第一篇：一種基于傳感器的智能谷倉的設(shè)計(jì)論文

提出了一套應(yīng)用于谷物儲存的智能谷倉設(shè)計(jì)方案，通過特定傳感器和計(jì)算機(jī)程序，對進(jìn)出谷倉的谷物的重量變化和位置分布進(jìn)行精確估計(jì)，并通過無線局域網(wǎng)上傳谷倉內(nèi)谷物或糧食的進(jìn)倉時(shí)間及位置分布到儲糧調(diào)度服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)谷物進(jìn)出倉優(yōu)化調(diào)度，通過智能傳感器并利用專家知識對谷倉內(nèi)儲存的谷物狀態(tài)進(jìn)行評估，調(diào)節(jié)倉內(nèi)溫度濕度并及時(shí)報(bào)警，防止谷物霉變和因儲存時(shí)間過長形成陳化糧，對于保證糧食安全以及優(yōu)化糧食調(diào)度具有積極意義。

糧食儲存過程中的質(zhì)量保障是關(guān)系到國家穩(wěn)定發(fā)展的重要問題。近年來發(fā)生的陳化糧流入市場等不良事件已經(jīng)成為現(xiàn)階段困擾我國食品安全和社會穩(wěn)定的一個(gè)重要問題，對我國的糧食供應(yīng)和人民健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。

與此同時(shí)，谷物(糧食的一種主要形態(tài))的儲存管理十分繁雜，不但耗費(fèi)大量的人力和物力，而且涉及到一系列技術(shù)和設(shè)施。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的智能技術(shù)成為解決復(fù)雜事務(wù)管理的重要方向[2-4]。研究智能谷倉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)糧食安全存儲具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。智能谷倉的功能及控制

1.1 智能谷倉的功能

作為谷物安全存儲的設(shè)施，智能谷倉除了能夠?qū)崿F(xiàn)谷物的進(jìn)倉、出倉和存放等普通谷倉的功能之外，還具有兩個(gè)方面的特殊功能，一方面它可以自動(dòng)感知倉內(nèi)谷物的儲存環(huán)境和谷物儲存狀態(tài)，如平均進(jìn)倉時(shí)間、最長進(jìn)倉時(shí)間、分批進(jìn)倉的量和位置分布，倉內(nèi)溫度、濕度變化狀況，倉內(nèi)是否有霉變傾向等;另一方面它可以通過專家系統(tǒng)根據(jù)入倉谷物的類型、入倉時(shí)間、傳感器采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用知識庫中的專家知識對倉內(nèi)谷物的狀況進(jìn)行綜合分析和評估。

在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)谷物入倉和出倉調(diào)度優(yōu)化。通過智能傳感器可以預(yù)知倉內(nèi)谷物霉變風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)倉內(nèi)谷物類型和最長儲存時(shí)間預(yù)防谷物儲存時(shí)間過長而形成成化糧。此外，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測降低日常管理工作強(qiáng)度、提高工作效率。

1.2 谷物進(jìn)倉出倉控制及統(tǒng)計(jì)

從物理結(jié)構(gòu)上看，儲存谷物的智能谷倉是一個(gè)具有一個(gè)入口和一個(gè)出口的封閉罐體和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。谷倉的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。該谷倉的出口和入口由電子系統(tǒng)控制，不能同時(shí)打開。當(dāng)入口打開時(shí)，壓力傳感器和處理機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，壓力傳感器不斷將壓力變化參數(shù)傳給處理器。處理機(jī)將壓力參數(shù)換算成倉內(nèi)谷物重量并記錄時(shí)間，按照比重和谷倉內(nèi)徑換算成倉內(nèi)谷物分布圖，當(dāng)壓力達(dá)到臨界值時(shí)自動(dòng)停止谷物輸入。

與此類似，當(dāng)出口打開時(shí)，壓力傳感器和處理機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，壓力傳感器不斷將壓力變化參數(shù)傳給處理器。處理機(jī)將壓力參數(shù)換算成倉內(nèi)谷物重量并記錄時(shí)間，按照比重和谷倉內(nèi)徑換算成倉內(nèi)谷物分布圖，當(dāng)壓力降低到臨界值時(shí)自動(dòng)顯示存量谷物重量并提示停止谷物輸出。

1.3 谷物儲存狀態(tài)檢測與管理

實(shí)施谷物存儲管理依賴于谷倉內(nèi)設(shè)置的各類傳感器和知識庫內(nèi)的谷物儲存知識。這些傳感器包括電子鼻[5-6]及溫度和濕度傳感器。通過溫度和濕度傳感器獲知艙內(nèi)谷物的儲存溫度和濕度，再通過知識庫提供該類谷物的特性相關(guān)知識，評估當(dāng)前溫度和濕度環(huán)境是否適應(yīng)當(dāng)前谷物的安全存儲。

通過知識庫中有關(guān)該類谷物儲存周期評估谷物的存儲安全時(shí)間周期。通過電子鼻等智能傳感器檢測倉內(nèi)谷物是否有異常氣味來確定倉內(nèi)谷物是否有霉變傾向。

1.4 谷倉與服務(wù)器的通信

處理機(jī)通過無線局域網(wǎng)將谷倉的編號、物理位置、谷物分布數(shù)據(jù)及谷物進(jìn)出的時(shí)間上傳到糧庫管理中心服務(wù)器中。管理中心可以及時(shí)查詢谷物的儲存時(shí)間和物理位置和重量等狀況，為科學(xué)的儲糧調(diào)度決策提供依據(jù)。

1.5 服務(wù)器中知識庫的知識組成谷物類型知識，每種類型谷物存儲期間發(fā)生霉變的原因以及防止霉變的措施，例如溫度和濕度及通風(fēng)等方面的要求、每種谷物的安全存儲周期以及評估在存谷物質(zhì)量的知識等。

1.6 服務(wù)器中谷物調(diào)度子系統(tǒng)

當(dāng)新來谷物進(jìn)倉時(shí)，記錄和上傳谷物的數(shù)量、類型和時(shí)間，服務(wù)器啟動(dòng)相應(yīng)程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以相同類型谷物放在臨近谷倉或同一谷倉和保持同一個(gè)谷倉的谷物進(jìn)倉時(shí)間差最小為原則，輸出最佳進(jìn)倉方案，這樣有利于維持谷倉的儲存環(huán)境管理。當(dāng)有谷物出倉任務(wù)時(shí)，服務(wù)器啟動(dòng)相關(guān)程序，確定哪些谷倉的谷物適合出倉。在滿足提取谷物在數(shù)量、類型和質(zhì)量方面的要求前提下，盡可能將儲存時(shí)間相對較長的谷物出倉，這樣可以最大程度降低陳化糧的形成，防止管理上的失誤造成倉內(nèi)谷物因儲存時(shí)間超期而形成陳化糧。傳感器、處理機(jī)及服務(wù)器的功能

