传感器设计及制作
机械振动传感器的设计与制造
机械振动传感器的设计与制造一、引言机械振动传感器是一种用来检测和测量物体振动的装置。
它广泛应用于工程、科研和日常生活中，可用于故障诊断、结构健康监测、地震预警等方面。
本文将探讨机械振动传感器的设计与制造过程，并介绍一种常用的工作原理。
二、机械振动传感器的工作原理机械振动传感器主要采用压电效应或电磁感应原理来检测振动。
其中，压电式振动传感器是最常见的一种。
1. 压电式振动传感器压电式振动传感器利用压电材料的压电效应来转换振动信号为电信号。
压电材料可以是晶体、陶瓷或聚酯等材料。
当材料受到外力振动时，内部的准晶结构将发生微小的变形，导致材料表面产生电荷。
通过电极将这些电荷转化为电信号，实现对振动的检测。
2. 电磁感应式振动传感器电磁感应式振动传感器则利用电磁感应原理来检测振动。
传感器内部包含一个线圈以及与线圈相连的惯性质量。
当惯性质量振动时，线圈在磁场的作用下会产生感应电动势。
通过测量这个电动势的大小来确定振动的幅度。
三、机械振动传感器的设计机械振动传感器的设计过程中需要考虑以下几个关键因素：1. 振动范围不同的应用场景要求不同的振动范围。
例如，汽车发动机的振动较大，需要设计更高灵敏度的传感器；而一般工业机械的振动较小，则可以采用更低灵敏度的传感器。
设计时需要根据实际需求选择合适的灵敏度范围。
2. 频率响应机械振动传感器对不同频率的振动信号的响应能力也是设计考虑的重要因素。
不同应用场景对频率响应的要求各不相同，因此需要根据具体需要选择合适的传感器。
3. 尺寸和重量机械振动传感器通常需要安装在被测物体上，因此尺寸和重量的设计也是非常关键的。
传感器应该尽可能小巧轻便，便于安装和移动。
四、机械振动传感器的制造机械振动传感器的制造过程中需要经历以下几个步骤：1. 选择合适的材料传感器的材料选择直接影响到传感器的性能，包括灵敏度、频率响应等。
常用的材料有陶瓷、晶体、聚酯等。
根据具体需求选择合适的材料。
2. 制备传感器元件根据设计需求，将所选材料进行相应加工，制备出传感器所需的元件。
实验 利用传感器设计并制作简单的自动控制装置(可编辑ppt)
考点突破 栏目索引
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解析 本题考查替代法测电阻、绘图能力及电阻箱的读数等。 (1)滑动变阻器是限流式接法,S1闭合前,滑片应置于使滑动变阻器连入 电路的阻值最大的位置,即b端。 (2)由题给数据描完点后,观察这些点的分布规律,应画一条平滑曲线,让 尽可能多的点落在线上,不在线上的点要均匀分布在线的两侧。 (3)由R2-t图线知,当t=44.0 ℃时,RT=450 Ω。 (4)电阻箱的读数为(6×100+2×10+0×1+0×0.1)Ω=620.0 Ω,由R2-t图像知, 当R2=620.0 Ω时,t=33.0 ℃。
(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。
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(2)电路中应选用滑动变阻器
(填“R1”或“R2”)。
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(3)按照下列步骤调节此报警系统:
①电路接通前,需将电阻箱调到一固定的阻值,根据实验要求,这一阻值
为
Ω;滑动变阻器的滑片应置于
(填“a”或“b”)端
附近,不能置于另一端的原因是
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解析 (1)见答案。
(2)由R= UIc = 1011803 Ω=1 800 Ω可知,滑动变阻器应选R2。
(3)①电阻箱的电阻值应调为热敏电阻在60 ℃时的阻值,即650.0 Ω。滑 动变阻器的滑片应置于b端,使开关接通后回路中电流最小,以保护报警 器,即防止因过载而损坏报警器。 ②应将开关向c端闭合,然后对系统进行调节。
基础过关 栏目索引
次数待测量
1
2
3
4
5
6
温度/℃
电阻/Ω
②在如图所示的坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。
基于光纤技术的传感器设计与制作
基于光纤技术的传感器设计与制作随着传感技术的日益发展，基于光纤技术的传感器越来越受到人们的关注。
光纤传感器具有高灵敏度、高精度、无电磁干扰等优点，可以广泛应用于国防、航天、交通、环保、生物等领域。
因此，本文将介绍基于光纤技术的传感器的设计与制作。
一、光纤传感器的工作原理光纤传感器是通过测量光纤中的光学信号来实现对物理量的测量，其工作原理基于光纤的两个基本特性：光纤中光的传输和散射。
