機械電子工程管理傳感器與轉(zhuǎn)換器

1、機械電子工程原理第七章 傳感器與轉(zhuǎn)換器 7.1 概述 在許多測量系統(tǒng)中，傳感器和轉(zhuǎn)換器都是用來獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息的。本書采用以下定義，但在使用時通常不做嚴(yán)格區(qū)分。 傳感器在測量系統(tǒng)中，對所測(特定)物理參數(shù)發(fā)生響應(yīng)的器件。轉(zhuǎn)換器把能量和信息從系統(tǒng)某一部分傳送到系統(tǒng)另一部分的器件。在傳送過程的同時，能量形式也可能發(fā)生變化。2數(shù)據(jù)測量時的預(yù)處理和后處理 除了傳感器和轉(zhuǎn)換器，測量系統(tǒng)還包括一個預(yù)處理級和后處理級 預(yù)處理級是在信號與傳感器接觸之前提取信號特征，然后對輸入信號檢測、響應(yīng)并將輸入信號提供給傳感器。從傳感器輸出的信號經(jīng)過后處理級的處理后得到最終輸出信號。 3一個實例轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng) 從光源發(fā)出的光

2、經(jīng)過帶有狹縫的圓盤(稱為編碼盤)后產(chǎn)生一系列的脈沖，換能器接收這些脈沖并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖。后處理級對一定時間間隔內(nèi)發(fā)生的脈沖進(jìn)行計數(shù)，并計算出編碼盤的旋轉(zhuǎn)速度。 4可用于信息傳遞的能量形式傳感器傳遞信息的物理基礎(chǔ)是能量轉(zhuǎn)化。有六種能量形式可用于信息傳遞。輻射能包括所有的電磁波譜。主要參數(shù)有：頻率、相位、強度和極化方向等。機械能主要參數(shù)有：距離、速度、尺寸和力等。熱能可以利用多種溫度效應(yīng)和熱效應(yīng)。主要參數(shù)有熱容、潛熱和相變特性等。電能主要參數(shù)有電流、電壓、電阻、電容和電感等。磁能包括磁場參數(shù)，如磁場強度和磁通密度等。化學(xué)能涉及到物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為，主要參數(shù)有：濃度、晶體結(jié)構(gòu)和凝聚狀態(tài)等。 5無源

3、和有源傳感器 根據(jù)能源利用情況，傳感器可分為無源(直接式)傳感器和有源(間接式)傳感器。無源傳感器在轉(zhuǎn)換中不需要外界附加能量。光電轉(zhuǎn)換裝置和熱電偶等直接式傳感器就是直接把輸入能量轉(zhuǎn)換成電能輸出的。有源傳感器在轉(zhuǎn)換中需要外界附加能量。應(yīng)變片和霍爾器件等間接式傳感器則需要附加能量以產(chǎn)生電信號。 6傳感器和轉(zhuǎn)換器的分類 根據(jù)功能分類 ，典型的被測量如下 位移線位移和角位移。速度線速度、角速度和流速等。加速度振動。幾何量位置、長度、面積、厚度、體積、表面粗糙度等。質(zhì)量重力、負(fù)載、密度。力靜力、動力、壓差、力矩、功率。其它硬度、粘度。7傳感器和轉(zhuǎn)換器的分類根據(jù)性能分類 性能可以用精度、穩(wěn)定性、線性度、靈

4、敏度、量程等靜態(tài)性能和響應(yīng)特性的動態(tài)指標(biāo)來評估。 根據(jù)輸出信號分類 模擬量輸出產(chǎn)生一個連續(xù)的輸出信號，信號的某些性質(zhì)直接與被測量大小有關(guān)。數(shù)字量輸出產(chǎn)生一個串行的或并行的數(shù)字信號，信息可以在一些固定的時間間隔上提取，也可以按要求提取。頻率輸出 產(chǎn)生的信號頻率是被測量的函數(shù)，輸出是連續(xù)波形或脈沖波形，可以用計數(shù)器和定時器將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字形式。編碼輸出 可以產(chǎn)生各種不同的編碼信號，包括：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制和脈沖位置調(diào)制。8傳感器的一般要求足夠的容量傳感器的工作范圍或量程足夠大；具有一定的過載能力。靈敏度高，精度適當(dāng)即要求其輸出信號與被測信號成確定的關(guān)系（通常為線性），且比值要大；傳感器