2.1 傳感器

智能谷倉具有一系列傳感器，一類用于倉內(nèi)環(huán)境監(jiān)測，如溫度、濕度、氣味。這些傳感器安裝在圖1所示的傳感器安裝柱內(nèi)，可按照不同高度和位置進(jìn)行布設(shè)。安裝柱本身還具有通氣等功能，可以獨(dú)立取出，便于維修。另一類用于谷物重量變化和倉門開閉監(jiān)測，如壓力及倉門位置等傳感器。通過這兩類傳感器可以使得谷倉的存儲環(huán)境及時(shí)得到監(jiān)測。其中谷倉的氣味傳感器在最近幾年中取得了很大的突破，該類智能傳感器被稱為電子鼻[5]，是一類專門為防止谷物霉變而研制的智能傳感器，使得一旦谷物有霉變傾向，谷物必然產(chǎn)生異常氣味，電子鼻通過其布置在谷倉內(nèi)若干個(gè)傳感器件以及其內(nèi)部的專門針對谷物霉變的分析程序及時(shí)報(bào)警，為谷物的存儲提供安全保障。

將這些傳感器安裝在谷倉的上中下三個(gè)層面可有效提高其對谷倉儲存環(huán)境變化的敏感性。傳感器的設(shè)置和位置選擇如圖1所示。倉內(nèi)安裝三組溫度、濕度和氣味傳感器，用于實(shí)時(shí)探測谷倉內(nèi)不同部位的溫度、濕度、氣味所處的范圍;通過處理機(jī)內(nèi)的程序進(jìn)行平滑處理，獲得倉內(nèi)谷物儲存環(huán)境的具體數(shù)值。傳感器的安裝如圖3 所示。

2.2 處理機(jī)

數(shù)據(jù)處理和通信則由安裝在谷倉的處理機(jī)來執(zhí)行，它由嵌入式計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)卡及A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊組成，是智能谷倉的數(shù)據(jù)收集、發(fā)送及對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它從壓力、電子鼻、溫度和濕度等傳感器獲得參數(shù)并通過特定程序計(jì)算出谷物重量變化，從電子鼻獲取檢測信息進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)送至服務(wù)器，從濕度及溫度傳感器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均和噪聲處理后通過無線局域網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)器。此外，處理機(jī)還可以接收從服務(wù)器發(fā)來的指令，調(diào)節(jié)倉內(nèi)空調(diào)、通風(fēng)等設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，維護(hù)倉內(nèi)環(huán)境，適應(yīng)谷物的存儲。此外，處理機(jī)還通過A/D轉(zhuǎn)換控制電機(jī)開啟和關(guān)閉谷倉的出入口。其構(gòu)成如圖2所示。

壓力傳感器位于谷倉的底部，主要用于檢測倉內(nèi)谷物重量的變化。由于谷倉本身重量很大，采用減力杠桿的方式安裝，在計(jì)算實(shí)際重量時(shí)將傳感器獲得的壓力乘以杠桿的長度比就可以獲得谷倉的實(shí)際重量。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 服務(wù)器

服務(wù)器根據(jù)智能倉谷物發(fā)來的溫度、濕度、重量、及電子鼻獲得的參數(shù)，針對倉內(nèi)儲存的谷物的重量、類型、平均存儲時(shí)間，利用特定的計(jì)算機(jī)程序計(jì)算出倉內(nèi)增加或減少的谷物重量及各批次進(jìn)入谷倉的谷物在谷倉內(nèi)的分布狀況及谷物在倉內(nèi)堆積高度。通過近似的分布圖展示在服務(wù)器界面上，使管理員可以在管理中心瀏覽各個(gè)谷倉的存儲狀況。

服務(wù)器利用其知識庫內(nèi)的專家知識，綜合季節(jié)、天氣等因素，評估倉內(nèi)谷物是否具有霉變風(fēng)險(xiǎn)，評估倉內(nèi)谷物的濕度及溫度環(huán)境是否適應(yīng)該類谷物的存儲。如果不適應(yīng)倉內(nèi)谷物的存儲，應(yīng)調(diào)節(jié)倉內(nèi)的溫度和濕度及采取相應(yīng)措施。并將這些數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)卡傳送到主服務(wù)器。工作流程

3.1 處理機(jī)程序及工作流程

3.1.1 通信程序 每天定時(shí)將谷倉谷物所存谷物進(jìn)入時(shí)間批次和每批次進(jìn)入的重量發(fā)送給陳化糧監(jiān)管服務(wù)器;定時(shí)將谷倉溫度，濕度，氣味參數(shù)傳送給服務(wù)器。接收服務(wù)器發(fā)送來的溫度、濕度調(diào)節(jié)指令，調(diào)節(jié)倉內(nèi)儲存環(huán)境。

3.1.2 谷物重量及分布位置 估算方法當(dāng)有一批谷物進(jìn)倉時(shí)，倉內(nèi)谷物分布會發(fā)生改變，其估計(jì)公式如下：

進(jìn)倉谷物凈高度=谷物比重÷谷倉底面積;

谷物進(jìn)入谷倉前谷物高度=谷物進(jìn)入谷倉前重量÷谷倉底面積;

進(jìn)倉谷物相對于谷倉底部高度=谷物進(jìn)入谷倉前谷物高度+進(jìn)倉谷物凈高度;

進(jìn)倉谷物分布范圍=谷物進(jìn)入谷倉前谷物高度-進(jìn)倉谷物相對于谷倉底部高度;

當(dāng)有一批谷物出倉時(shí)，倉內(nèi)谷物分布會發(fā)生改變，其估計(jì)公式如下：

出倉谷物凈高度=谷物比重÷谷倉底面積;

谷物進(jìn)入谷倉前谷物高度=谷物出谷倉前重量÷谷倉底面積;

出倉谷物相對于谷倉底部高度=谷物出谷倉前谷物高度+出倉谷物凈高度;

出倉谷物分布范圍=谷物進(jìn)入谷倉前谷物高度-出倉谷物相對于谷倉底部高度;

谷倉內(nèi)谷物儲存平均時(shí)間=(第1層谷物重量×第1層谷物存儲時(shí)間+第2層谷物重量×第2層谷物存儲時(shí)間+…第n層谷物重量×第內(nèi)n層谷物存儲時(shí)間)÷倉內(nèi)谷物總重量;

出入口控制程序：當(dāng)出口按鈕通電時(shí)，檢查入口是否處于關(guān)閉狀態(tài)，如果處于關(guān)閉狀態(tài)則啟動(dòng)開啟電機(jī)打開谷倉出口;當(dāng)入口按鈕通電時(shí)，檢查出口是否處于關(guān)閉狀態(tài)，如果處于關(guān)閉狀態(tài)則啟動(dòng)開啟電機(jī)打開谷倉入口。