光纤中的光的传输是指光信号的传输过程，光信号进入光纤后，会在光纤中不断地反射和折射，并沿着光纤的轴线传播，直到到达光纤的另一端。
光纤中的散射是指光的弹性散射和非弹性散射。
其中弹性散射仅改变了光的方向，频率和相位等基本性质不变，非弹性散射则会改变这些基本性质。
这些散射现象都会引起光的衰减和光强的分布变化，因此可以用来测量物理参量。
二、基于光纤技术的传感器分类光纤传感器可以根据测量物理量的不同而分为各种类型，例如温度传感器、压力传感器、加速度传感器、位移传感器等。
其中，光纤光栅传感器和拉曼光纤传感器的应用最为广泛。
1.光纤光栅传感器光栅传感器是利用光学光栅上的“反射率分布”或“折射率分布”来实现对光的干涉和散射衍射的控制，从而测量物理参量的变化。
常见的光纤光栅传感器有布拉格光栅传感器和长周期光纤光栅传感器。
布拉格光栅传感器利用薄膜布拉格反射镜，通过控制反射率分布进行光的干涉，从而实现对物理参量的测量。
长周期光纤光栅传感器则利用周期性光纤中的衍射，通过调制光纤表面的折射率分布，从而实现对物理参量的测量。
2.拉曼光纤传感器拉曼光纤传感器是利用拉曼光谱原理，通过测量物质分子的振动和旋转引起的光谱特征来实现对物理参量的测量。
光纤传感器与样品接触，激发样品中的分子振动和旋转，产生拉曼散射光，再经过光谱仪分析和处理，最后测量物理参量的变化。
三、基于光纤技术的传感器的设计与制作基于光纤技术的传感器设计与制作需要考虑材料、光学参数、结构和制造工艺等因素。
传感器设计方案
传感器设计方案在当今科技飞速发展的时代，传感器作为获取信息的关键设备，在各个领域都发挥着至关重要的作用。
从工业生产到医疗健康，从智能家居到航空航天，传感器的应用无处不在。
一个好的传感器设计方案不仅能够提高测量的准确性和可靠性，还能满足不同场景下的特殊需求。
接下来，我们将详细探讨一种传感器的设计方案。
一、需求分析在设计传感器之前，首先要明确其应用场景和所需满足的性能指标。
例如，如果是用于工业环境中的温度测量，可能需要能够在高温、高湿度以及强电磁干扰的条件下稳定工作，测量精度要求在±05℃以内，响应时间不超过 1 秒。
又比如，在汽车的制动系统中，压力传感器需要能够承受强烈的振动和冲击，测量范围要覆盖较大的压力区间，并且具有快速的响应能力和高可靠性，以确保制动系统的安全运行。
二、传感器类型选择根据需求分析的结果，选择合适的传感器类型。
常见的传感器类型包括电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式、磁电式等。
电阻式传感器结构简单、成本低，但精度相对较低；电容式传感器灵敏度高、动态响应好，但容易受到干扰；电感式传感器适用于测量位移和振动等物理量，但存在非线性误差。
压电式传感器常用于测量动态力和加速度，具有响应快、精度高的优点；光电式传感器适用于非接触式测量，对被测物体无影响；磁电式传感器则在测量转速和磁场等方面表现出色。
在选择传感器类型时，需要综合考虑测量对象、测量范围、精度要求、工作环境等因素，以确保所选类型能够满足实际需求。
三、敏感元件设计敏感元件是传感器中直接感受被测量并将其转换为电信号的部分，其性能直接决定了传感器的质量。
以温度传感器为例，如果采用热电偶作为敏感元件，需要选择合适的热电偶材料（如铂铑合金、镍铬镍硅等），并根据测量温度范围确定热电偶的结构和尺寸。
在设计敏感元件时，要充分考虑材料的物理特性、热稳定性、化学稳定性等因素，以保证敏感元件在不同工作条件下都能准确地感知被测量。
四、信号调理电路设计传感器输出的电信号通常比较微弱，且可能存在噪声和干扰，需要通过信号调理电路进行放大、滤波、线性化等处理，以提高信号的质量。
sensor制作工艺
sensor制作工艺
传感器的制作工艺通常包括以下几个步骤：
1. 设计阶段：根据要测量的参数，设计传感器的结构、材料和电路。
需要考虑传感器的灵敏度、响应时间、工作温度范围等因素。
2. 材料选择：选择适合传感器制作的材料，如半导体材料、金属材料或陶瓷材料。
材料的选择取决于传感器的工作原理和目标应用。
3. 制备传感器元件：根据设计要求，制备传感器的元件。
对于半导体传感器，常用的制备方法包括沉积、光刻、蚀刻和离子注入等。
4. 元件组装：将制备好的传感器元件组装到适当的封装中，以保护传感器并提供连接电路的接口。
5. 测试和校准：对组装好的传感器进行测试和校准，以确保其满足设计要求。
测试可能包括测量灵敏度、响应时间、温度补偿等性能指标。
6. 生产和质量控制：进行传感器的批量生产，并进行质量控制，以确保每个传感器的性能稳定和一致性。
需要注意的是，不同类型的传感器制作工艺可能会有所不同。
对于压力传感器、温度传感器、光学传感器、气体传感器等不
同类型的传感器，制作工艺也会有所差异。
