非電量的測量(傳感器)簡介

1、13.1 傳感器概述 傳感器是一種能感受規(guī)定的被測量，并以一定的精度按照一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換為易于處理和測量的某種輸出信號一般為電信號的器件或裝置。 有人把計算機比喻為人的大腦的延續(xù)，稱之為“電腦；而把傳感器比喻為人的五官的延續(xù)，稱之為“電五官。傳感器是自動控制系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器的組成 傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量轉(zhuǎn)換電路組成，如圖13-1所示。 被測量(非電量)電量圖13-1 傳感器組成框圖敏感元件傳感元件基本轉(zhuǎn)換電路 傳感器的分類方法很多，一般按被測物理量和傳感器工作原理分類。 按被測物理量分類時，能明確地表示傳感器的用途。如位移傳感器、力傳

2、感器、溫度傳感器等。 按傳感器工作原理分類時，是根據(jù)檢測變換原理的不同進行分類。可分為電阻傳感器、電感傳感器、電容傳感器、熱電傳感器、光電傳感器等。 13.2 測力傳感器及其應(yīng)用彈性敏感元件 彈性敏感元件是許多傳感器的根本元件。彈性敏感元件根據(jù)感受的物理量不同，可分為力敏感型、壓力型和溫度敏感型。其中力敏感型彈性元件是能夠感受力的變化，并將其轉(zhuǎn)換成位移(或應(yīng)變)的彈性敏感元件。常見的結(jié)構(gòu)形式有柱式和梁式。柱式彈性元件可以是實心柱體或空心柱體，如圖13-2所示。其主要特點是加工方便、結(jié)構(gòu)簡單，適用于拉力測量和稱重系統(tǒng)，能承受較大載荷。圖13-2 等截面軸彈性元件FF(a)(b) 梁式彈性是一端固

3、定另一端自由的彈性元件，又稱懸臂梁。按其截面形狀又可分為等截面懸臂梁和變截面懸臂梁。如圖13-3所示。其主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，適用于小載荷(1103N測量。 (b) FF圖13-3 懸臂梁式彈性敏感元件(a)1.電阻應(yīng)變效應(yīng) 金屬導(dǎo)體的電阻隨著它受外力作用發(fā)生機械變形的大小而變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。如金屬電阻絲受拉力作用而變細(xì)，其電阻值將增大。 2.金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 金屬電阻應(yīng)變片的根本結(jié)構(gòu)如圖13-4所示。它由絕緣基片3，敏感柵4，柵兩端的引線1，以及覆蓋層2組成。 應(yīng)變片的敏感柵形式較多，這里僅介紹絲式。 金屬電阻應(yīng)變片式傳感器根本結(jié)構(gòu)有彈性元件、應(yīng)變片、測量橋路三局部

4、。 使用應(yīng)變片式傳感器進行力的測量時，首先要選擇適宜的應(yīng)變片粘貼在被測試件上。當(dāng)試件受力產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力時，粘貼在其上的應(yīng)變片也會受力產(chǎn)生應(yīng)變，其結(jié)果是應(yīng)變片的電阻值也發(fā)生變化。這樣就把力這個非電量轉(zhuǎn)換為電阻量，而電阻的測量通常借助于電橋電路。1234b圖13-4 電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖l1-引線 2-覆蓋層 3-絕緣基片 4-敏感柵 圖13-5所示為電橋的根本線路。圖中，R1、R2、R3、R4為電橋的四個橋臂電阻，電橋的供電電源可以是直流電源也可以是交流電源。 為了調(diào)整方便，通常采用四個橋臂電阻值相等的等臂電橋或用兩相鄰橋臂電阻值相等的對稱電橋。當(dāng)橋臂電阻無變化時，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓為

