不停的失焦和变焦。因此会根据光栅线距离产生周期性的信号。又因为光栅的线距是根据光栅决定的，是已知的。因此只要对周期进行计算，就可以精确得知光栅尺移动的距离。从而证明了，利用廉价的DVD触头的改装，来得到可以进行高精度光栅读数传感器的想法是可行的。而且这种测量方法不仅精度高，同时节省成本，符合目前工业趋势的需要。　[科]

【参考文献】

[1]唐文彦.传感器[M].北京:机械工业出版社.2006.

[2]孙长库，叶声华.激光测量技术[M].天津:天津大学出版社.2001.

[3]张国雄.测控电路[M].北京:机械工业出版社.2008.

[4]陈叶金.创新型微纳米测量探头机理的研究，合肥工业大学测试计量技术与仪器专业博士论文，2007.

作者：铁铮 王梦莹 宋奋韬