如果入口打開則處理器啟動(dòng)圖4對應(yīng)的程序流程圖工作，如果出口打開則處理器啟動(dòng)圖5邊對應(yīng)的程序流程圖工作。通過對歷次增加和減少的谷物重量的統(tǒng)計(jì)以及谷物的比重可以估算出谷倉內(nèi)每次存入的谷物的重量和位置。由于采用先進(jìn)先出的順序，谷倉底部的谷物保存的時(shí)間最長，因此一旦某谷倉底部的谷物接近存放極限值，則服務(wù)器更具智能谷倉提供的數(shù)據(jù)可以及時(shí)向管理員報(bào)警。結(jié)語

智能谷倉的管理員通過服務(wù)器中的數(shù)據(jù)可及時(shí)掌握糧食儲存狀況：(1)共有多少谷物在儲存。(2)保存時(shí)間1～3月的谷物量及位置分布，3～6月的谷物量及位置分布，7～9月的谷物量及位置分布。管理員可以根據(jù)糧食的儲存狀況優(yōu)化出庫順序，防止谷物陳化事件發(fā)生，保障出倉谷物質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

服務(wù)器知識庫的建立需要有經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行密切配合，尤其是針對不同類型的谷物，發(fā)生霉變和陳化的誘因和時(shí)間有很大的差異，不能一概而論之;此外處于不同的地理位置，谷物的存儲期間質(zhì)量保證的措施也應(yīng)當(dāng)因地制宜，對于具體問題應(yīng)當(dāng)根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)形成針對性強(qiáng)的具體對策。

電子鼻的性能對于智能谷倉對谷物霉變的預(yù)防和監(jiān)測非常重要，這類智能傳感器目前還沒有統(tǒng)一的國際或國家標(biāo)準(zhǔn)，因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)所儲存的谷物事先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和校對，只有當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期時(shí)方能投入使用。

第二篇：傳感器設(shè)計(jì)論文

傳感器 課 程 論 文

課程名稱：論文題目：學(xué) 院：系 別：專 業(yè)：學(xué) 號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：日 期： 傳感器技術(shù) 溫度的傳感器設(shè)計(jì)

合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院

機(jī)械工程系

機(jī)電一體化 機(jī)電1301 11130156 張印

邢老師 2015 年 1 月 4日

第 一 頁

傳感器的應(yīng)用、發(fā)展前景及其目前的發(fā)展趨勢

近年來，國內(nèi)外溫度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步。溫度傳感器正從結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能簡單向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代溫濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將溫度測量技術(shù)提高到新的水平。國內(nèi)數(shù)字溫度儀測量溫濕度采用的主要方法有:“溫—阻”法,即采用電阻型的溫度傳感器,利用其阻值隨溫度的變化測量空氣的溫度。受傳感器靈敏度的限制,這類溫濕度儀的精度不是很高,一般條件下還可以滿足需要,但是在環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備等對精度要求較高的場合就難以滿足要求了。

隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及工業(yè)化的進(jìn)步,溫度不僅僅表現(xiàn)在以上幾個(gè)方面直接或間接影響著人類基本生活條件, 還表現(xiàn)在對工生物制品、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)研究、國防建設(shè)等方面的影響。針對以上情況，研制可靠且實(shí)用的溫度控制器顯得非常重要。常用溫度傳感器的非線性輸出及一致性較差，使溫度的測量方法和手段相對較復(fù)雜，且給電路的調(diào)試帶來很大的困難。傳統(tǒng)的溫度測量多采用模擬小信號傳感器，不僅信號調(diào)理電路復(fù)雜，且溫度值的標(biāo)定過程也極其復(fù)雜，并需要使用昂貴的標(biāo)定儀器設(shè)備。因此對于溫濕度控制器的設(shè)計(jì)有著很大的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)意義。

隨著光學(xué)技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，出現(xiàn)了開關(guān)式溫度測量器、輻射式溫度測量器等溫度測量器，使得溫度測量精度和范圍都有較大的提高，其中應(yīng)用激光技術(shù)測溫打破了傳統(tǒng)的近距測溫，可以針對遠(yuǎn)程溫度測量[4-5]。

隨著電子技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，研究開發(fā)出數(shù)字式集成溫度傳感器。這種傳感器是將溫度和數(shù)字電路集成在一起，內(nèi)部包含了溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、接口電路等，有的還有單片機(jī)的中央處理器、隨即存取存儲器和只讀存儲器集成在一起，成功的實(shí)現(xiàn)了溫度傳感器的數(shù)字化結(jié)構(gòu)。數(shù)字式溫度傳感器的采集精度高、測試的可靠性高、又很強(qiáng)的抗干擾能力，這些都是模擬式溫度傳感器不能達(dá)到的，由于引入了數(shù)字式的溫度反饋，有效地改善了比較器的失調(diào)和零點(diǎn)漂移對溫度精度的影響。目前，數(shù)字溫度傳感器已經(jīng)結(jié)合了總線技術(shù)、等接口和主機(jī)進(jìn)行通信，這種數(shù)字化、集成化的傳感器是將溫度傳感器的一個(gè)新的發(fā)展方向。

溫度傳感器的工作原理

熱敏電阻溫度測量傳感器所采用的材料為鉑金，該傳感器應(yīng)用了激光調(diào)阻和濺射成膜等技術(shù)制作形成的。選用鉑電阻的原因是因?yàn)槠潆娮柚悼梢噪S著溫度的變化而近似線性的變化，且具有良好的溫度重現(xiàn)性和良好的測試穩(wěn)定性。

本文設(shè)計(jì)所使用的是鉑膜溫度傳感器，該傳感器零度時(shí)的阻值為1000Ω，該電阻的變化率為0.3851Ω/℃，在測量中薄膜鉑電阻具有體積小，響應(yīng)快，壽命長，測溫范圍寬，在氧化介質(zhì)中性能穩(wěn)定，線性度及精確度高等優(yōu)點(diǎn)，很適合在便攜式測量儀中使用。

由于熱電阻隨溫度變化而引起電阻的變化值較小，如鉑電阻 Pt1000 在零溫度時(shí)的阻值

R0=1000，因此，在傳感器與測量儀器之間的引線過長會引起較大的測量誤差，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常是熱電阻與儀器或放大器采用兩線或四線制的接線方式。兩線制的引線電阻：鉑電阻不超過 R0的 0.1%，銅電阻不超過 R0的 0.2%。采用四線制可消除連線過長而引起的誤差。

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電橋輸出電壓 V0為

V0=I /2×2R(Rt-Rr)/(2R+Rt+Rr)當(dāng) R>>Rt、Rr時(shí)，V0=I /(Rt-Rr)其中

Rr為溫漂很小的鉑電阻 Rt為可變電阻 R 為固定電阻

I 為恒流源提供的電流 V0為輸出電壓。

傳感器的動(dòng)態(tài)特性

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)，圖1-1為所測得在0℃～ 100℃溫度范圍內(nèi)鉑電阻的阻值和溫度的關(guān)系曲線。并且該圖為傳感器的動(dòng)態(tài)特性。