5、零；當(dāng)橋臂電阻有變化時輸出一個與電阻變化成正比的電壓值。 Uo+R1R2R3R4U i 圖13-5 橋式轉(zhuǎn)換電路 如果把應(yīng)變片式傳感器中的電阻應(yīng)變片作為電橋的橋臂電阻接在線路上，那么應(yīng)變片受力產(chǎn)生的電阻的改變，可以轉(zhuǎn)換為電橋電壓值的變化。被測試件受力值的測量過程可以簡單示意如下：力的變化(F)應(yīng)變()應(yīng)變片電阻變化(R)橋路電壓的變化(U)假設(shè)電橋四個橋臂電阻都用應(yīng)變片，那么稱為全橋式；假設(shè)只有兩相鄰橋臂用應(yīng)變片那么稱半橋式；假設(shè)只有一個橋臂為應(yīng)變片電阻的稱為單臂電橋。 由于溫度的變化是客觀存在的，就給測量結(jié)果帶來誤差。為消除這個誤差，常進行溫度補償。把因溫度的變化引起的電阻變化抵消掉。補償方

6、法很多，一般全橋式和半橋式橋路都具有溫度補償作用，這里不一一介紹了。 3.測力傳感器的應(yīng)用 測力傳感器常用彈性敏感元件將被測力的變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量的變化 。 下面介紹一種縫紉機上使用的測力傳感器面線張力傳感器。為了提高縫紉機生產(chǎn)能力，必須對縫紉機的各種參數(shù)進行檢測和控制。面線張力傳感器可對縫紉機面線張力進行動態(tài)測量，以減少或者防止出現(xiàn)浮線、縐線、斷線等現(xiàn)象。 圖13-6 面線張力傳感器原理圖12341-外殼 2-應(yīng)變片 3-彈性元件 4 -圓環(huán) 圖13-6是面線張力傳感器的原理圖。彈性元件是等強度懸臂梁，材料選用彈性性能良好的鈹青銅。在彈性元件3的下外表沿對稱軸線各貼一片應(yīng)變片2。在彈性元件的一

7、端焊接一個圓環(huán)4，另一端與外殼1固定。在進行測試時，將傳感器安放在挑線桿和針桿線鉤之間，借用夾線器上的螺孔將其固定。面線穿過圓環(huán)，其張力作用在彈性元件懸臂梁上，并使其發(fā)生彈性變形，粘貼在彈性元件上外表的應(yīng)變片承受拉應(yīng)變作用，阻值增大，下外表應(yīng)變片承受壓應(yīng)變作用，阻值減小，從而將面線張力轉(zhuǎn)換成電阻變化，再經(jīng)過其他轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電壓并放大，由記錄儀最后顯示測量結(jié)果。 13.3 位移傳感器及其應(yīng)用 位移是應(yīng)用十分廣泛的一種測量。對機械構(gòu)件的位移進行測量，不僅可以確定位置，也可以分析、研究其運動規(guī)律。位移的測量包括線位移的測量和角位移的測量，本節(jié)只介紹線位移的測量。 測量位移的常用傳感器有電感式傳感器

8、、電渦流式傳感器、電容式傳感器、電阻應(yīng)變片式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器及光柵傳感器等，根據(jù)被測位移量的大小、特性和精度要求等，可選用不同類型的傳感器。 13.3.1 電阻應(yīng)變片線位移傳感器 電阻應(yīng)變片式傳感器除了可以測量力外，還可以測量線位移。如圖13-7所示。當(dāng)被測試件在垂直方向位移時，懸臂梁隨著產(chǎn)生與位移相等的繞度，因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，電阻值改變。在小繞度的情況下，繞度與應(yīng)變成正比。將應(yīng)變片接入橋路，輸出與位移成正比的電壓信號。其過程為：位移量應(yīng)變片的應(yīng)變應(yīng)變片R的變化橋路輸出的變化。 通過測量輸出電壓值可以知道被測試件的位移量。 h傳感器x圖13-7 應(yīng)變片線位移傳感器工作

9、原理l13.3.2 霍爾式傳感器1.霍爾效應(yīng) 霍爾式傳感器是一種應(yīng)用比較廣泛的半導(dǎo)體磁電傳感器，其工作原理基于霍爾效應(yīng)。什么是霍爾效應(yīng)呢？將半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，如圖13.3.2所示，當(dāng)片內(nèi)沿L方向有電流I流過時，在垂直于I和B的方向便會產(chǎn)生電壓UH(稱霍爾電壓)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。霍爾電壓UH的大小為： UH=KHIB 式中：KH霍爾元件的靈敏度 當(dāng)霍爾元件的材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢的大小正比于通過的電流I和磁感應(yīng)強度B。當(dāng)磁感應(yīng)強度B和霍爾元件平面法線成一角度 時，霍爾電勢為 UH=KHIBcos + + + + + + + + + + UHBfL b fE

