传感器应用实例作业2016(完)

《传感器应用实例》考试方式：考查院系：自动控制系专业：测控技术与仪器班级： 13030344 姓名：**学号： **********2016年6月 10 日一、查阅传感器（电阻式、电容式、磁电式、热电式、光电式，以及其他类型的新型传感器）应用的相关资料，选择一类传感器，综述这类传感器的应用实例，并分析1至2个应用实例（从传感原理、结构、被测量传感及测试实现过程）（不能将网上原文复制粘贴，需要阅读文献并理解，以自己的思路进行总结分析，控制在4至6页） 50分(一)电容式传感器1.基本工作原理[1]电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。

多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介质，如图1所示。

两个平行板组成的电容器的电容量为 A C d ε=图1平板电容ε-电容极板间介质的介电常数，0r εεε=；0ε-真空介电常数；r ε-介质材料的相对介电常数；A -两平行极板覆盖的面积；d -两平行极板之间的距离；C –电容量；当被测参数变化使得式中的A,ε或d 发生变化时, 电容量C 也随之变化。

如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。

因此, 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

改变平行极板间距d 的传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A 的传感器则适用于测量厘米数量级的位移，变介电常数式电容式传感器适用于液面、厚度的测量。

2.应用实例（一）——电容式转速传感器（1） 变面积式电容传感器工作原理[1]如图2所示是常见的变面积式电容传感器的结构示意图。

变面积式电容传感器可分为：线位移式电容传感器如图2（a ）、角位移式电容传感器如图2（b ）、圆柱式线位移电容传感器如图2（c ）（d ）。

测量范围比变间隙式大，可以测量较大范围的现位于和角位移。

图2 （c ）、（d ）中所示1、3为固定电容板，2为可动电容板。

而该应用实例的工作原理就是线位移式电容传感器的工作原理。

图2表面积式电容传感器结构示意图线位移式电容传感器的工作原理（如图3为线位移式电容传感器工作原理图）：图3线位移式电容传感器工作原理图极板起始覆盖面积为 A = a ³b ，沿活动极板长度方向移动Δa ，则改变了两极板间覆盖的面积，忽略边缘效应，改变后的电容量为'0()b a a b C C a d d εε-∆==-∆式中a ——极板的长度；b ——极板的宽度。

电容的变化量为'0b a C C C a C d aε∆∆=-=∆= 灵敏度为 01c C C K a a∆==∆ 灵敏度系数c K 为常数，可见减小极板长度a 可提高灵敏度，而极板的起始覆盖宽度b 与灵敏度系数c K 无关。

但b 不能太小，必须保证b ＞＞d ，否则边缘处不均匀电场的影响将增大。

（2）电容式转速传感器结构及测量原理电容式转速传感器是一种电参数型数字式转速传感器。

工作时，齿盘随被测轴转动，周期性的改变电容器电极板之间的相对面积，电容量发生周期变化，即传感器利用电容变换原理将被测轴机械转速变换成电容参数量，传感器输出的电容参数信号的频率与被测转速成正比。

图4电容式转速床干起结构原理图3.应用实例（二）——电容式加速度传感器在发动机上的应用（1）电容式加速度传感器工作原理[1]电容式加速度传感器的优点是频率响应范围大，量程范围大，仅受弹性系统设计限制。

其设计的一个困难是如何获得对温度不敏感的阻尼。

由于气体粘度的温度系数比液体要小得多，因此采用空气或其它气体作阻尼是合适的。

如图5所示是空气阻尼的电容加速度计。

图5电容式加速度计1.绝缘体；2.固定电极；3.振动质量（动电极）；4.弹簧片电容式加速度传感器的结构形式一般采用弹簧质量系统。

当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。

电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。

在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。

(2)电容式加速度传感器在发动机上的应用原理及构造[2]在发动机EOBD失火诊断模块中，需要借助垂直方向的加速度来判断目前车辆所处的路况。

如果所处路面的竖直方向加速度超过某一幅值，那么在一定概率下，发动机曲轴的转速波动会和失火时候的情况近似，这时候就需要暂时关掉失火诊断功能，以免发动机故障指示灯误报警。

加速度传感器在发动机失火诊断中的应用当车辆在极度不平的路面行驶时，车辆的振动可能会通过传动系传到发动机曲轴，造成曲轴转速信号的变化，引起误判失火。

目前，在国内外中高端车辆中，主要采用ABS的信号来判断坏路面。

而在低端车中（未安装ABS），加速度传感器由于具有判断灵敏等优点而被广泛地应用。

图6差动式电容加速度传感器结构原理图如图6所示为差动式电容加速度传感器结构原理图。

它有2个固定极板Y、Z（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块X，此质量块的2个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。