此外，一些先进的制作工艺，如微纳米加工技术和集成电路技术，可以用于制作更小、更精密的传感器。
温度传感器的设计制作
AD590 实物图
+
AD590 俯视图
-
CAN
二： 原理
特点：输出电流只随温度变化,准确度更高
一、测量AD590输出电流和温度的关系
IBtA 单位：µA
标准温度计
算传感器灵敏度及时传感器输出电流值。
按图1接线（AD590的正负极不能接错），取样电阻R的阻值为1000Ω。 把实验数据用最小二乘法进行拟合，求斜率B截距A和相关系数г。实 验时应注意AD590温度传感器为二端铜线引出，为防止极间短路，两 铜线不可直接放在水中，应用一端封闭的薄玻璃管套保护，其中注入 少量变压油，使之有良好热传递。（实验中如何保证AD590集成温度 传感器与水银温度计处在同一温度位置）
3. 测量集成温度传感器AD590在某恒定温度时的伏安 特性曲线，求出AD590线性使用范围的最小电压U。
二： 原理
AD590特性
AD590温度传感器工作电压 范围宽 (4V~30V),使用温度范围大(-55℃~150℃),其 灵敏度为1μA/K,电流输出线性极好(在使用温 度范围内非线性误差可小于±0.5℃).
四：实验内容
❖3 测量集成温度传感器AD590在某恒定
温度时的伏安特性曲线。
令图2中电源电压发生变化，如从8V变为10V，观测 一下，AD590传感器输出电流有无变化？分析其原 因。
五、实验数据
❖ 1 测量AD590传感器输出电流I和温度θ之间的 关系。求I-θ关系的经验公式。
表1 AD590传感器温度特性测量
实验简介 实验目的 实验原理
实验内容 仪器及调整 实验数据
光电传感器设计与制作 历史观
光电传感器设计与制作历史观光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的器件，在现代科技中得到了广泛的应用。
本文将从光电传感器的历史发展、设计原理、制作流程以及未来发展趋势等方面进行探讨，以期能够深入了解光电传感器的重要性和应用前景。
一、光电传感器的历史发展光电传感器的起源可以追溯到19世纪初期。
1820年，奥斯特（Oersted）在进行电流实验时，发现当电流通过导线时，周围会产生磁场。
这个发现引起了后来一系列磁学研究的开展。
1864年，麦克斯韦（Maxwell）在其发表的一篇论文中提出了电磁波理论，为光电传感器的发展奠定了理论基础。
20世纪初期，人们开始意识到光与电存在着密切的关系。
1905年，爱因斯坦（Einstein）提出了光电效应的理论，即一些金属表面受到光的照射时，会产生电子的释放，形成所谓的“光电流”。
1914年，富兰克林（Franklin）利用这个效应制造出了第一个光电器件，即金属光阴极。
这个器件具有很好的光电转换性能，为光电传感器的研究提供了条件。
20世纪中期，光电传感器开始逐步发展成为一个完整的系统，其中包括发光二极管（LED）、光电二极管（OPD）、光电晶体管（OPT）、光伏电池（PV）等组成的光电器件。
这些器件能够感知、接收、转换、放大、处理和输出光信号，为光电传感器的应用提供了广泛的支持。
二、光电传感器的设计原理光电传感器的原理基于“光电转换效应”。
当光照射在光电器件的“光电极”上时，会引发器件内产生电子与空穴的激发，从而产生电流或电压信号。
由此可知，光电传感器的关键在于如何设计有效的“光电极”。
1. 发光二极管（LED）：LED是一种半导体发光器件，具备较高的发光效率和短响应时间，能够短时间内产生大量的光子。
在光电传感器中，LED常用作“光源”，能够将光信号发送到所需的光电器件上，与之相互作用。
2. 光电二极管（OPD）： OPD是一种半导体器件，主要是利用半导体材料的PN结，在光的作用下产生电子和空穴，从而产生电流或电压信号。
水质检测传感器的设计和制备
水质检测传感器的设计和制备一、概述水是生命之源，具有广泛的应用范围，如日常生活、农业灌溉、工业制造等。
但是，由于各种原因，水污染现象越来越普遍，其对人类健康、生态环境乃至经济发展造成很大的威胁。
因此，水质检测变得至关重要。
而水质检测传感器的设计和制备则是关键环节之一。
二、水质检测传感器的种类1. 光学传感器光学传感器利用水中污染物所产生的色彩或荧光等性质，通过光学检测来判断水质是否合格。
例如，利用荧光分析水中的化学氧化需求量（COD）、氨氮（NH3-N）等。
2. 电化学传感器电化学传感器是利用荧光分析和电化学分析来检测水中的物质。
例如，电化学传感器可用于检测水中的溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）、总有机碳（TOC）等。
3. 气体传感器利用气体传感器可以检测水中的气体成分，例如氧气、二氧化碳等。
在水质检测中，气体传感器也可以用于检测水中溶解氧（DO）的含量。
