传感器探头设计
解析电涡流传感器探头线圈的结构设计
解析电涡流传感器探头线圈的结构设计电涡流传感器是基于涡流互感效应，可实现被测对象内部缺陷与微量位移的高精度检测的传感设备，因具有非接触测量、频响宽、抗干扰能力强等显著优势，广泛应用于设备无损检测、在线状态监测等重要领域。
然而，伴随当今检测领域的不断拓展与检测要求的急剧提升，常规电涡流检测技术不适用于微小缺陷检测。
近几年依靠微机电系统（MEMS）和柔性制造工艺，可以制造出结构形式灵活多样的电涡流传感器探头，能够实现电涡流传感器探头的小型化、阵列化和柔性化，具有高灵敏度、高信噪比、响应快速等特点。
阵列探头已成为当前涡流检测技术研究的一个难点和热点。
在涡流检测中，阵列探头的性能决定涡流检测结果，阵列探头的电参数直接影响涡流检测的线性度和灵敏度等参数。
传统涡流传感器探头，多采用绕线法制作，有着丰富的经验公式。
为实现更高的检测精度，缩小阵列探头线圈单元尺寸，常使用平面螺旋线圈。
但是平面线圈电感较低，只有在较高的工作频率才能达到理想的品质因数Q值，为了获得更好的性能，采用双层平面螺旋线圈互联结构，但是此结构缺少电参数经验计算公式。
本文采用解析法，对双层平面螺旋线圈的电感、电阻、品质因数等电参数进行计算，有效缩短了数值计算时间，可以提高电涡流传感器探头设计的效率，对于电涡流传感器探头线圈结构的设计具有重要的指导意义。
光电传感器设计
3光电传感器设计3.1太阳位置光电传感器总体设计3.1.1传感器介绍国标GB7665-87中定义的传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器是一种检测装置或器件，能够感受到被测量的信息，并能将其按一定规律变换成为电信号或者其他所需形式的信号进行输出，以能满足信息的传输、处理、存储、记录和控制等要求。
传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器的种类很多，分类形式也不一样，通常按照外界信息及变换效应将传感器分为三大类：物理传感器、化学传感器、生物传感器。
物理传感器是基于力、热、光、电、磁和声等物理效应，化学传感器是基于化学反应的原理，生物传感器是基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
其核心元件基本可以分为热敏元件、光敏元件、力敏元件、气敏元件、磁敏元件、声敏元件、湿敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
3.1.2光敏元件选择光传感器是最常见的传感器之一，是以光电器件作为转换元件的传感器，可以直接检测光量的变化，也可以用来检测引起光量变化的其它非电量如零件直径、应变、位移、速度等。
光传感器可以检测光的变化，作为探测元件组成其他传感器又可以对许多非电量进行检测，只需要将这些非电量变化转换为光信号的变化即可。
光传感器的特点有非接触、响应快、性能可靠等。
目前光传感器是使用最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和检测技术中占有非常重要的地位。
光传感器经常利用的效应是半导体的光导效应、光生伏特效应或者光电效应。
光导效应的代表是光敏电阻，其电阻值受光照情况不同发生变化。
光生伏特效应光照射下半导体的P-N结处产生电压或电流，这类元件有光敏二极管、光敏三极管等。
光电效应指的是光照射情况下物质内电子获得能量进而飞离物质产生电流，这类元件有光电管、光电倍增管等。
光敏电阻又称为光导管，是由半导体材料制成。
常见的是硫化镉材料制成，也有硫化铝、硫化铅、硒化镉等材料制成的。
基于多参数的煤矿井下避难硐室传感器设计
基于多参数的煤矿井下避难硐室传感器设计莫志刚;李军;梁光清;张远征【摘要】针对煤矿井下避难硐室应配备独立的内外环境参数检测或监测仪器,而采用单一参数检测传感器存在布线复杂的问题,开发了一种可同时监测多种环境参数的煤矿井下避难硐室用多参数传感器.该传感器采用RS-485通信方式,可直接与监控系统分站或交换机通信,能够有效减少现场施工、布线的人力、物力成本,实现对避难硐室环境中甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气、温度、湿度、差压共7种参数的连续检测;可设定各参数超限报警值,具备声光报警功能,适用于需要检测环境工况的场所,如矿井、消防、有限空间等.传感器各敏感元件均采用集成化、模块化、数字化的创新性设计方案,在降低产品功耗的同时,有效提高了弱电信号抗干扰能力.此外,该传感器具备元件故障自诊断功能,保证了产品工作稳定性和可靠性.该设计为煤矿领域多参数传感器的研究与开发提供了参考.