5、的靜態(tài)響應(yīng)與動態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定，可靠性好。使用性和適應(yīng)性強體積小，重量輕，動作能量小，對被測對象的狀態(tài)影響??；內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標(biāo)準(zhǔn)形式，以便與系統(tǒng)對接。使用經(jīng)濟(jì)成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準(zhǔn)。9傳感器技術(shù)的發(fā)展 傳感器技術(shù)的發(fā)展主要有：半導(dǎo)體硅材料傳感器、采用光纖的光學(xué)系統(tǒng)、壓電器件、超聲器件等等。 集成化智能傳感器簡圖 10智能傳感器的功能自補償能力自校準(zhǔn)功能自診斷功能自動定時測量自動量程轉(zhuǎn)換雙向通信功能含義：兩種結(jié)合方式：傳統(tǒng)的傳感器和微處理器（含采集單元）獨立的，可組合在一起，應(yīng)用維護(hù)更換相對方便把微處理器嵌入

6、到傳感器中，半導(dǎo)體類傳感器與微處理器集成在同一塊芯片上，如用于地震勘探的加速度傳感器。 11傳感器技術(shù)的發(fā)展固態(tài)轉(zhuǎn)換器 光電轉(zhuǎn)換器 壓電轉(zhuǎn)換器 超聲轉(zhuǎn)換器 超聲轉(zhuǎn)換器為非接觸式測量手段。與接觸式測量相比，非接觸式測量有以下優(yōu)點：減少了接觸爆炸性、放射性、毒性、腐蝕性或易燃物質(zhì)的危險性。避免了對藥物或食物等被測物的接觸污染。簡化了對傳感器和轉(zhuǎn)換器的維護(hù)。127.2電阻型傳感器 電位器 ：最簡單的電阻型傳感器電位器有旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種形式，它們可以用來測量直線位移或角位移。在任何情況下，只要改變電位器的有效分壓比，就可以得到不同的輸出電壓。構(gòu)成電位器的主要部分是大量緊繞的電阻線圈和一個滑動觸頭。因

7、此，線圈式電位器的分辨率是單位長度繞圈數(shù)的倒數(shù)。 要提高電位器的分辨率，可以使用金屬陶瓷電阻或?qū)щ娝芰媳∧ぁ?13電位器與負(fù)載阻抗當(dāng)把測量儀表連接入輸出端時，相當(dāng)于給輸出加了一個負(fù)載，將會產(chǎn)生測量誤差。當(dāng)RLR2時，RoR2。因此，為了保證測量精度，通常次級（無論是測量儀表還是信號處理電路）的輸入阻抗越大越好。 a)無負(fù)載 b)有負(fù)載14應(yīng)變片 若將某種導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料沿軸向拉伸，則它的長度將沿加載方向發(fā)生變化，其電阻值也將隨之變化。典型的電阻應(yīng)變片由一些電阻型金屬薄膜和基襯組成，基襯用來將所加載荷傳給應(yīng)變片。如果沿應(yīng)變片的軸向加載，那么將產(chǎn)生一個應(yīng)變，使得應(yīng)變片的有效長度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電

8、阻變化。 軸向加載的拉伸試樣 電阻應(yīng)變片 15橋式測量電路應(yīng)變式電阻傳感器常用來測量力、轉(zhuǎn)矩、壓力、加速度等物理量。 電阻的變化（即應(yīng)變）通常是由橋式電路測量的。由應(yīng)變產(chǎn)生的不平衡電位為對于電阻變化較小的情況：16應(yīng)變片的溫度補償溫度的變化也會引起應(yīng)變片電阻的變化，因此在橋路上安裝帶補償?shù)膽?yīng)變片與測量的應(yīng)變片具有相同的溫度特性，以消除溫度的影響，補償應(yīng)變片應(yīng)安裝在離測量應(yīng)變片最近的地方，這就需要將兩個應(yīng)變片以適當(dāng)角度安裝在被測件上。 17電阻式溫度傳感器 金屬圈的熱慣量導(dǎo)致了其靈敏性較低、對溫度變化響應(yīng)速度慢等特點，因此它常用來測量穩(wěn)態(tài)溫度。在如圖所示的典型應(yīng)用中，使電阻溫度計成為電橋的一個臂

