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1、开封大学毕业设计（论文）开封大学毕业论文说明书论文题目 角度传感器应用 院 系机电学院专 业机电一体化技术学生姓名 冯东鹏 学 号 2008061184 起迄日期 2010 年 12月27日 2011年1月10日指导教师 祁和义 职称副教授 职称填写日期: 2010 年 12 月10 开封大学毕业设计（论文）摘 要对角度传感器进行了研究；分析了不同角度传感器的特性及应用特点。研究了磁敏角度传感器在拉线式位移传感器的设计与应用，倾角传感器的原理、特点。结果表明角度传感器具有无触点、高灵敏度、接近无限转动寿命、无噪声、高重复性、高频响应特性好等特点，且广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等
2、各个领域中。 关键词：角度传感器 磁敏角度 倾角传感器 传感器目 录摘 要1前言11 传感器的基础知识21.1传感器的定义21.2传感器的组成21.3传感器的应用31.4传感器的分类42 角度传感器52.1角度传感器的定义52.2 磁敏角度传感器定义及其原理52.2.1磁敏电阻角度传感器52.2.2基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器的设计与应用72.3 倾角传感器定义及其原理112.3.1基本原理112.3.2倾角传感器的分类122.4其它角度传感器132.4.1RFA4000系列132.4.2 CK系传感器14总结17参考文献17 1前言在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信
3、息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展十分重视,如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器) 之一。智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如,它在机器人领域中有着广阔应用前景,智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能,可感知各种现象,完成各种动作。在
4、工业生产中,利用传统的传感器无法对某些产品质量指标(例如,黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等)进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量(如温度、压力、流量等)。精密角度测量是几何量测量的一个重要项目，也是计量科学中发展较为完备的一个分支，在过去的20年中，角度测量的精度也提高了10倍多。角度测量技术分为静态测量和动态测量两种，某些静态测量技术仍然是动态测量的基础，一些动态测角技术可以实现静态测量。目前，很多重要的测控仪器，如陀螺转台、惯导平台、经纬仪、星体跟踪器、雷达、导弹发射架、空间望远镜、高精度数控机床、机器人等系统中一般都
5、需要角度传感器，用于测量被测物体相对于某基准方位的绝对转角或相对于自身在不同时刻的相对转角。1 传感器的基础知识1.1传感器的定义信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转
6、换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。1.2传感器的组成传感器由敏感元件和转换元件组成，如图1所示敏感元件 指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。转换元件 指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。信号调理与转换电路 对信号进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助电源图11.3传感器的应用人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感
7、觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上
8、要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 角度传感器常见的应用有： 1.自动门，利用人体的红外微波来开关门 2.烟雾报警器，利用烟敏电
9、阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的 3.手机，数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图象 4.电子称，利用力学传感器（导体应变片技术）来测量物体对应变片的压力，从而达到测量重量目的 5.水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等都是 智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如,它在机器人领域中有着广阔应用前景,智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能,可感知各种现象,完成各种动作。在工业生产中,利用传统的传感器无法对某些产品质量指标(例如,黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等)进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的
10、生产过程中的某些量(如温度、压力、流量等)。Cygnus公司生产了一种葡萄糖手表,其外观像普通手表一样,戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。葡萄糖手表上有一块涂着试剂的垫子,当垫子与皮肤接触时,葡萄糖分子就被吸附到垫子上,并与试剂发生电化学反应,产生电流。传感器测量该电流,经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度,并以数字量显示。 1.4传感器的分类传感器的种类很多，其分类方法如表1所示。表1 传感器的分类分 类 法型 式说 明按基本效应物理型、化学型、生物型分别以转换中的物理效应、化学效应等命名按构成原理结构型以转换原件结构参数变化实现信号的转换物性型以转换元件物理特性变化实现信号的转换按