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2018(039)003【总页数】3页(P67-69)【关键词】煤矿;多参数;本安型;传感器;环境参数检测;RS-485【作者】莫志刚;李军;梁光清;张远征【作者单位】中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039;瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037;中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039;瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037;中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039;中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039【正文语种】中文【中图分类】TH702;TP2120 引言近年来，国家对煤矿井下避难场所(如井下移动式救生舱、避难硐室)越来越重视。
在狭小空间及配电条件有限的情况下，实时监测各环境参数对煤矿的安全生产与保障矿工的生命安全尤为重要。
国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局下发了《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》：“作为紧急避险设施的避难硐室应具备环境监测、通信等基本功能，在无任何外界支持的情况下，额定防护时间不低于96 h。
多探头热式气体流量传感器的设计与仿真
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｓｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｕ ｔ— ｒ ｂ ｈ ｒ ａ ａ ｌ ｗ ｅ ｓ ｒ ｓｇ ｎ ｉ ｌ ｔｏ ｆｍ ｌｉｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｍ ｌｇ ｓ ｆｏ ｓ ｎ ｏ
组合铂 膜探 头是在 同一 陶瓷基片上集成 ２只铂膜 电阻 器 Ｒ 和 Ｒ ， 作 为加热 电阻器使用 ， 探头温度高 于被 Ｒ 使 测介质温度 ， 用来 补偿介 质 的温度 变化 Ｆ ， ３ 其结 构如 图 １ １
０ 引 言
探 头热式 流量传感器结构 的测量精度明显高于单传感器结
构， 从而为多传感器热式气 体流量仪 表的研制 提供很好 的 参考依据 。
１ 组 合 热 膜 探 头 测 量 气 体流 量原 理
热式气体流量传感器是用来测量气体质量流量的一种 新型气体流量传感 器。与传统 的涡轮 流量传感器 、 旋进 旋
ｓｍｕａ ｉｎ ｄ ｔｓｆｏ ｔ ｅ ｍｅ ｓ ｅ ｅ ｏ ｎ ｓｗｈｅｅ ｔｅ ｐｒｂｅ ｅ ｒ ｒ ｃ ｓ ｄ ｗｉｈ ｔ ｅ ｍｅｈｏ ｆｍｕ ｔ－ｅ ｓ ｒ ｉ ｌｔｏ ａａ ｒ ｍ ｈ ａ ｕｒｍ ｎｔｐ ｉ ｔ ｒ ｈ ｏ ｓ ｓ ｔａ ｅ ｐ ｏ ｅｓｅ ｔ ｈ ｔ ｄ ｏ ｌｉｓ ｎ ｏ
Ａｂ ｔａ ｔ Ａ ｍｕ ｔ ｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｍａ ａ ｏ ｅ ｓ ｒ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ａ ｅ ｎ ａ ｓ ｍｂｅ ｌ ｔ ｕ ｆ ｍ ｒ ｂ ． ｅ ｆ ｗ ｓ ｒ ｃ ： ｌ － ｒ ｂ ｈ ｒ ｌｇ ｓ ｆ ｗ ｓ ｎ ｏ ｓ ｅ ｉ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｓ ｅ ｌｄ ｐ ａｉ ｍ－ｉ ｐ ｏ ｅ Ｔｈ ｏ ｉ ｌ ｎ ｎ ｌ ｌ ｉ ｄ ｏ ｈ ｅ ｓ ｒ ｉ ｈ ｉｅ ｗ ｓ ｓｍｕ ａｅ ｙ Ｆ ＵＥ Ｔ ｓ ｆ ｒ ｔ ｉ ｅ ｅ ｔ ｆ ｗ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｅ ｇｈ Ｔ ｅ ｆ ｌ ｆ ｔｅ ｓ ｎ ｏ ｎ ｔ ｅ ｐ ｐ ａ ｉ ｌｔ ｄ ｂ Ｌ Ｎ ｏ ｔ ａ ｅ ａ ｄ ｆ ｒ ｎ ｏ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｌ ｎ ｔ ． ｈ ｅ ｗ ｆ ｌ
传感器设计实验实验报告-脉搏
热电阻
工作原理： 几乎所有物质的电阻率都随其本身温度变化而变化， 这一物理现象称为热电 阻效应。 温度升高， 金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过
2
传感器设计实验
金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正 温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。 而热电阻就是利用了热电阻效应做成的温度传感器。 性能测试：