10、l d 圖13-8 霍爾效應(yīng)原理圖+2.霍爾元件 根據(jù)霍爾效應(yīng)原理做成的器件叫做霍爾元件?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)很簡單，是一種半導(dǎo)體四端薄片，它由霍爾片、引線和殼體組成?；魻柶南鄬蓚?cè)對稱地焊上引出線， a、b端稱為鼓勵電流端，c、d端稱為霍爾電勢輸出端，結(jié)構(gòu)、圖形符號和外形如圖13-8a、b 、c所示。封裝常采用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂等。圖13-8 霍爾元件bdac(a)(b)(c)HX-1 圖13-10中保持控制電流I為定值，使霍爾元件在一均勻梯度的磁場B中沿x方向移動，那么霍爾電勢的大小只取決于它在磁場中的位移量。分析如下： 圖中由極性相反，H相同的兩磁鋼構(gòu)成一均勻梯度磁場，因B在一定范圍

11、內(nèi)沿x方向的變化梯度dB/dx為常數(shù)，當(dāng)元件沿x方向移動時，霍爾電勢為式中 K傳感器輸出靈敏度圖13-10 霍爾位移傳感器原理圖霍爾元件NNSSBBBxxO13.4 溫度傳感器及其應(yīng)用1溫標(biāo) 溫度是用來定量地表示一個物體冷熱的物理量。而溫標(biāo)是衡量物體溫度的標(biāo)尺，物體的溫度數(shù)值應(yīng)根據(jù)溫標(biāo)給出。國際實用的溫標(biāo)是目前國際上比較通用且比較方便的溫標(biāo)。國際實用溫標(biāo)的溫度符號用T表示，單位為達爾文，以K或開表示。國際實用溫標(biāo)還規(guī)定了溫度也可以用攝氏溫度表示，攝氏溫度以符號t表示，其單位為攝氏度，以C 表示。國際實用溫度T與攝氏溫度t之間的關(guān)系： t =T273.16 C 測溫方法 測溫方法一般分為兩大類：

12、接觸測溫法和非接觸測溫法。接觸測溫法是將測溫傳感器與被測對象接觸，兩者充分熱交換，最后到達熱平衡后，兩者溫度相同，由儀表將溫度示出。非接觸測量就是利用特制的透鏡將被測物體發(fā)出的熱輻射能量積聚，再將它轉(zhuǎn)換成電量，從而來測量被測物體的溫度。 目前對溫度的測量仍主要在于對平衡狀態(tài)的接觸測量，對于流體溫度、動態(tài)介質(zhì)溫度的非接觸測量技術(shù)有待進一步研究和開展。 常用溫度傳感器 熱電阻主要是利用導(dǎo)體或的電阻隨溫度變化這一特性來測量溫度的。目前廣泛應(yīng)用的熱電阻材料是鉑、銅和鎳等。 (1)鉑熱電阻 鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫下和氧化介質(zhì)中很穩(wěn)定。它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。鉑的性能最穩(wěn)定，采用特殊結(jié)構(gòu)

13、可制標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電阻溫度計。它的適用范圍為200+600C 。 工業(yè)用鉑熱電阻如圖13-11所示，一般是將鉑絲2繞在帶有螺旋溝槽的玻璃或云母板上，外加不銹鋼護套，也可將繞好的鉑絲套入玻璃管熔燒封裝。在0600C以內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為 Rt=R0(1+At+Bt2)Rtt C時的R R00 C時的R t任意溫度 A、B溫度系數(shù)。 (2)銅熱電阻 銅熱電阻價廉并且線性好，但溫度高時易氧化。當(dāng)測量精度要求不高、測量范圍不大時，可以用銅熱電阻代替鉑熱電阻使用。1鉚釘 2鉑絲 3骨架 4銀導(dǎo)線21 圖13-11 鉑電阻結(jié)構(gòu)342.熱敏電阻 熱敏電阻是近年來出現(xiàn)的一種新型半導(dǎo)體測溫元件。主要是利用半導(dǎo)體的