11、输入量角度、位移、压力、温度、流量、加速度等以被测量（即按用途分类）按工作原理电阻式、热电式、光电式等以传感器转换信号的工作原理命名按能量关系能量转换型（自然型）传感器输出量直接由被测量能量转换而得能量转换型（外源型）传感器输出量能量由外源供给，但受被测输入量控制按输出信号形式模拟式输出为模拟信号数字式输出为数字信号 2 角度传感器2.1角度传感器的定义角度传感器是指能感受被测角度并转换成可用输出信号的传感器。 角度传感器，顾名思义，是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时
12、，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0，如果需要，你可以用编程把它重新复位。 通过计算旋转的角度可以很容易的测出位置和速度。当在机器人身上连接上轮子（或通过齿轮传动来移动机器人）时，可以依据旋转的角度和轮子圆周数来推断机器人移动的距离。然后就可以把距离转换成速度，你也可以用它除以所用时间。实际上，计算距离的基本方程式为： 距离=速度时间 由此可以得到：速度=距离/时间 2.2 磁敏角度传感器定义及其原理2.2.1磁敏电阻角度传感器磁敏感角度传感器采用高性能集成磁敏感元件，利用磁信号感应非接触的特点，配合微处理器进行智能化信号处理制成的新一代角度传
13、感器。特点：无触点 高灵敏度 接近无限转动寿命 无噪声 高重复性高频响应特性好 优点:1)磁钢位置未对准自动补偿； 2)故障检测功能；3)非接触位置检测功能，是满足苛刻环境应用需求的理想选择。应用领域: 1）工业机械、工程机械建筑设备、石化设备、医疗设备、航空航天仪器仪表、国防工业等旋转速度和角度的测量. 2）汽车电子脚踩油门角位移,方向盘位置,座椅位置,前大灯位置; 3）自动化机器人,运动控制,旋转电机转动和控制.举例： 1、DWQBZ40G: 工业级标准化 电流输出 040（20）角度传感器 2、DWQBL2V30： 比例输出正负2V 电压输出 30角度传感器产品选型技术测试指标一、电压比
14、例输出：电气参数 除特别说明外，VCC=5V，TA25表2产品型号DWQBL参数名称测试条件参数值单位最小典型最大电源电压Vcc4.555.5V消耗电流Is10mA存储温度Ts-40125C使用温度TA-2080C中点输出VO2.492.502.51V满度输出FSRL2K0.54.5V输出高电压VOHIO = -1mA4.85V输出低电压VOLIO = 1mA0.15V中点温漂-20CTA80C10mVFS满度温漂-20CTA10K ） 98 %VDD VHi （下拉 RL10K ） 97 输出低电平 VLo （下拉 RL10K ） 1 %VDD VLo （上拉 RL10K ） 1.5 PWM
15、 波频率响应 100 1000 Hz 最大占空比 100 % 防护等级 IP 64 表5 CK-3技术参数CK-3 技术参数 测量范围 15 30 45 60 90 360 （可按用户要求设定角度区间） 供电电压 5VDC 5VDC 5VDC 供电电流 16mA 16mA 16mA 输出信号 0.5 4.5 VDC 0.5 4.5 VDC 0.5 4.5 VDC 分 辨 率 0.035 0.05 0.087 非 线 性 0.3 FS 0.5 FS 0.5 FS 中点输出 2.5V 2.5V 2.5V 使用温度 -40 125 o C -40 125 o C -40 125 o C 存储温度 -
16、55 150 o C -55 150 o C -55 150 o C 中点温漂 5mV 5mV 5mV 满度温漂 0.005%FS/ o C 0.005%FS/ o C 0.005%FS/ o C 转动方式 机械转角 360 机械转角 360 机械转角 360 防护等级 IP 64 表6 CK-4技术参数CK-4 技术参数 测量范围 15 30 45 60 90 360 （可按用户要求设定角度区间） 供电电压 9 16VDC 9 16VDC 9 16VDC 供电电流 17mA 17mA 17mA 输出信号 1 5V 1 5V 1 5V 分 辨 率 0.035 0.05 0.087 非 线 性
17、0.3 FS 0.5 FS 0.5 FS 中点输出 3V 3V 3V 使用温度 -40 125 o C -40 125 o C -40 125 o C 存储温度 -55 150 o C -55 150 o C -55 150 o C 中点温漂 5mV 5mV 5mV 满度温漂 0.005%FS/ o C 0.005%FS/ o C 0.005%FS/ o C 转动方式 机械转角 360 机械转角 360 机械转角 360 防护等级 IP 64 总结角度测量技术分为静态测量和动态测量两种，某些静态测量技术仍然是动态测量的基础，一些动态测角技术可以实现静态测量。目前，很多重要的测控仪器，如陀螺转台
18、、惯导平台、经纬仪、星体跟踪器、雷达、导弹发射架、空间望远镜、高精度数控机床、机器人等系统中一般都需要角度传感器，用于测量被测物体相对于某基准方位的绝对转角或相对于自身在不同时刻的相对转角。随着测控技术的发展，系统要求的测控精度越来越高。角度传感器发展方向向高精度发展；向微型化发展；向智能化数字化发展；向微功耗及无源化发展。然而，角度测量仍然存在各种各样的问题，主要有：精度不够高或只能在小角度测量时得到高精度，精度提高使产品尺寸和重量过大，全周界绝对角度测量装置的测量精度不高，小型化方面存在技术困难，动态范围小，对关键元件要求苛刻，对环境要求高，可靠性低，不易实现与其它仪器融合等等。参考文献1王家骧.轻工业机械设计. 北京：中国轻工业出版社，19962张正伟. 传感器原理与应用. 北京：中央广播电视大学出版社，19913彭军. 传感器与检测技术. 西安：西安电子科技大学出版社，20034林德杰 林均淳 许锦标 曾宪云 .电器检测技术.机械工业出版社年5徐洁检测技术与仪表清华大学出版社年6陈照章.朱湘临.光电测速传感器及其信号调理电路.传感器技术.2002年7余瑞芬.传感器原理.北京航空工业出版社.19958金捷.机电检测技术.中国人民大学出版社.2002年9贾伯年，俞朴. 传感器技术东南大学出版社，1999年17