蛋白所占百分数。血氧探头就是应用 Lambert-Beer 定律制作成的。 图 3.6 为血氧探头的发光驱动电路，当 U red 为高电平时，U ired 为低电平，红 光发光二极管亮；当 U ired 高电平时， U red 为低电平，红外发光二极管亮。 血氧传感探头是将光信号通过硅光管转化为电流信号。但是，电流信号处理 起来不方便，所以需要将电流信号转换为电压信号，然后对电压信号进行处理。 可以采用反相放大电路来完成电流电压转换。电路如图 3.7 所示：[2]
（数据见附表） 采集数据时，采集了 3 组数据，就是为了减少随机误差，所以数据处理的时 候我把三组数据取了均值，做出了如上的折线图。 普通 Excel 折线图就能清楚的看出来，热电阻产生的电流值随温度是线性变 化的，变化率大概在 0.38mA/摄氏度。
热电偶
工作原理： 热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换 成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。 热电偶测温基本原理:将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来，构 成一个闭合回路。当导体 A 和 B 的两个执着点 1 和 2 之间存在温差时，两者之
检验方法
容积脉搏血流是指存在于外周血管中的微动脉、 毛细血管和微静脉内流过的 血液。 该部分微血管的血液在心脏搏动下呈脉动性变化。当心脏收缩时血液容积 增大，而在心脏舒张时容积最小，它可以动态的反映脉搏的波动。如果把这样的 信号用电子产品测量出来可以为医生的诊断提供方便， 也可以为病人的自检提供
基于光纤传感技术的温度传感器设计与制作
基于光纤传感技术的温度传感器设计与制作随着科技的发展，光纤传感技术在各行各业中被广泛应用。
光纤传感技术的优势在于对环境的侵扰小、可靠性高，同时具有灵敏度高、线性好等特点，可以实现对各种参数的高精度测量。
其中之一的应用就是温度传感技术。
基于光纤传感技术的温度传感器不仅可以实现高精度测量，还具有抗干扰能力强等优势，成为工业领域中常用的一种传感技术。
一、基本原理及光纤温度传感技术的特点基于光纤传感技术的温度传感器原理是利用光纤的光学特性，将传感器与被测物体相连，当被测温度发生变化时，通过光纤的传输，产生不同的光学信号，通过分析这些信号的变化，即可得到被测物体的温度值。
与传统温度测量技术相比，基于光纤传感技术的温度传感器具有以下特点：1. 高精度：光纤传感技术可以实现高精度的温度测量，达到0.1℃的测量精度。
2. 可靠性高：光纤传感器不易受到电磁波等外部干扰，具有较高的抗干扰能力，并且可以在高温和高压的环境下正常工作。
3. 多路传感：光纤传感技术可以实现多路温度传感，一个系统中可以同时测量不同位置的温度。
4. 线性优良：基于光纤传感技术的温度传感器具有线性好的特点，可以实现稳定的测量结果。
5. 远程监控：基于光纤传感技术的温度传感器可以实现远程监控，可以将多个传感器的数据通过网络传输到控制中心，方便管理和处理。
二、基于光纤传感技术的温度传感器设计方案1. 光纤传感层设计传感层是光纤传感器的关键结构，主要包括光纤、保护层、镀金层和高温隔离层。
在选用光纤时，需要选择具有高纯度、高抗拉强度、低吸水率的光纤。
保护层主要是为了保护光纤免受外部损伤，一般采用耐腐蚀性能较好的镀铝层或氧化锌保护膜。
高温隔离层主要用于隔离光纤传感层和被测物体之间的温度，同时也起到保护光纤不受高温侵袭的作用。
2. 光纤耦合器设计光纤耦合器主要用于将光纤传感层中的光信号转换成电信号，以方便后续的数据处理。
光纤耦合器包括探头、光耦合引线、探头基座和分光器。
双线圈结构电涡流位移传感器的设计
根据法拉第电磁感应定律 ， 当传感器线圈通以正
收稿日期 ： ０ １ ３ ２ １ ２ １ ５． － －
＊
） ； ） 基金项目 ： 广西教育厅重点项目 （ 教育部科技重点项目 （ １ １ １ ３ ７ ０ １ ２ ０ ２ Ｚ Ｄ ０ ３ ３ ． ２ ， 作者简介 ： 蒋勇 （ 广 西 重 工 集 团 有 限 责 任 公 司 助 理 工 程 师， 研 究 方 向： 机 械 设 计 及 制 造； 蓝奇 男， 广 西 桂 林 人， １ ９ ７ ９ －） （ ， 女， 广西上林人 ， 广西民族大学讲师 ， 研究方向 ： 无损检测 、 摩擦密封材料 ． １ ９ ７ ８ －）
图 ８ 放大电路图
Ｆ ｉ ． ８Ａｍ ｌ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｇ ｐ
号， 其引出线接到差动 放 大 器 的 输 入 端 ， 将信号进行 放大 ． 通过计算机 Ｍ ｌ ａ ｂ软件计算得出传感器线圈 ａ ｔ 的最优结构参数 ： 激励线圈和检测线圈内径 、 外径 、 厚 度 分别为２ ３ ５ｍｍ、 ０ ． ７ｍｍ 和３ ５ｍｍ、 ４ ２ｍｍ、 ８ｍｍ、 线圈均为线径为 ０ ２ ． １ｍｍ． ． ７ｍｍ 的漆包铜线 ．
关键词 ：电涡流 ； 双线圈 ； 测量电路 位移传感器 ； 中图分类号 ： ２ 文献标识码 ：Ａ Ｔ Ｐ ２ １ （ ） 文章编号 ： ４ ６ ２ ２ ０ １ ４ ０ １－０ １ ０ １－０ ４ １ ６ ７ ３－８
FBG可变灵敏度压力传感器设计