14、電阻隨溫度變化的特性測溫。熱敏電阻是由一些金屬氧化物如鈷、錳、鎳等氧化物，采用不同比例配方，高溫?zé)Y(jié)成陶瓷。熱敏電阻可根據(jù)使用要求封裝加工成各種形狀，如珠狀、片狀、桿狀等、如圖13-12所示。它主要由熱敏電阻、引線和殼體組成。 t圖13-12 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)外形及符號200(a)形狀(c)符號(b)結(jié)構(gòu)200 熱敏電阻按溫度系數(shù)可分為正溫度系數(shù)型(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)型(NTC)和臨界溫度系數(shù)型(CTR)，它們的特性曲線如圖13-13所示。CTR熱敏電阻是一種具有開關(guān)特性的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，有一阻值急劇轉(zhuǎn)變的溫度，此特性可用于自動溫控和報警電路中起溫度開關(guān)作用。 電阻率(c m)圖13-13

15、 各種熱敏電阻的典型特性107106105104103102100100200溫度t/PTCCTRNTC3.熱電偶 熱電偶是利用熱電勢效應(yīng)制成的溫度傳感器。1熱電勢效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體構(gòu)成一閉合回路，假設(shè)兩個接點處溫度不同，那么回路中將產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這個物理現(xiàn)象稱為熱電勢效應(yīng)，簡稱熱電效應(yīng)。在圖13-14所示的回路中，把A、B兩導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，A、B兩種導(dǎo)體稱為熱電極，節(jié)點T置于溫度為t的被測對象中，稱為工作端或熱端，節(jié)點T0置于參考溫度t0中，稱為自由端或冷端。 T0AB圖13-14 熱電偶原理圖T 熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩局部組成的，其大小只與兩材料和兩節(jié)點的

16、溫度有關(guān)，而與熱電偶的尺寸、形狀及材料的中間溫度無關(guān)。熱電勢記作EAB(t，t0)，假設(shè)圖13-14的熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，那么該導(dǎo)體的引入將不會改變原來熱電偶的熱電動勢大小。如圖13-15所示。其中C導(dǎo)體兩端溫度相同，它為熱電偶測量時加測量引線帶來方便。C EABC(T，T0)A B T T0 T0 圖13-15 具有中間導(dǎo)體的熱電偶回路(2)熱電偶的測溫線路 圖13-16所示是一個熱電偶直接和儀表配用測量某點溫度的電路。圖中A、B為熱電偶，A、B為補償導(dǎo)線，C為銅接線柱，D為銅導(dǎo)線。ABCDD儀表圖13-16 測量某點溫度的基本電路AB+t0t0t

17、0應(yīng)用舉例 圖13-17為電烙鐵溫度控制的典型電路。圖中1熔斷器 2鉑熱電阻， 3溫度控制器， 4 電烙鐵， 5 固態(tài)繼電器，S 開關(guān)。220VS12354LN圖13-17 溫度傳感器應(yīng)用典型電路B1B1B2B3B4B5B6A1A2C2C1 其工作原理是：合上開關(guān)S，溫控器工作，安裝在電烙鐵上的測溫電阻2的阻值隨電烙鐵溫度升高而增大，其信號輸入溫控器3的A1、A2端，溫控器把測溫電阻的阻值和溫控器的預(yù)置值進行比較，高于預(yù)置值時，由B5、B6輸出信號給固態(tài)繼電器5，使固態(tài)繼電器C1、C2斷開電源，切斷電烙鐵的電源，讓其自然降溫；當(dāng)?shù)陀陬A(yù)置值時，C1、C2接通，那么電烙鐵進行加溫，穩(wěn)定了電烙鐵的工

18、作溫度。13.5 光電傳感器及其應(yīng)用 光電式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光通量的變化，再通過光電元件轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。光電效應(yīng) 光電式傳感器的核心部件是光電器件，光電器件的理論根底是光電效應(yīng)。具有光電效應(yīng)的元件稱為光電元件。 外光電效應(yīng)是在光線作用下，電子從物體外表逸出的物理現(xiàn)象，也稱為光電發(fā)射效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)是在光線作用下，釋放出的電荷均勻存在于物體內(nèi)部，使其電阻值下降的現(xiàn)象，也稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)就是在光線作用下，釋放出的電荷在PN結(jié)的作用下產(chǎn)生漂移，從而產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。 光電元件光敏電阻 光敏電阻是一種應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體光電元件。根據(jù)入射光波長不同，光敏電阻的靈敏

