机电一体化 第三章 检测传感器原理与应用

1、第三章 检测传感器原理与应用,第一节 传感器的基础知识 第二节 角位移检测传感器 第三节 线位移检测传感器 笫四节 压力检测传感器,下一页,第五节 温度检测传感器 第六节 转速检测传感器 第七节 其他信号检测传感器 习题与思考题,下一页,上一页,第一节 传感器的基础知识,传感器技术是机电一体化系统设计、现代检测技术和自动化控制技术的重要单元之一。它已广泛地应用到人类生活中的各个领域。上到宇宙探测，下到海洋开发，大到现代化生产线的自动化控制中，小到人们的日常生活中所用的家电产品，几乎每一项现代科学技术的发展，都离不开传感器。 可以说，自动化的程度愈高，控制系统对所用传感器的要求越高。在航空、航天、兵器工业、民用工业的发展中，传感器技术对机电系统设计的多功能起着决定性的作用。 所以，传感器技术也是现代技术中的三大技术（传感器技术、通讯技术、计算机技术）之一。传感器技术的发展，大大地推动了科学技术的发展。新系统、新产品的开发研究，又推动了传感器技术的发展。 当今传感器技术的发展方向主要有两个：一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料、新工艺、新方法；二是结合工程需要重点研究微型化、智能化、高

2、精度、多功能式的各种传感器。结合机电系统中的检测系统设计需要，本章介绍各种信号检测传感器原理、性能、特点及应用选用原则。,上一页,下一页,一、 传感器的基本用途,1. 生产过程中的信号测量与控制 在工农业生产过程中，对温度、压力、流量、位移、液位和气体成分等物理信号进行检测，从而实现对工作状态的测量与控制。 2. 安全报警与环境保护 利用传感器可对高温、放射性污染以及粉尘弥漫等恶劣工作条件下的过程参量进行远距离测量与控制，并可实现安全生产。可用于温控、防灾、防盗等方面的报警系统。在环境保护方面可用于对大气与水质污染的监测，放射性和噪声的测量等。 3. 自动化设备和机器人 传感器可提供各种物理信号检测信息，当传感器与计算机结合，使设备的自动化程度大大提高。在现代机器人设计中大量使用多种传感器检测多种物理信号，其中包括力、扭矩、力矩、压力、位移、转速和射线等多种传感器。,上一页,下一页,4. 交通运输和资源探测 传感器可用于交通工具、道路和桥梁的监测管理，以保证提高运输的效率，防止事故的发生。还可用于陆地与海底资源探测以及空间环境、气象等方面的测量。 5. 医疗卫生和家用电器 利用传感器可

3、实现对病患者的自动监测与监护，可进行微量元素的测定，食品卫生检疫等，尤其是作为离子敏感器件的各种生物电极，已成为生物工程理论研究的重要测试装置。传感器在民用设备中的应用，例如B超检测仪、胃镜检测仪、变频空调机、自动洗衣机、加湿器等，为病因检测和家庭生活提供了使用方便。为机电产品性能安全、可靠及节省能源提供了最佳检测单元。,上一页,下一页,二、 传感器的组成与分类,1. 传感器的组成 人们通常把能够按照一定规律将被测物理量变换为与之相对应的另一种物理量的装置叫做传感器，也叫变换器，又称为探测器。作用是将各种非电量转换成其他量，由接口电路转换输出电压量。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路组成，如图3-1所示。 (1) 敏感元件: 直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量，如弹性敏感元件将应力信号转换为位移或应变量输出。 (2) 转换元件: 将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变等）转换成其他参数如电阻、电感、电容、电荷量变化量或电压量。 (3) 基本转换电路: 将电路参数转换成便于测量的电量如电压、电流、频率等。,上一页,下一页,图3-1 传感器组成框图,上一页,下一页,2.