FBG可变灵敏度压力传感器设计李凯;赵振刚;李英娜;蔡陈;彭庆军;李川【摘要】为了实现对压力的多灵敏度状态下监测，设计了一种利用光纤Bragg光栅（ FBG）的可变灵敏度压力传感探头。
将裸光栅固定在薄膜片中心与下部外壳之间，传感器探头表面的压力通过薄膜片传递给裸光栅，并可通过灵敏度变换阀改变膜片大小从而改变传感器的灵敏度。
对薄膜片进行有限元仿真优化计算，得到其变形特性。
薄膜片厚1 mm，工作半径分别调节为10，9，8 cm状态下，最大变形出现在膜片中心区域，在0.1 MPa的表面压力作用下，膜片中心处变形分别为3.875，2.561，1.579 mm，裸光栅固定后，对应的灵敏度分别为：38.44，25.62，15.79 mm/ MPa，实现灵敏度变换。
%In order to achieve pressure surveillance in multi-sensitivity state,a kind of variable sensitivity pressure sensing probe is designed using fiber Bragg grating( FBG). Bare grating is fixed between center of thin film sheet and the lower housing. Pressure from surface of sensor probe is transmitted through film sheet to bare grating,and the size of the film sheet is changed by sensitivity switching valve so as to change sensitivity of sensor. Finite element simulation optimization calculation on film sheet is carried out,results in its deformation characteristics. Thickness of the film sheet is 1mm,and working radius is adjusted to 10 cm,9 cm and 8 cm,the maximum deformation occurs at the center of the film sheet under the 0. 1 MPa surface pressure,and the deformation at the center of the film sheet is 3. 875 mm,2. 561 mm and 1. 579 mm. After the bare grating is fixed,corresponding sensitivities are 38. 44 mm/MPa,25. 62 mm/Mpa and 15. 79 mm / MPa,so sensitivity transformation is achieved.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2016(035)006【总页数】3页(P69-71)【关键词】压力;有限元;光纤Bragg光栅;薄膜片;可变灵敏度【作者】李凯;赵振刚;李英娜;蔡陈;彭庆军;李川【作者单位】昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500; 云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明650217;昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500;云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明650217;昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500【正文语种】中文【中图分类】TH741由于光纤Bragg光栅（FBG）压力传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、易于分布式监测且实现不带电监测等优点，广泛应用于石油化工及电力行业，实现非电监测［1，2］。
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电容传感器探头设计
1.选材与加工
温度变化会使电容传感器各部分的几何尺寸和介电常数发生变化，而湿度也会影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值，因此必须进行正确的选材以及采用精细的加工工艺，以减小环境温度,湿度等变化产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能。