圖1-1鉑電阻與溫度關(guān)系曲線

由圖1-1可以看出，隨著溫度升高鉑電阻的的組織也隨之升高，曲線呈近似線性變化。

傳感器的靜態(tài)特性

溫度傳感器探頭采用的材料為鉑金，應(yīng)用激光調(diào)阻和濺射成膜等工藝技術(shù)制成。鉑電阻的阻值能夠隨著溫度的變化而近似線性變化，具有良好的溫度重現(xiàn)性和測試穩(wěn)定性。本文采用的是溫度傳感器探頭如圖1-2所示。

第 三 頁

圖1-2溫度傳感器探頭圖

常用的鉑膜溫度傳感器

圖1-3 溫度傳感器探頭圖

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鉑膜溫度傳感器技術(shù)指標(biāo)

鉑膜溫度傳感器的技術(shù)指標(biāo)見下表 1.鉑電阻的技術(shù)指標(biāo)

2.熱響應(yīng)時(shí)間

在溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí)，鉑電阻的輸出變化至量程變化50%所需要的時(shí)間成為熱響應(yīng)時(shí)間，用T0.5表示。

3.鉑電阻絕緣電阻

常溫絕緣電阻的試驗(yàn)電壓可取直流 10～100V 任意值，環(huán)境溫度在15～35℃范圍內(nèi)，相對濕度應(yīng)不大于 80%，常溫絕緣電阻值應(yīng)大于 100M。

4.鉑電阻允許通過電流

通過鉑電阻的測量電流最大不應(yīng)超過 1mA。5.公稱壓力

一般是指在長溫下，保護(hù)管所能承受的不至于破裂的靜態(tài)外壓，承壓數(shù)值的大小同保護(hù)管的材料，直徑，壁厚，焊接強(qiáng)度等密切相關(guān)。

溫度傳感器是指檢測外界溫度的傳感器，它將所測環(huán)境中的溫度信號轉(zhuǎn)換為便于處理，顯示，記錄的電（頻率）信號等，在很多領(lǐng)域都有普遍的應(yīng)用。

溫度傳感器從使用角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類。前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，來檢測被測物體溫度的變化，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離。檢測從待測物體放射出的紅外線，從而達(dá)到測溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比之下運(yùn)用較多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場合才使用。它是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參數(shù)隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測的裝置，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱熱電阻傳感器，金屬熱電阻式傳感器簡稱熱電阻，半導(dǎo)體熱電阻式傳感器簡稱熱敏電阻，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢變化的稱為熱電偶傳感器。

溫度檢測采用的最基本的是熱電偶式和熱敏電阻式。熱電偶式應(yīng)用廣泛，價(jià)格便宜而且耐用，種類多，能夠覆蓋非常寬的溫度范圍，最高溫度可達(dá)到2000℃。所以本文設(shè)計(jì)選擇熱敏電阻，該傳感器主要隨溫度的變化阻值發(fā)生變化，主要測量范圍為-200℃～ 500℃溫度范圍內(nèi)測量。其溫度系數(shù)大而且穩(wěn)定，反應(yīng)速度快，工藝價(jià)格低，測溫環(huán)境穩(wěn)定。

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傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在傳感器中間沉積了過渡層氧化鎳,同時(shí)為了提高鉑薄膜的焊接連接特性,在鎳薄膜上面又沉積了銅薄膜作為導(dǎo)線層,最后在最外層沉積了三氧化二鋁薄膜作為保護(hù)膜,起到絕緣保護(hù)的作用,其膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示：

由于三氧化二鋁的絕緣特性和高硬度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn),可以避免傳感器層和銅導(dǎo)線層的氧化,同時(shí)也可以保證傳感器的耐腐蝕和耐沖擊,從而保證傳感器長期穩(wěn)定地工作。

設(shè)計(jì)小結(jié)

利用鉑薄膜的溫度電阻特性以及磁控濺射鍍膜技術(shù)設(shè)計(jì)并制備了薄膜熱阻型溫度傳感器,得到的薄膜傳感器在-200到600攝氏度之間有極高的線性度和穩(wěn)定性,并且通過對不同工藝參數(shù)的分析得到了最佳的制備鉑薄膜的工藝參數(shù):工作壓強(qiáng)0.6 Pa,靶基距60 mm,電源功率120 W。通過對退火溫度的對比分析得到了鉑薄膜最佳的退火溫度為400℃,退火時(shí)間為2 h,這些都為制備更為穩(wěn)定精度更高的鉑薄膜溫度傳感器奠定了良好的基礎(chǔ)。

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第三篇：智能傳感器產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告

智能傳感器研究報(bào)告

一、智能傳感器的定義

智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，至今還沒有形成規(guī)范化的定義。

定義1：《智能傳感器系統(tǒng)》書上的定義：傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測與信息處理功能的傳感器就是智能傳感器(系統(tǒng))；模糊傳感器也是一種智能傳感器(系統(tǒng))，將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上是構(gòu)成智能傳感器(系統(tǒng))的一種方式。定義2：《現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用》書上的定義：所渭智能式傳感器就是一種帶行微處理機(jī)的，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。

決定傳感器是否智能化的首要因素是其的精度，同時(shí)它還應(yīng)具備良好的可靠和穩(wěn)定性。傳感器可進(jìn)行數(shù)字濾波等分析處理，過濾掉無用的數(shù)據(jù)，及在多參數(shù)狀態(tài)下對特定參數(shù)測量的分辨能力。傳感器最重要的智能表現(xiàn)是能夠管理自己。通常的標(biāo)志是帶有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字總線接口，能將所檢測到的信號經(jīng)過交換處理后，以數(shù)字量的形式通過現(xiàn)場總線與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息通信和傳遞。

智能傳感器要具備一定的判斷、分析和信息處理能力，能夠根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的工作情況調(diào)節(jié)各部分與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送，使系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)和傳送效率優(yōu)化的狀態(tài)。

二、智能傳感器的結(jié)構(gòu) 智能傳感器主要由傳感器、微處理器及其相關(guān)電路組成。傳感器將被測的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,送到信號調(diào)理電路中,進(jìn)行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后,送到微計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)是智能傳感器的核 1

心,它不但可以對傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲、數(shù)據(jù)處理,還可以通過反饋回路對傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于計(jì)算機(jī)充分發(fā)揮各種軟件的功能,可以完成硬件難以完成的任務(wù),從而大大降低傳感器制造的難度,提高傳感器的性能,降低成本。

如果從結(jié)構(gòu)上劃分，智能傳感器可以分為集成式、混合式和模塊式。集成智能傳感器是將一個(gè)或多個(gè)敏感器件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上，集成集成度高，體積小，但目前的技術(shù)水平還很難實(shí)現(xiàn)；將傳感器和微處理器、信號處理電路做在不同芯片上，則構(gòu)成混合式智能傳感器，目前這類結(jié)構(gòu)較多；初級的智能傳感器也可以由許多互相獨(dú)立的模塊組成，如將微計(jì)算機(jī)、信號調(diào)理電路模塊、數(shù)據(jù)電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼結(jié)構(gòu)內(nèi)則組成模塊式智能傳感器。