当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，而2个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。

此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。

（二）参考文献[1] 孟立凡，蓝金辉．传感器原理与应用（第三版）[M]．北京：电子工业出版社，2015：57-71．[2] 邓裕．电容式加速度传感器在发动机上的应用[J]．《汽车电器》，2009（5）：11-13．二、查阅物联网的相关资料，举例说明传感器在物联网领域的重要性及作用。

30分物联网的概念是在1999年提出的。

物联网的英文名称叫“The Internet of things”，顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。

这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。

严格而言，物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网的关键环节可以归纳为“感知、传输、处理”。

而传感器是感知环节的重要组成部分，传感器作为感知层信息获取的基础，处于物联网产业链上游，处在物联网金字塔的塔座，是整个物联网产业中需求量最大、最基础的环节。

目前只要谈到传感器，指的几乎都是以电为输出的传感器。

除电信号以外，人们在不断探索和利用新的信号媒介。

可以预料，当人类跨入光子时代，光信号能够更为快速、高效传输与处理时，一大批以光信号为输出的器件和装置将加入到传感器的家族里来。

传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官则可以看作是天然的传感器。

传感器广泛应用于各个学科领域:在基础学科和尖端技术的研究中；在工业自动化与国防领域；在生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器等与人们的生活密切相关的方面，传感器的应用层出不穷。

可以肯定地说，未来的社会将是充满传感器的世界。

人们既可以把它看作传统互联网的自然延伸，因为物联网的信息传输基础仍然是互联网；也可以把它看作是一种新型网络，因为其用户端延伸和扩展到了物品与物品之间，这与互联网那种“电脑相连的网络”大不一样。

相比互联网，物联网具有以下诸多特点：首先，终端的多样化。

以前的互联网主要是电脑互连的网络，当然现在能上网的设备越来越多了，除电脑之外，还有手机、PDA（掌上电脑）以及诸如机顶盒之类的东西，但在物联网这里，这些还不够。

人们坐在家里环顾四周，就会发现身边还有很多东西是游离于互联网之外的，像电冰箱、洗衣机、空调等。

人们开发物联网技术，就是希望借助它将我们身边的所有东西都连接起来，小到手表、钥匙以及刚才所说的各种家电，大到汽车、房屋、桥梁、道路，甚至那些有生命的东西（包括人和动植物）都连接进网络。

这种网络的规模和终端的多样性，显然要远大于现在的互联网。

其次，感知的自动化。

物联网在各种物体上植入微型感应芯片，这样，任何物品都可以变得“有感受、有知觉”。

例如，洗衣机可以通过物联网感应器“知晓”衣服对水温和洗涤方式的要求；人们出门时物联网会提示是否忘记带公文包；借助物联网，人们可以了解到自己的小孩一天中去过什么地方、接触过什么人、吃过什么东西等。

物联网的这些神奇能力是互联网所不具备的，它主要是依靠一种名为RFID（射频识别）的技术来实现的。

对许多人来说，RFID可能是一个陌生的词汇，但它并不神秘。

我们坐公交时所用的公交卡刷卡系统、高速公路上的不停车收费系统都采用了RFID技术。

在物联网中，RFID发挥着类似人类社会中语言的作用，借助这种特殊的语言，人和物体、物体和物体之间可以相互感知对方的存在、特点和变化，从而进行“对话”与“交流”。

物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、供水系统、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

毫无疑问，如果“物联网”时代来临，人们的日常生活将发生翻天覆地的变化。

然而，不谈什么隐私权和辐射问题，单把所有物品都植入识别芯片这一点现在看来还不太现实。

人们正走向“物联网”时代，但这个过程可能需要很长很长的时间。

在老师讲解传感器在物联网领域的应用这一内容里，使我印象最深的是智能家居这一部分，它让我们的生活更加方便快捷。

之后我在2015版《物联网及传感器产业发展白皮书》中了解到了一些传感器在智能家居中的应用：智能家居作为重要的物联网数据入口，硬件厂商和平台厂商正加速布局。

以谷歌Nest 平台应用为例，当传感器应用在自动调温器、门锁、灯具、电视/娱乐系统及安全系统中后，传感器将能识别出人为活动，可实现当我们快到家时自动开门、开灯，并根据我们的喜好对娱乐系统进行好设置。