一般的,电容传感器的金属电极选用温度系数低的铁镍合金或陶瓷等材料，也可在陶瓷或石英等非金属材料上喷镀金或银，传感器内电极应加以密封，以防尘防，传感器电极的支架应具有一定的机械强度和稳定性能，并要有较高的绝缘电阻，如石英、云母及陶瓷等。
另外，传感器的电介质宜采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质。
2.消除减小边缘效应
边缘效应会影响电容传感器的灵敏度和线性度，必须尽量消除或减小，为了减小边缘效应，可以通过减小极间距来实现，使传感器的极板直径远大于极板间距，但这种方法容易产生击穿，而且会限制测量范围"目一前常用的消除边缘效应的方法是使用等位环技术。
并且在测量过程中应尽量避免极板间的振动，以保证测量结果的正确性。
3.探头设计
在设计电容传感器探头时，首先需要考虑探头极板的形状，根据对平板电容电场边缘效应的研究，对四种面积相等而形状不同的平板电容缘效应进行比较，其从大到小的顺序为：正三角形、正方形、正六边形、圆形。
因此可知圆形电极的极板边缘效应最小，故在本设计中使用圆形的探头结构。
等位环
图1容传感器探头平面结构图
图1为本设计的电容传感器探头平面结构图，探头表面由一个圆形测量极板和两个同心金属圆环组成。
两个同心圆环分别为等位保护环和地屏蔽环，三部分通过绝缘层相隔。
等位保护环利用了等位技术，使其与中心测量极板等电位，转移了边缘效应，保证了测量极板内的电势分布均匀。
地屏蔽环利用了法拉第屏蔽原理，即如果导体笼内部存在电荷时，将导体接地，与地球相连接，成为一个大导体，则导体笼的表面所感应的电荷几乎不受内部电荷的影响，从而隔绝了内外电场之间的影响，避免外界的电磁干扰。
电容传感器的机械尺寸决定了薄膜测厚仪的分辨率及抗干扰特性。
因此，在进行机械设计时，首先要选定传感器的基本参数：
1、传感器测量极板的半径
电容传感器测量极板的面积不宜过大或过小。
当极板面积过大时，虽然增加了电容传感器的电容量，降低了对测量电路的要求，但这会造成测量区域内薄膜厚度的平均化，从而降低测量灵敏度，当测量薄膜局部不均匀时，就会因电容传感器的相对变化量较小而难以检测。
而极板面积过小，会增加检测电路的设计难度。
考虑到实际应用要求，本方案设计的测量极板半径为R=2.5cm 。
由于系统所需测量的薄膜厚度最大值为1mm ，故选取电容传感器的极板间距d=1.5mm 。
当传感器探头内无薄膜时，可以根据上述参数计算出电容传感器的最小电容值C min
为
pF d R C 59.112
0min ≈=επε
2、等位保护环的宽度
理论上，等位环的外径越大越好，因为其宽度越大，边缘效应对有效测量范围内的电场影响越小；内径与电容测量极板的边缘越接近越好，因为其距离越近，越接近于理想模型。
但在实际应用时，限于传感器的尺寸，等位环的外径不可能无限大，同时为保证与测量极板间良好的绝缘性，内径也不可能过于接近测量极板。
参考国内外传感器探头的设计参数，等位环的宽度应大于极板间距d 的5倍以上。
即在设计中应选取的等位环宽度大约为 8mm ，等位环外径为 70mm 。
工作原理
薄膜厚度检测工作原理为：根据电容传感器两极板间插入的薄膜厚度不同，会引起极板间介质的介电常数发生变化，使得传感器的电容量随之改变。
通过对电容量的检测，当被测薄膜厚度发生变化时，电容传感器的电容量就会发生变化，通过MXT9030电容-电压转换电路,将信号转换为直流电压信号，送入单片机进行A/D 转换，单片机对采集到的数据进行处理，MCU 将运算结果处理后发送至红色LED 数码管显示，最后得出与传感器变化相符的薄膜厚度值。
电容传感器探头和下级板的理想等效模型为平板电容器。
设电容器极板的有效面积为S ，极板间距为H ，薄膜厚度为d ，被测薄膜位于两电容极板之间，若薄膜距上极板的距离为x ，则薄膜到下级板的距离为H − d – x ，如图2所示
图2电容传感器探头示意图
根据电容公式，电容传感器的初始电容为
H S C εε00=
放入薄膜后，电容量为
r d d
H S
C εεεε00+-=
所以可以推出薄膜厚度为
εεεεεε000--=r H C S d
其中S ，H ，0ε均为常数，ε为空气相对介质常数，若薄膜固定，r ε也为常数。
通过MXT9030，C/V 转换器的输出电压为
()()
COMP VSS REF REF VDD m C C C V V C V V C V -+-⋅--⋅=2121
其中，
pF C C C DEN NOM COMP 22⋅=
如果0=VSS V ,2/VDD REF V V =,那么
REF COMP m V C C C C C V ⋅-+-=2121
增益级的失调由寄存器ROFF 来调节控制
[]()()()
[]732270.419761391+⋅Ω-⋅--⋅+Ω=k R V V V V k R V OFF VSS REF REF VDD OFF OFF
将传感器电容值和微控制器配置参数代入以上公式，即可求出电路的最终输出。
当薄膜的厚度发生变化时，电容值随之改变，通过传感器测量电路可以得到与厚度相关的电压值，由主控单片机进行处理后就可以得到当前的薄膜厚度。
由于这只是个方案，具体过程还未实施不能准确的说出能测得的薄膜信息，薄膜厚度的测量范围需要我们将以上都实施的情况下进行标定。