三、智能傳感器的應(yīng)用與方向

（一）智能傳感器的應(yīng)用

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(gè)領(lǐng)域中。例如,它在機(jī)器人領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)用前景,智能傳感器使機(jī)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(dòng)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(biāo)(例如,黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等)進(jìn)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(biāo)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),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)技術(shù)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算,可推斷出產(chǎn)品的質(zhì)量。

（二）智能傳感器的應(yīng)用方向

虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化和信息融合技術(shù)是智能傳感器發(fā)展完善的3個(gè)主要方向。虛擬化是利用通用的硬件平臺充分利用軟件實(shí)現(xiàn)智能傳感器的特定硬件功能,虛擬化傳感器可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低成本,提高可靠性。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是將利用各種總線的多個(gè)傳感器組成系統(tǒng)并配備帶有網(wǎng)絡(luò)接口(LAN或Internet)的微處理器。通過系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)處理器可實(shí)現(xiàn)傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換和共享。多傳感器信息融合是智能處理的多傳感器信息經(jīng)元素級、特征級和決策級組合,形成更為精確的被測對象特性和參數(shù)。

（二）智能傳感器的衍生用途

1、無故障通信。智能傳感器的優(yōu)勢，是能從過程中收集大量的信息以減少宕機(jī)時(shí)間及提高質(zhì)量。

2、智能傳感器必須具備通信功能。除了滿足最基本應(yīng)用的反饋信號，智能傳感器必須能傳輸其它信息?！边@可以是疊加在標(biāo)準(zhǔn)4-20 mA過程輸出、總線系統(tǒng)或無線安排上的HART（可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議）信號。該領(lǐng)域正在增長的因素是IEEE 1451——一系列旨在為不同廠家生產(chǎn)的傳感器提供即插即用能力的智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)。

3、診斷與程序。智能傳感器可對其運(yùn)行的各個(gè)方面進(jìn)行自監(jiān)控，包括攝像頭的污濁，超容忍限或不能開關(guān)等，除此之外，還有線圈監(jiān)控功能。智能傳感器必須首先能監(jiān)視自身及周圍的環(huán)境，然后再?zèng)Q定是否對變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償或?qū)ο嚓P(guān)人員發(fā)出警告。

四、智能傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

中國傳感器的市場近幾年一直持續(xù)增長，增長速度超過15%，2003年銷售額為186億元，同比增長32.9%；而世界非軍用傳感器市

3場1998年為 325億美元，平均增長率為9%，2008年增加到506億美元。2009年中國傳感器應(yīng)用四大領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)及汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品專用設(shè)備，其中工業(yè)和汽車電子產(chǎn)品占市場份額的42.5%，市場規(guī)模達(dá)到138.9億元，傳感器整個(gè)市場突破327億元。預(yù)計(jì)2010年我國傳感器市場銷售額將達(dá)到632億元。其中壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場的21%、19%和14%。近年來傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS傳感器（MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)

（Micro-Electro-Mechanical SySTems）的英文縮寫。MEMS是美國的叫法，在日本被稱為微機(jī)械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)，它是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。）、生物傳感器等新興傳感器。目前國內(nèi)都已經(jīng)有若干家企業(yè)研發(fā)成功兼容GPS和北斗二代的雙模導(dǎo)航定位芯片。民用GPS北斗二代雙模雙通道射頻芯片的代表廠家主要有西安華迅、重慶24所、中科院微電子所等;基帶芯片廠家主要有北京和芯星通、西安華迅、北京東方聯(lián)星和杭州中科微等。有關(guān)雙模雙通道射頻芯片，目前國外還沒有廠家報(bào)道研發(fā)成果，可以說國內(nèi)處在領(lǐng)先地位。從關(guān)鍵指標(biāo)來看，國內(nèi)芯片的電流、面積還比較大，抗干擾性需要提高。

五、智能傳感器的相關(guān)政策

（一）工信部正式出臺了《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃強(qiáng)調(diào)“十二五”期間主要任務(wù)包括以下幾方面：一是攻克核心技術(shù)，包括信號感知、傳輸、處理技術(shù)，重點(diǎn)支持RFID標(biāo)簽、智能傳感器、4二維碼芯片等上游傳感器領(lǐng)域；二是加快標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，建立物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系框架、共性和關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和重點(diǎn)應(yīng)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；三是積極開展示范項(xiàng)目，重點(diǎn)支持工業(yè)、農(nóng)業(yè)、流通業(yè)等領(lǐng)域；在基礎(chǔ)建設(shè)方面，建設(shè)智能交通、智能電力、智能環(huán)保等，在生服務(wù)方面，支持物聯(lián)網(wǎng)在公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居等方面應(yīng)用。

（二）《江蘇省科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要》蘇政發(fā)?2006?52號。圍繞電子信息、汽車電子和現(xiàn)代裝備制造業(yè)發(fā)展需求，研究開發(fā)電子信息裝備關(guān)鍵技術(shù)和高精度、高可靠、高環(huán)境適應(yīng)性的新型儀器儀表，重點(diǎn)發(fā)展新型虛擬儀器、測試儀器、電子元器件及傳感器，以及微加速度計(jì)、微機(jī)電光纖陀螺、微動(dòng)力傳感、生物傳感器等微機(jī)電系統(tǒng)（mems）技術(shù)與產(chǎn)品。

（三）工信部《信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃和2020年中長期規(guī)劃綱要》中明確的指出新型元器件技術(shù)開發(fā)將重點(diǎn)圍繞敏感元件和傳感器等。

第四篇：傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例論文

壓力傳感器（壓力變送器）的原理及應(yīng)用

概 述：壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用

1、應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用

力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

電阻應(yīng)變片的工作原理

金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：

式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m）

S——導(dǎo)體的截面積（cm2）

L——導(dǎo)體的長度（m）

我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時(shí)，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。來源: http://tede.cn

2、陶瓷壓力傳感器原理及應(yīng)用

抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個(gè)惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線性、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號，標(biāo)準(zhǔn)的信號根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補(bǔ)償0～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。

陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度 >2kV，輸出信號強(qiáng)，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。

3、擴(kuò)散硅壓力傳感器原理及應(yīng)用

工作原理

被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號。來源:004km.cn

4、藍(lán)寶石壓力傳感器原理與應(yīng)用

利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件，具有無與倫比的計(jì)量特性。

藍(lán)寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象；藍(lán)寶石比硅要堅(jiān)固，硬度更高，不怕形變；藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC以內(nèi)），因此，利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng)；另外，硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復(fù)性，確保了高成品率。

用硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價(jià)比高。

表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構(gòu)成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質(zhì)外延性應(yīng)變靈敏電橋電路的藍(lán)寶石薄片，被焊接在鈦合金測量膜片上。被測壓力傳送到接收膜片上（接收膜片與測量膜片之間用拉桿堅(jiān)固的連接在一起）。在壓力的作用下，鈦合金接收膜片產(chǎn)生形變，該形變被硅-藍(lán)寶石敏感元件感知后，其電橋輸出會發(fā)生變化，變化的幅度與被測壓力成正比。

傳感器的電路能夠保證應(yīng)變電橋電路的供電，并將應(yīng)變電橋的失衡信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號輸出（0-5，4-20mA或0-5V）。在絕壓壓力傳感器和變送器中，藍(lán)寶石薄片，與陶瓷基極玻璃焊料連接在一起，起到了彈性元件的作用，將被測壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變，從而達(dá)到壓力測量的目的。

5、壓電壓力傳感器原理與應(yīng)用

壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、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?。ㄒ簿驼f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。

現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

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。

壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。

壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)闇y量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。

BP01型壓力傳感器及其在便攜式電子血壓計(jì)中的應(yīng)用

介紹了德利康公司的BP01型壓力傳感器的主要性能和參數(shù)給出了一個(gè)用BP01作傳感器組成的便攜式電子血壓計(jì)的實(shí)際電路,并對該應(yīng)用電路的工作原理進(jìn)行了說明,同時(shí)給出了該便攜式電子血壓計(jì)電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。概述

BP01 型壓力傳感器是為監(jiān)測血壓而專門設(shè)計(jì)的,主要用于便攜式電子血壓計(jì)。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝,具有高線性、低噪聲和外界應(yīng)力小的特點(diǎn);采用內(nèi)部標(biāo)定和溫度補(bǔ)償方式,從而提高了測量的精度、穩(wěn)定性以及可重復(fù)性,在全量程范圍內(nèi),精度為±1%,零點(diǎn)失調(diào)不大于±300μV。BP01的主要性能參數(shù)

BP01的內(nèi)部等效電路和外形封裝如圖1所示;表1所列為BP01在電源電壓Vs為5.0V、環(huán)境溫度TA為25℃時(shí)的主要性能參數(shù)。

BP01的極限參數(shù)如下：

·最大工作電壓：20VDC;

·最大耐壓：1500 mmHg;

·工作溫度范圍：0～70℃;

·引腳焊接溫度（最大值）：250℃（2～4秒）?；贐P01的電子血壓計(jì)

3.1工作原理

用BP01構(gòu)成的便攜式電子血壓計(jì)的原理電路如圖2所示,它由偏置電源電路（A1、A2）、前置處理電路（A3～A6）、顯示電路（A7）和壓力傳感器（BP01）組成,該血壓計(jì)的血壓測量范圍為0～200mmHg,分辨率為0.1mmHg,工作電源為一節(jié)9V迭層電池。現(xiàn)將血壓計(jì)中各主要電路的工作原理分述如下：

a.偏置電源電路

電源電路由帶有內(nèi)置參考電壓的雙運(yùn)放LM10組成,A1構(gòu)成同相放大器,A2構(gòu)成跟隨器,它們的作用是將內(nèi)置的參考電壓放大后用作壓力傳感器BP01的偏置電壓Vs,其Vs的值由下式?jīng)Q定：

Vs=Vref（1+R2/R3）

式中：Vref為LM10的內(nèi)置參考電壓。其值為200mV,將此值連同電路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置電壓Vs的值為5V。

b.前置處理電路

前置處理電路由A3～A6四個(gè)運(yùn)算放大器組成,其中A3構(gòu)成失調(diào)偏置電路以對電路失調(diào)進(jìn)行補(bǔ)償;A5構(gòu)成跟隨器,用于對壓力傳感器BP01的輸出信號進(jìn)行隔離緩沖;A4、A6構(gòu)成放大電路,其增益AV由下式?jīng)Q定：

AV=1+（R1/RT）

若忽略失調(diào),前置處理電路的輸出電壓Vout為：

Vout=2（1+R1/RT）VIN

式中：VIN為壓力傳感器BP01的輸出電壓。

c.顯示電路

顯示電路選用三位半的顯示驅(qū)動(dòng)器。工作時(shí),壓力傳感器BP01的輸出經(jīng)前置處理電路放大后,由顯示驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)LCD,以讀出測量的血壓值。

3.2調(diào)試方法

a.零壓輸出調(diào)整

在零壓輸出時(shí),調(diào)整失調(diào)電位器RP1,在血壓計(jì)的顯示值為000.0時(shí),即可認(rèn)為完成了零壓輸出調(diào)整。

b.前置電路增益的調(diào)整

壓力傳感器BP01的滿量程輸出與偏置電壓有一定的關(guān)系,當(dāng)5V偏置時(shí),在200mmHg壓力下的輸出為10mV,其對應(yīng)的顯示驅(qū)動(dòng)電路的輸入為200mV,因此前置電路的增益AV為200mV/10mV,這樣,利用前面Av的計(jì)算公式即可反推出增益電阻RT的值。

若選取電阻R1為10kΩ,則增益電阻RT應(yīng)為1.1kΩ。調(diào)試時(shí)可先用電位器調(diào)整輸出值,再用萬用表測出該電位器的阻值,最后再換成固定電阻。

c.滿量程調(diào)整

滿量程調(diào)整時(shí),先在顯示電路的輸入端加上200mV電壓,然后調(diào)整電位器RP2,使其讀數(shù)為199.9mmHg即可。

上調(diào)整完成之后,一般應(yīng)多重復(fù)幾次,以使顯示值可靠地符合精度要求。

3.3元器件的選擇

為保證測量精度,上述電路的外圍元器件的選擇也是一個(gè)不容忽視的重要環(huán)節(jié)。一般情況下,電位器RP1、RP2應(yīng)選用1%精度的金屬膜多圈電位器;電阻應(yīng)選用1%精度的金屬膜電阻器;電容一般選用聚脂薄膜或者云母電容。結(jié)束語

在使用壓力傳感器BP01和其它器件設(shè)計(jì)便攜式電子血壓計(jì)時(shí),應(yīng)注意的是：對于不同的偏置電壓,其輸出也不同,因而前置處理電路的增益應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整,以滿足滿量程的不同要求。

第五篇：機(jī)器人傳感器論文

機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)論文

學(xué)校: 班級： 學(xué)生：

機(jī)器人傳感器

摘要：

機(jī)器人的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人類大腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)相當(dāng)于人類四肢，傳感器相當(dāng)于人類的五官。因此，要讓機(jī)器人像人一樣接收和處理外界信息，機(jī)器人傳感器技術(shù)是機(jī)器人智能化的重要體現(xiàn)。Abstract：

