第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

1、 第第1章章 傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器技術(shù)基礎(chǔ)5.1 5.1 傳感技術(shù)概述傳感技術(shù)概述 傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。 傳感器已廣泛地應(yīng)用到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸、國(guó)防以及日常工作與生活等各個(gè)領(lǐng)域中。 開發(fā)新的敏感材料是研制新型傳感器的關(guān)鍵。功能陶瓷材料、高分子有機(jī)敏感材料、生物活性物質(zhì)（如酶、激素等）和生物敏感材料（如微生物、組織切片）都是近幾年人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料。 微型化、多維多功能化、集成化、數(shù)字化及智能化是傳感器的發(fā)展方向。 5.1.1 5.1.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念 關(guān)于傳感器的定義，眾說不一。 根據(jù)我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7765-87）

2、，傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。 定義包含的意思：傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；它的輸入量是某一種被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等。它的輸出量是某種物理量，這種量應(yīng)便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量不一定是電量，還可以是氣壓、光強(qiáng)等物理量，但主要是電物理量；輸出與輸入之間有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且能達(dá)到一定的精度。 輸出量為電量的傳感器，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。 敏感元件：它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出

3、轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時(shí)敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個(gè)元件（敏感元件）實(shí)現(xiàn)的。 調(diào)理電路：將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸出。 敏感元件調(diào)理電路轉(zhuǎn)換元件被測(cè)量中間量輸出電量1 1按工作機(jī)理分類按工作機(jī)理分類 結(jié)構(gòu)型傳感器：是利用傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的。 物性型傳感器：在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的過程中，傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)基本不變，而是依靠傳感器中敏感元件內(nèi)部的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能的。 2 2按能量轉(zhuǎn)換情況分類按能量轉(zhuǎn)換情況分類 根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為： 能量控制型傳感器。如電阻式、電感式等傳感器。 能量轉(zhuǎn)換型傳感器。如基于光電效應(yīng)等的傳感器

4、。 5.1.2 5.1.2 傳感器的基本分類傳感器的基本分類 3 3按物理原理分類按物理原理分類 電路參量式傳感器。包括電阻式、電感式、電容式等三個(gè)基本型式 。 磁電式傳感器。包括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等。 壓電式傳感器。 光電式傳感器。包括一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式等。 氣電式傳感器。 熱電式傳感器。 波式傳感器。包括超聲波式、微波式等。 射線式傳感器。 半導(dǎo)體式傳感器等。4 4按用途分類按用途分類 按照傳感器的用途來分類，可分為： 位移傳感器 壓力傳感器 振動(dòng)傳感器 溫度傳感器 速度傳感器等。 5 5按輸出電信號(hào)類型分類按輸出電信號(hào)類型分類 根據(jù)傳感器輸

5、出電信號(hào)的類型不同，可以分為 ： 模擬量傳感器 數(shù)字量傳感器 開關(guān)量傳感器。接近開關(guān)是一種采用非接觸式檢測(cè)、輸出開關(guān)量的傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，當(dāng)金屬物體處于一個(gè)交變的磁場(chǎng)中時(shí)，在金屬物體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生交變的電渦流，該渦流又會(huì)反作用于產(chǎn)生它的磁場(chǎng)。如果這個(gè)交變的磁場(chǎng)是由一個(gè)電感線圈產(chǎn)生，則這個(gè)電感線圈中的電流就會(huì)發(fā)生變化，用于平衡渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。 5.2 5.2 電感式接近開關(guān)電感式接近開關(guān)5.2.1 5.2.1 電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng) 電感式接近開關(guān)就是利用電渦流效應(yīng)制造的傳感器。 5.2.2 5.2.2 電感式接近開關(guān)的基本工作原理電感式接近開關(guān)的基本工作原理 高頻振蕩型電感式接近開關(guān)：

6、它以高頻振蕩器（LC振蕩器）中的電感線圈作為檢測(cè)元件，利用被測(cè)金屬物體接近電感線圈時(shí)產(chǎn)生的渦流效應(yīng)，引起振蕩器振幅或頻率的變化，由傳感器的信號(hào)調(diào)理電路將該變化轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。 差動(dòng)線圈型電感式接近開關(guān)： 它有兩個(gè)電感線圈，由其中一個(gè)電感線圈作為檢測(cè)線圈，另一個(gè)電感線圈作為比較線圈；由于被測(cè)金屬物體接近檢測(cè)線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，從而引起檢測(cè)線圈中磁通的變化，檢測(cè)線圈的磁通與比較線圈的磁通進(jìn)行比較，然后利用比較后的磁通差，經(jīng)由傳感器的信號(hào)調(diào)理電路將該磁通差轉(zhuǎn)換成電的開關(guān)量輸出，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。 1按工作電源的性質(zhì)進(jìn)行分類按工作電源的性質(zhì)進(jìn)行分類 交流型：采用交流電源供電，