4. 离子选择性传感器离子选择性传感器是一种将离子的选择性识别和传感器技术相结合的传感器。
其工作原理是通过膜结构中的离子交换膜，在水中检测特定离子的浓度。
三、设计与制备1. 光学传感器光学传感器的核心部分是荧光试剂。
荧光试剂的选择应根据仪器的需要，确定测试的水质指标。
例如，需要检测水中COD浓度，可选用DAPI试剂。
光学传感器的结构由光源、荧光检测器、光线收集装置和信号放大器等组成，具体如图1所示。
图1 光学传感器的结构2. 电化学传感器电化学传感器的核心部分是电极。
电极的种类决定了其检测的水质指标。
例如，检测溶解氧可以选用氧气电极、检测总有机碳可以选用TOC电极。
电化学传感器的结构由电极、信号放大器及相关电路组成，具体如图2所示。
图2 电化学传感器的结构3. 气体传感器气体传感器的核心部分是传感器头。
传感器头的种类决定了其检测的气体种类。
例如，检测溶解氧可选用氧气传感器头。
气体传感器的结构由传感器头、信号放大器及相关电路组成，具体如图3所示。
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近红外光谱的常规分析方法
透射光谱法 反射光谱法
近红外光谱分析技术
定性分析 定量分析
近红外光谱分析仪器
按分光系统分类 固定波长滤光片型 光栅色散型 快速傅立叶变换型 声光可调滤光器 阵列检测型
近红外光谱技术的应用
食品
酒制品、饮料、调味品、乳制品、食用油、烘焙食品、肉类等 成分鉴别、产地鉴别、真伪鉴别
红外线传感器包括光学系统、检测元件和转 换电路。光学系统按结构不同可分为透射式 和反射式两类。检测元件按工作原理可分为 热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应 用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线 辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换 电路变成电信号输出。光电检测元件常用的 是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化 铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂 等材料制成。
半导体气敏传感器
图10-1 输出电压与温度关系
图中EH为加热电源，EC为测量电源，电阻中
气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，
输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出。
半导体气体传感器分类
电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷 气F而e体变203传化，感。Ti器气02，味等是分)制一子成种在的用薄阻金膜抗属表器氧面件化进，物行其薄还电膜原阻(反例随应如着以：气引S体n起含0传2，量感Z不n器同O， 传导率的变化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反 应。传感器内的加热器有助于氧化反应进程。它具有成本 低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿 度敏感低和电路简单等优点。
透射光谱法就是把待测样品置于作用光与检 测器之间，检测器所检测到的分析光是作用 光通过样品体与样品分子相互作用后的光， 若样品是透明的真溶液，则分析光在样品中 经过的路程一定，透射光的强度与样品组分 浓度由比耳定律决定。
反射光谱法
反射光谱析时，检测器与光源置于待测样 品的同一侧，检测器检测到的分析光是光源 发出的作用光投射到物体后，以各种方式反 射回来的光。物体对光的反射分为规则反射 光（镜面反射）与漫反射。规则反射光指在 物体表面按入射角等于反射角的反射定律发 生的反射。漫反射是光投向漫反射体（颗粒 或粉末）后，在物体表面或内部发生的方向 不定的反射。
非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管 式以及场效应管式(MOSFET)半导体气体传感器。其电流或 电压随着气体含量而变化，主要检测氢和硅烧气等可燃性 气体。其中，MOSFET气体传感器工作原理是挥发性有机化 合物(VOC)与催化金属(如钮)接触发生反应，反应产物扩散 到MOSFET的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能 的变化而识别VOC。通过改变催化金属的种类和膜厚可优 化灵敏度和选择性，并可改变工作温度。MOSFET气体传感 器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。