Robot control system is equivalent to the human brain, actuators equivalent to human limbs, sensor is equivalent to the human facial features.Therefore, to make robots like people receive and process information from outside, robot sensor technology is the important embodiment of intelligent robots.關(guān)鍵詞：機(jī)器人 傳感器 內(nèi)部 外部

正文：

傳感器是機(jī)器人完成感覺的必要手段，通過傳感器的感覺作用，將機(jī)器人自身的相關(guān)特性或相關(guān)物體的特性轉(zhuǎn)化為機(jī)器人執(zhí)行某項(xiàng)功能時(shí)所需要的信息。根據(jù)傳感器在機(jī)器人上應(yīng)用的目的和使用范圍不同，可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。

內(nèi)部傳感器用于檢測機(jī)器人自身狀態(tài)（如手臂間角度、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)工程中的位置、速度和加速度等）；外部傳感器用于檢測機(jī)器人所處的外部環(huán)境和對象狀況等，如抓取對象的形狀、空間位置、有沒有障礙、物體是否滑落等。

機(jī)器人用內(nèi)、外傳感器分類

傳感器 位置 速度 加速度 檢測內(nèi)容 位置、角度 速度 加速度 接觸 把握力 荷重

觸覺 分布壓力 多元力 力矩 滑動(dòng) 接近

接近覺 間隔 傾斜平面位置

視覺 距離 形狀 缺陷

聽覺 嗅覺 味覺 聲音 超聲波 氣體成分 味道

檢測器件

電位器、直線感應(yīng)同步器 角度式電位器、光電編碼器 測速發(fā)電機(jī)、增量式碼盤 壓電式加速度傳感器 壓阻式加速度傳感器 限制開關(guān)

應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體感壓元件 彈簧變位測量器

導(dǎo)電橡膠、感壓高分子材料 應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體感壓元件 壓阻元件、馬達(dá)電流計(jì) 光學(xué)旋轉(zhuǎn)檢測器、光纖

應(yīng)用

位置移動(dòng)檢測 角度變化檢測 速度檢測 加速度檢測 動(dòng)作順序控制 把握力控制

張力控制、指壓控制 姿勢、形狀判別 裝配力控制 協(xié)調(diào)控制 滑動(dòng)判定、力控制

光電開關(guān)、LED、紅外、激光 動(dòng)作順序控制 光電晶體管、光電二極管 電磁線圈、超聲波傳感器 攝像機(jī)、位置傳感器 測距儀 線圖像傳感器 畫圖像傳感器 麥克風(fēng) 超聲波傳感器

氣體傳感器、射線傳感器 離子敏感器、PH計(jì)

障礙物躲避

軌跡移動(dòng)控制、探索 位置決定、控制 移動(dòng)控制 物體識別、判別 檢查，異常檢測 語言控制（人機(jī)接口）導(dǎo)航 化學(xué)成分探測

機(jī)器人傳感器的要求和選擇

機(jī)器人傳感器的選擇取決于機(jī)器人工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)，對機(jī)器人感覺系統(tǒng)的要求時(shí)選擇傳感器的基本依據(jù)。機(jī)器人傳感器的選擇的一般要求：

? 精度高、重復(fù)性好； ? 穩(wěn)定性和可靠性好； ? 抗干擾能力強(qiáng)；

? 重量輕、體積小、安裝方便。

內(nèi)部傳感器

位移傳感器

按照位移的特征，可分為線位移和角位移。

線位移是指機(jī)構(gòu)沿著某一條直線運(yùn)動(dòng)的距離，角位移是指機(jī)構(gòu)沿某一定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。（1）電位器式位移傳感器

電位器式位移傳感器由一個(gè)線繞電阻（或薄膜電阻）和一個(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)組成。其中滑動(dòng)觸點(diǎn)通過機(jī)械裝置受被檢測量的控制。當(dāng)被檢測的位置量發(fā)生變化時(shí)，滑動(dòng)觸點(diǎn)也發(fā)生位移，從而改變了滑動(dòng)觸點(diǎn)與電位器各端之間的電阻值和輸出電壓值，根據(jù)這種輸出電壓值的變化，可以檢測出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。（2）直線型感應(yīng)同步器

直線感應(yīng)同步器的組成是由定尺和滑尺組成。定尺和滑尺間保證與一定的間隙，一般為0.25mm左右。在定尺上用銅箔制成單項(xiàng)均勻分布的平面連續(xù)繞組，滑尺上用銅箔制成平面分段繞組。繞組和基板之間有一厚度為0.1mm的絕緣層，在繞組的外面也有一層絕緣層，為了防止靜電感應(yīng)，在滑尺的外邊還粘貼一層鋁箔。定尺固定在設(shè)備上不動(dòng)，滑尺則可以再定尺表面來回移動(dòng)。（3）圓形感應(yīng)同步器

圓形感應(yīng)同步器主要用于測量角位移。它由釘子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在轉(zhuǎn)子上分布著連續(xù)繞組，繞組的導(dǎo)片是沿圓周的徑向分布的。在定子上分布著兩相扇形分段繞組。定子和轉(zhuǎn)子的截面構(gòu)造與直線型同步器是一樣的，為了防止靜電感應(yīng)，在轉(zhuǎn)子繞組的表面粘貼一層鋁箔 絕對速度傳感器

絕對速度傳感器，圖4-11為國產(chǎn)CD-1型絕對速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。途中磁鋼6借鋁架5固定在殼體4內(nèi)，并通過殼體形成磁回路。線圈2和阻尼環(huán)3安裝在芯桿2上，芯桿用彈簧1和8支承在殼體內(nèi)，構(gòu)成傳感器的活動(dòng)部分。當(dāng)傳感器的殼體與振動(dòng)物體一起振動(dòng)時(shí)，如振動(dòng)的頻率較高，由于芯桿組件的質(zhì)量很大，故產(chǎn)生的慣性力也大，可以阻止芯桿隨殼體一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)頻率高到一定程度時(shí)，可以認(rèn)為芯桿組件基本不動(dòng)，只是殼體隨被測物體振動(dòng)。這時(shí)，線圈以物體的振動(dòng)速度切割磁力線而在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。并且線圈輸出的電壓與線圈相對可替代運(yùn)動(dòng)速度成正比。當(dāng)振動(dòng)速度高到一定程度時(shí)，線圈與殼體的相對速度就是被測振動(dòng)物體的絕對速度。加速度傳感器

電動(dòng)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)它由軛鐵。永久磁鐵、線圈及支承彈簧所組成。由電磁感應(yīng)定律可知，穿過線圈的磁通量隨時(shí)間變化時(shí)，在線圈兩端將產(chǎn)生與磁通量中減少速率成正比的電壓U，可表示為：

U??d? dt如果線圈沿著與磁場垂直的方向運(yùn)動(dòng)，在線圈中便可產(chǎn)生與線圈速度成正比的感應(yīng)電壓，通過測量電路測得其電壓的大小，便可得出速度的大小。壓電式加速度傳感器