4、 传感器分类 目前采用的传感器分类方法主要有： (1) 按被测物理量分类。这种方法明确表明了传感器的作用，便于使用者选择，如位移传感器用于测位移，压力传感器用于测量压力等。 (2) 按传感器工作原理分类。这种方法表明了传感器工作原理，有利于传感器设计和应用，如应变式传感器、压阻式传感器、压电式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式、热电式、半导体式传感器等。 (3) 按传感器转换能量的方式分类。 能量转换型又称发电型，不需外加电源而将被测量转换成电能输出，这类传感器有压电式、热电偶、光电池式等。 能量控制型又称参量型，需外加电源才能输出测试电压量。这类传感器有电阻、电感、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等，均需外加工作电源才能实现各种物理量测量。,上一页,下一页,(4) 按传感器工作机理分类: 结构型。被测参数变化引起传感器的结构变化,使输出电量变化,利用物理学中的定律和运动定律等构成,如电感式、电容式传感器等。 物性型。利用某些物质的某种性质随被测参数变化的原理构成。传感器的性能与材料密切相关，如压电传感器、光电传感器、各种半导体传感器等。 (5) 按传感器输出信号

5、的形式分类: 模拟式。传感器输出为模拟电压量。 数字式。传感器输出为数字量，如编码器式传感器。 习惯上，常把工作原理和用途结合起来命名传感器，如电阻应变式位移传感器、压阻式压力传感器、应变式力传感器、压电式加速度传感器等，有利于设计检测系统选择。,上一页,下一页,三、 传感器技术的发展,随着科学技术、微电子技术和计算机技术的发展，促进了传感器技术的发展，使传感器性能、功能和可靠性得到提高。传感器技术的发展是：开展基础研究，采用新原理，开发新材料，采用新工艺，与现代微电子技术、信息处理技术有机结合，扩大传感器的功能与应用范围。 1. 开发新型传感器 利用物理现象、化学反应和生物效应等各种传感器的基本原理，启发人们进一步去发现新现象与新效应，结合新开发的材料和新工艺，并以此研制出具有新原理、新型物理型传感器,这是发展高性能、多功能传感器的重要途径。 2. 传感器的集成化 集成化是指在同一芯片上或将众多同一类型的单个传感器集成为一维、二维阵列型传感器， 或将传感器与调整、补偿等电路集成一体化。,上一页,下一页,3. 传感器的多功能化 多功能化就是使传感器能同时具有多种检测功能。多功能集成传感

6、器是传感器发展的一个重要方向，即在一个芯片上集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感元件，如复合压阻传感器，一个芯片可同时检测压力和温度。 4. 传感器的智能化 智能化的传感器是一种带微型计算机兼有检测、放大、信息处理、人机交互、自诊断和保护等功能的传感器。例如: 智能式PPT压力传感器、智能式加速度传感器等。 5. 开发仿生传感器 大自然是生物传感器的优秀设计师。它通过漫长的岁月，不仅造就了集各种感官于一体的人类本身，而且还设计了许多功能奇特、性能高超的生物传感器，且这些功能与性能是人类本身的感官能力远远比不上的或缺少的,上一页,下一页,四、 机电一体化系统设计应用传感器选择, 在机电一体化系统设计中，信号的检测显示与检测控制是系统设计的重要部分，所选用的传感器工作条件差，工作时间长。传感器的优劣，一般通过主要性能指标来表示。 1. 传感器的选择要求 (1) 体积小、质量轻、配套性和适应性好。 (2) 线性度高、灵敏度高、响应快、信噪比高、稳定性好。 (3) 安全可靠、寿命长。 (4) 传感器便于与二次仪表匹配组合。 (5) 不易受被测对象的影响，也不影响其他单元的正常工作。 (6)