近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性 使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的， 记录的主要是含氢基团X-H（X=C、N、O） 振动的倍频和合频吸收。不同基团（如甲基、 亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化学环 境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别， NIR光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适 合用于碳氢有机物质的组成与性质的测量。
半导体气体传感器工作原理
半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导 体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产 生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的 电导率或伏安特性或表面电位变化。这些都是由 材料的半导体性质决定的。
自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问 世以来，半导体气体传感器已经成为当前应用最 普遍、最具有实用价值的一类气体传感器，根据 其气敏机制可以分为电阻式和非电阻式两种。
农牧
谷类作物、烟草、咖啡、水果、蔬菜、茶叶等 成分鉴别、成熟度、品质分级、品种鉴定、产地鉴别、真伪鉴别
石油炼制 原油、天然气、汽油等 成分鉴别、重整
近红外光谱分析技术的优缺点
优点：（1）快速，通常30秒内就可给出分析结果，可进行在线分析； （2）制样简单； （3）信息量大，可同时测定多组分； （4）经定标建模后，无须用其他常规化学分析手段，不使用有毒有机
近红外传感器检测原理
利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。 红外线又称红外光，它具有反射、折射、散 射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它 本身具有一定的温度（高于绝对零度），都 能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被 测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有 灵敏度高，响应快等优点。
近红外传感器检测原理
近红外传感器检测原理
红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分 析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工 程等领域得到广泛应用。
采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像 图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊 断治疗（见热像仪）；
利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监 视，可实现大范围的天气预报；
试剂，无污染； （5）非破坏性分析，可实现产品的无损质量检测； （6）可使用光纤，从而可实现远程分析检测。
缺点：（1）建立模型需要大量有代表性且化学值已知的样品； （2）模型需要不断的维护改进 ； （3）近红外测定精度与参比分析精度直接相关，在参比方法精度
不够的情况下，无法得到满意结果。
透射光谱法
定性分析
近红外光谱定性分析利用模式识别与聚类的 一些算法，主要用于鉴定。在模式识别运算 时需要有一组用于计算机“学习”的样品集， 通过计算机运算，得出学习样品在数学空间 的范围，对未知样品运算后，若也在此范围 内，则该样品属于学习样品集类型，反之则 否定。聚类运算时不需学习样品集，它通过 待分析样品的光谱特征，根据光谱近似程度 进行分类。
近红外光
近红外光（Near Infrared，NIR）是介 于可见光（VIS）和中红外光（MIR）之 间的电磁波，ASTM定义的近红外光谱区 的波长范围为780~2526nm，习惯上又 将近红外区分为近红外短波 （780~1100nm）和近红外长波 （1100~2526nm）两个区域。
近红外光谱分析原理