7、用于交流控制回路。直流型：采用直流流電源供電，用于直流控制回路。 5.2.3 電感式接近開關(guān)的分類電感式接近開關(guān)的分類 2按接線方式進(jìn)行分類按接線方式進(jìn)行分類 二線制 三線制 四線制 五線制 六線制 3 3按觸點(diǎn)的性質(zhì)分類按觸點(diǎn)的性質(zhì)分類 常開式 常閉式 常開與常閉混合式 4 4按輸出邏輯分類按輸出邏輯分類 正邏輯型 負(fù)邏輯型 浮空邏輯型 混合型 5 5按外形分類按外形分類 螺紋型 圓柱型 長(zhǎng)方體型 U型等 6 6按防護(hù)方式分類按防護(hù)方式分類 防水型 防爆型 耐高溫型 耐高壓型等 5.2.4 5.2.4 電感式接近開關(guān)的圖形符號(hào)電感式接近開關(guān)的圖形符號(hào) 在高頻振蕩型電容式接近開關(guān)中，以高頻振蕩

8、器（LC振蕩器）中的電容作為檢測(cè)元件，利用被測(cè)物體接近該電容時(shí)由于電容器的介質(zhì)發(fā)生變化導(dǎo)致電容量C的變化，從而引起振蕩器振幅或頻率的變化，由傳感器的信號(hào)調(diào)理電路將該變化轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。 5.3 5.3 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)5.3.1 5.3.1 電容式接近開關(guān)的基本工作原理電容式接近開關(guān)的基本工作原理 5.3.2 5.3.2 電容式接近開關(guān)的圖形符號(hào)電容式接近開關(guān)的圖形符號(hào) 5.4 5.4 光電式接近開關(guān)光電式接近開關(guān) 光電式傳感器是用光電轉(zhuǎn)換器件作敏感元件、將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。光電式傳感器的種類很多，按照其輸出信號(hào)的形式，可以分為模擬式、數(shù)字式、開關(guān)量輸

9、出式。 以開關(guān)量形式輸出的光電傳感器，即為光電式接近開關(guān)。 5.4.1 5.4.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光電效應(yīng)光電效應(yīng)：物質(zhì)（主要指金屬）在光的照射下釋放出電子的現(xiàn)象。 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：物體在光的照射下光電子飛到物體外部的現(xiàn)象。 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：物體在受到光的照射時(shí)，使物體內(nèi)部的部分束縛電子變?yōu)樽杂呻娮樱瑥亩刮矬w的導(dǎo)電能力增強(qiáng)，或者在特殊結(jié)構(gòu)的物體內(nèi)部使電子按照一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)形成電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。 5.4.2 5.4.2 光電式接近開關(guān)光電式接近開關(guān) 利用光電效應(yīng)制成的傳感器稱為光電式傳感器。光電式傳感器的種類很多，其中輸出形式為開關(guān)量的傳感器為光電式接近開關(guān)。 光電式接近開關(guān)主要由光發(fā)射器和光接收器組成。 光發(fā)射器用于發(fā)射紅外光或可見光。 光接收器用于接收發(fā)射器發(fā)射的光，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以開關(guān)量形式輸出。 按照接收器接收光的方式不同，光電式接近開關(guān)可以分為對(duì)射式、反射式和漫射式三種。光發(fā)射器和光接收器也有一體式和分體式兩種。 1 1對(duì)射式光電接近開關(guān)對(duì)射式光電接近開關(guān) 對(duì)射式光電接近開關(guān)是指光發(fā)射器（光發(fā)射器探頭或光源探頭）與光接收器（光接收器探頭）處于相對(duì)的位置工作的光電接近開關(guān)。 2 2反射式光電接近開關(guān)反射式光電接近開關(guān) 反射式光電接近開關(guān)的光發(fā)射器與光接收器處于同一側(cè)位置，且光發(fā)射器與光接收器為一體化的結(jié)構(gòu)，在其相對(duì)的位置上安置一個(gè)反光鏡，光發(fā)射器發(fā)出的