7、 对环境条件适应能力强（抗电场、磁场、辐射干扰等）。 (7) 现场使用方便，操作性能好。 (8) 动态特性好。 (9) 价格便宜。,上一页,下一页,2.传感器的选择原则 在机电系统设计中，可检测的物理量各种各样，可采用的传感器品种很多，为了满足工程实际设计使用要求，对传感器的选择就显得更加重要。对于同一种的被测物理量，可选择各种不同的传感器。 具体选择原则是： (1) 传感器的量程应大于测试信号最大值的1.21.5倍。 (2) 传感器的固有频率应大于测试信号频率的510倍。 (3) 传感器的准确度小于系统总不确定度的1/3倍。 (4) 传感器的结构尺寸满足总体安装使用要求。 (5) 传感器工作温度大于传感器测量温度的2倍。 (6) 长期使用重复性误差小于0.02。 (7) 传感器安装使用方便，抗干扰性好，可靠性好。 (8) 价格低廉。,上一页,下一页,五、 传感器性能的评价方法,传感器性能分为静态性能指标，动态性能指标。常采用的评价方法是静态标定方法，动态标定方法。根据国家计量规程要求，在传感器出厂前或者是在使用前都必须进行标定。对于不同类型的传感器采用不同的标定或校准方法，确保传感器

8、在使用中可靠性好、安全性好、准 确度应满足检测使用要求。 1. 传感器的标定 标定是指利用标准设备产生已知非电量（标准量），或用基准量来确定传感器输出电量与非电输入量之间关系的过程。 (1) 标定系统的组成。 一般由被测非电量的标准发生器，被测非电量的标准测试系统，待标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等组成。 (2) 静态标定方法。 指输入已知标准非电量，测出传感器的输出电压，给出标定曲线，求标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞后性、重复性等传感器的静态性能指标。,上一页,下一页,(3) 动态标定方法: 用于确定传感器动态性能指标。通过确定其线性工作范围（用同一频率不同幅值的正弦信号输入传感器，测量其输出），频率响应函数，幅频特性和相频特性。 2. 传感器的校准 传感器需定期检测其基本参数，判定是否可继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正。确保传感器的测量准确度的过程，称之为传感器的校准。校准与标定的内容是基本相同的,应用的场合不同和要求不同。,上一页,返回,第二节 角位移检测传感器,一、 电阻式角位移传感器 1. 线绕电位器式角位移传感

9、器原理结构 电位器式角位移传感器的工作原理如图3-2所示，结构如图3-3所示。传感器的转轴与待测角度的转轴相连，当待测物体的转轴转过一个角度时，电刷在电位器上转过一个相应的角位移，于是在输出端产生一个跟角度成正比的输出电压U。图中Ui是电位器工作电压。 2. 性能和用途 线绕电位器式角位移传感器性能指标： 动态范围 10165 工作温度-50 120 线性度 0.15%3% 工作寿命 104 次 电位器全电阻102104 这种传感器具有结构简单、体积小、动态范围宽、输出信号大、抗干扰强和准确度较高等特点，已广泛用于检测各种回转角度和角位移量。其缺点是环形各段曲率不一致会产生“曲率误差”，转速较高时会产生动态误差，适用转速较低的角位移测量。,上一页,下一页,图3-2 电位器角位移传感器工作原理图,上一页,下一页,图3-3 电位器角位移传感器结构图,上一页,下一页,二、 光电电位器式角位移传感器, 光电电位器式角位移传感器的工作原理如图3-4所示，结构如图3-5所示。这种传感器在基体上沉积一层Cds或Cdsa光电导体后，再沉积一定薄膜电阻带。集电极是一条平行电阻带的导电层。电阻带与集电极之间有很窄的缝隙，光电刷的光束可照射在该窄缝上。 因为光导材料的暗电阻与光电阻之比可达105108，因此，当窄缝上有光照射时，可看成集电极和电阻带导通，输出端有电压输出，无光照射时，集电极和电阻带之间的窄缝可看成断路。所以，固定在待测角度上的转轴上的光电刷，当随轴在窄缝移动时，输出端输出与角度成正比的电信号。 光电电位器式角位移传感器没有金属丝电刷造成的摩擦力矩，它有分辨率高、寿命长、扫描速度快等优点。其缺点是接触电阻较大，输出信号要经过阻抗匹配变换器才能用。 主要性能指标： 测量范围0150。, 线性度0.1%0.5%, 分辨率0.01,上一页,下一页,图3-4 光电式角位移传感器的工作原理图,上一页,下一页,图3-5 光电式角位,上一页,下一页,三、 电感式角位移传感器,旋转变压器式角位移传感器工作原理：旋转变压器实际上是有次级旋转绕组的变

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