它也稱為壓電式加速度計(jì)，他是利用壓電效應(yīng)制成的一種加速度傳感器。常見的結(jié)構(gòu)形式有基于壓電元件厚度變形的壓縮式加速度傳感器、基于壓電元件剪切變形的剪切式和復(fù)合型加速度傳感器。

機(jī)器人外部傳感器

力或力矩傳感器

機(jī)器人在工作時(shí)，需要有合理的握力，握力太小或太大都不合適。力或力矩傳感器的種類很多，有電阻應(yīng)變片式、壓電式、電容式、電感式以及各種外力傳感器。力或力矩傳感器通過彈性敏感元件將被測力或力矩轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質(zhì)把位移量或變形量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。機(jī)器人常用的力傳感器分以下三類。i.裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)傳感器。它測量驅(qū)動(dòng)器本身的輸出力和力矩。用于控制中力的反饋。ii.裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最有一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。它直接測出作用在末端執(zhí)行器上的力和力矩。

裝在機(jī)器人手爪指（關(guān)節(jié)）上的力傳感器，稱為指力傳感器，它用來測量夾持物體時(shí)的受力情況。觸覺傳感器 人的觸覺包括接觸覺、壓覺、力覺、冷熱覺、滑動(dòng)覺、痛覺等。在機(jī)器人中，使用觸覺傳感器主要有三方面的作用： i.使操作動(dòng)作使用，如感知手指同對象物之間的作用力，便可判定動(dòng)作是否適當(dāng)，還可以用這種力作為反饋信號，通過調(diào)整，使給定的作業(yè)程序?qū)崿F(xiàn)靈活的動(dòng)作控制。這一作用是視覺無法代替的。ii.識別操作對象的屬性，如規(guī)格、質(zhì)量、硬度等，有時(shí)可以代替視覺進(jìn)行一定程度的形狀識別，在視覺無法使用的場合尤為重要。iii.用以躲避危險(xiǎn)、障礙物等以防事故，相當(dāng)于人的痛覺。

接近覺傳感器

接近覺是指機(jī)器人能感覺到距離幾毫米到十幾厘米遠(yuǎn)的對象物或障礙物，能檢測出物體的距離、相對傾角或?qū)ο笪锉砻娴男再|(zhì)。這就是非接觸式感覺?；X傳感器

機(jī)器人要抓住屬性未知的物體時(shí)，必須確定自己最適當(dāng)?shù)奈樟δ繕?biāo)值，因此需檢測出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)。利用這一信號，在不損壞物體的情況下，牢牢抓住物體。為此目地設(shè)計(jì)的滑動(dòng)檢測器，叫做滑覺傳感器。視覺傳感器

每個(gè)人都能體會到，眼睛對人來說多么重要。有研究表明，視覺獲得的信息占人對外界感知信息的80%。人類視覺細(xì)胞數(shù)量的數(shù)量級大約為106，時(shí)聽覺細(xì)胞的300多倍，時(shí)皮膚感覺細(xì)胞的100多倍。人工視覺系統(tǒng)可以分為圖像輸入（獲?。?、圖像處理、圖像理解、圖像存儲和圖像輸出幾個(gè)部分，實(shí)際系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇其中的若干部件。聽覺傳感器

智能機(jī)器人在為人類服務(wù)的時(shí)候，需要能聽懂主人的吩咐，需要給機(jī)器人安裝耳朵，首先分析人耳的構(gòu)造。

聲音是由不同頻率的機(jī)械振動(dòng)波組成，外界聲音使外耳鼓產(chǎn)生振動(dòng)，中耳將這種振動(dòng)放大、壓縮和限幅、并抑制噪聲。經(jīng)過處理的聲音傳送到中耳的聽小骨，再通過卵圓窗傳到內(nèi)耳耳蝸，由柯蒂氏器、神經(jīng)纖維進(jìn)入大腦。內(nèi)耳耳蝸充滿液體，其中有30000各長度不同的纖維組成的基底膜，它是一個(gè)共鳴器。長度不同的纖維能聽到不同頻率的聲音，因此內(nèi)耳相當(dāng)于一個(gè)聲音分析器。智能機(jī)器人的耳朵首先要具有接受聲音信號的器官，其次還需要語音識別系統(tǒng)。

在機(jī)器人中常用的聲音傳感器主要有動(dòng)圈式傳感器和光纖聲傳感器。味覺傳感器

味覺是指酸、咸、甜、苦、鮮等人類味覺器官的感覺。酸味是由氫離子引起的。比如鹽酸、氨基酸、檸檬酸；咸味主要是由NaCl引起的；甜味主要由蔗糖、葡萄糖等引起的，苦味是由奎寧、咖啡因等引起的；鮮味是由海藻中的谷氨酸鈉、魚和肉中的肌酐酸二鈉、蘑菇中的鳥苷酸二鈉等引起的。在人類的味覺系統(tǒng)中，舌頭表面味蕾上的味覺細(xì)胞的生物膜可以感受味覺。味覺物質(zhì)被轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)神經(jīng)纖維傳至大腦。味覺傳感器與傳統(tǒng)的、只檢測某種特殊的化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)傳感器不同。目前某些傳感器可以實(shí)現(xiàn)對味覺的敏感，如PH計(jì)可以用于酸度檢測、導(dǎo)電計(jì)可用于堿度檢測、比重計(jì)或屈光度計(jì)可用于甜度檢測等。但這些傳感器智能檢測味覺溶液的某些物理、化學(xué)特性，并不能模擬實(shí)際的生物味覺敏感功能，測量的物理值要受到非味覺物質(zhì)的影響。此外，這些物理特性還不能反應(yīng)各味覺之間的關(guān)系，如抑制效應(yīng)等。

實(shí)現(xiàn)味覺傳感器的一種有效方法是使用類似于生物系統(tǒng)的材料做傳感器的敏感膜，電子舌是用類脂膜作為味覺傳感器，能夠以類似人的味覺感受方式檢測味覺物質(zhì)。從不同的機(jī)理看，味覺傳感器大致分為多通道類脂膜技術(shù)、基于表面等離子體共振技術(shù)、表面光伏電壓技術(shù)等，味覺模式識別是由最初神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式發(fā)展到混沌識別?；煦缡且环N遵循一定非線性規(guī)律的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它對初始條件敏感，混沌識別具有很高的靈敏度，因此應(yīng)用越來越廣。目前較典型的電子舌系統(tǒng)有新型味覺傳感器芯片和SH—SAW味覺傳感器。

總結(jié)：

傳感器對于機(jī)器人有著至關(guān)重要的作用，通過對各種機(jī)器人傳感器的學(xué)習(xí)和了解，我對機(jī)器人各種傳感器有了一個(gè)新的認(rèn)識，使我獲益匪淺，為我以后這方面的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：（1）《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》，劉極峰

（2）《機(jī)器人傳感器及其應(yīng)用》，高國富，謝少榮（3）《傳感器及其應(yīng)用》，謝文和