19、度也不同。光敏電阻主要有紫外光敏電阻、可見光敏電阻和紅外光敏電阻。紫外光敏電阻主要用于紫外線的探測；可見光光敏電阻如硅、鍺光敏電阻主要用于各種光電阻自動控制系統(tǒng)如光電自動門、自動給水和停水、光電計數(shù)器等；紅外光敏電阻廣泛用于成分分析、無損探傷等方面。光敏電阻的符號如13-18 所示。 圖13-18 光敏電阻2光電池 光電池的種類很多，其感光靈敏度隨材料和工藝方法的不同而不同，目前應(yīng)用最廣泛的是硅光電池，它具有性能穩(wěn)定、傳遞效率高等優(yōu)點，它的缺點是質(zhì)脆、經(jīng)不起劇烈沖擊、抗輻射能力差、價格較貴。m，屬于可見波長范圍，因此應(yīng)用于分析儀器、測量儀器中。 硒光電池交換效率比硅光電池效率低。但它頻率響應(yīng)范

20、圍較寬，與人眼視覺的頻率響應(yīng)范圍相近，因而適用于曝光表及照度計。 光敏二極管、光敏三極管 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，如圖13-19所示。在不受光照射時，它處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時，處于導(dǎo)通狀態(tài)，起著變阻作用。 AE圖13-19 光敏二極管PNVD VD I + 光敏三極管是由光敏二極管與普通三極管的工作原理組合而成，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。光敏三極管有PNP和NPN兩種。其符號如圖13-20所示。 ECC圖13-20 光敏三極管E4光控電路 光控電路的形式很多。后級發(fā)射器有單級的，也有多級的；但其光敏局部接法不外以下三種。 第一種，光敏元件作為基極

21、下偏流元件，如圖13-21a所示。 第二種，光敏元件作為基極上偏流元件。如圖13-21b所示。 以上兩種接法的光敏元件可以是光敏電阻、光敏二極管，也可以是光敏三極管。 第三種，用光電池作為光敏元件直接為三極管提供導(dǎo)通偏壓。光電池的接法要注意極性，如圖13-21c所示。以上三個電路都用一個電位器RP調(diào)整光控靈敏度。 (a) (b) (c)圖13-21 光控電路 J J J RPRPRP光電式傳感器及其應(yīng)用1光電式傳感器 光電式傳感器由光電元件、光源和光學(xué)元件以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。常用光源有白熾燈和發(fā)光二極管。選擇光源與光電元件時，要注意使光源發(fā)出的光的頻率在光電元件接收靈敏度最高的范圍內(nèi)。 光

22、電式傳感器廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域，它屬非接觸式測量，一般可歸為四種類型。 第一種，被測物1本身是光源3，由被測物發(fā)出的光通量到達光電元件2上。如光電比色溫度計、光照度計，如圖13.5.5(a)所示。 第一種，被測物1本身是光源3，由被測物發(fā)出的光通量到達光電元件2上。如光電比色溫度計、光照度計，如圖13-22a所示。 第二種是被測物1吸收光源3的光通量，由被測物吸收光通量后到達光電元件2。吸收量決定于被測物的某些參數(shù)，如測液體的透明度，如圖13-22b所示。 1，12233a)b)圖13-22 光電傳感器的幾種形式 第三種被測物1是具有反射能力的外表，光電元件2的輸出反映了被測物的某些參數(shù)。如紙張白度測量，如圖13-22c所示。 第四種被測物1遮擋光通量，光電元件2的輸出反映了被測物的某些參數(shù)，如振動測量、帶材跑偏測量，如圖13-22d所示。112233c)d)圖13-22 光電傳感器的幾種形式2應(yīng)用 (1)光電式邊緣位置檢測器。在冷軋帶鋼廠中，帶材連續(xù)經(jīng)過酸洗、退火、鍍錫等工藝流程。帶材在輸送過