9、。因為熱電阻的阻值很小，而由溫度變化引起的阻值變化也非常小，所以由導(dǎo)線電阻和接觸電阻引入的誤差就不能忽略， 電阻溫度計是阻性溫度轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)，它包括由一段鉑絲做成的小軸心，軸心被空心軸包圍。18三線電橋電阻溫度計電路 因此改用如圖所示的三線連接。圖中，電阻溫度計為Rt，導(dǎo)線電阻為r1、r2、r3，一般R1=R2=R為兩橋臂電阻，R3是調(diào)整電橋的精密電阻。通常，連接在a、b端的測量儀表的內(nèi)阻很大，故流過r3的電流近似于零。當(dāng)ua=ub時，電橋平衡，流過r3的電流為零，流過r1的電流也要流過r2，抵消其電壓降，如果讓r1=r2，并調(diào)整R3=Rt，即可以消除由導(dǎo)線電阻和接觸電阻引起的誤差。 19半導(dǎo)

10、體熱敏元件 半導(dǎo)體熱敏元件是一種半導(dǎo)體電阻元件，其熱性能已知，通常用來測量范圍在-30200的溫度。由于它體積小、熱慣量小，所以通常用來測量動態(tài)溫度。必須注意，在使用半導(dǎo)體熱敏元件時，由于熱敏元件本身的發(fā)熱會帶來誤差。半導(dǎo)體熱敏元件的主要缺點是它的非線性特性，這限制了它的應(yīng)用范圍。但是，由于測量系統(tǒng)使用微處理機，這種固有的非線性可以用軟件來克服，使得半導(dǎo)體熱敏元件的應(yīng)用范圍大大增加。 20217.3 電容式傳感器 平行板電容器的電容量0為真空狀態(tài)的介電常數(shù)，0=8.85410-12F/m，一般運算中將干燥空氣的介電常數(shù)取為真空狀態(tài)的介電常數(shù)0；r為絕緣材料的相對介電系數(shù)；A為平行板的有效正對面

11、積；為兩平行板之間的距離。 22電容式傳感器的分類根據(jù)其改變參數(shù)不同，可將電容式傳感器分為下三種：改變極板之距離（間隙)的極距型傳感器;改變極板遮蓋面積（A）的面積型傳感器；改變電介質(zhì)之介電常數(shù)（r）的介質(zhì)型傳感器電容式傳感器若按極板的形狀來分，可分為平板形和圓柱形兩種。圓柱型電容器的電容量 23電容傳感器的非線性電容量C與兩極板間隙呈非線性關(guān)系。24變極距型電容傳感器a)、b)變極式c)差動變極式1固定極板2可動極板3被測物體25變面積型電容傳感器a)平板平移式b)半可調(diào)式c)筒式d)差動筒式1、3固定極2可動極26變介電常數(shù)型電容傳感器a)測厚度b)測位移c)測液量d)測容量27實例測量液

12、面高度 用變介質(zhì)式的圓柱電容器測量液面高度 當(dāng)液面高度變化時，會引起極間不同介質(zhì)0和r的界面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容的變化，且輸出電容與液面高度的數(shù)學(xué)表達(dá)式是一個線性關(guān)系。 287.4 電感式傳感器 電感式傳感器的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單(因為沒有活動電觸點，所以工作可靠)測量范圍寬(可達(dá)幾百毫米)靈敏度高(微米級)重復(fù)性好 29電感式位移傳感器電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。線性可調(diào)差動變壓器線性可調(diào)電感傳感器感應(yīng)同步器30線性可調(diào)電感傳感器 這種傳感器使用線圈擾流器進(jìn)行工作。在100Hz或更高頻率下對線圈激磁，這時擾流器中感

13、生的渦流會改變線圈的有效電感，且此電感是關(guān)于擾流器位置的函數(shù)。 由于這種轉(zhuǎn)換器沒有用磁性材料，因此與其它電感轉(zhuǎn)換器相比，它受雜散磁場的影響較小，且消除了磁滯及磁場非線性，測量位移的范圍可達(dá)220mm。 a) 內(nèi)置式擾流器b) 外置式擾流器31感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器包括一個固定導(dǎo)軌（可達(dá)幾米長）和一個滑塊。兩者由厚度為0.10.15mm的空氣隔開，它們之間存在磁耦合?；瑝K上裝有一對繞組，兩繞組的相對距離成1/4節(jié)距，即90電角度。當(dāng)在滑軌線圈上加一正弦信號時（頻率達(dá)幾千赫），滑塊繞組上將產(chǎn)生兩個電壓，兩個電壓的相位差是90，且電壓的大小隨滑塊位置的改變而改變，因為繞組間的耦合是變化的，這種傳

14、感器的輸出電壓，在一定條件下是呈正弦變化的。在幾毫米的距離內(nèi)，其分辨能力可達(dá)23m。 32直線式感應(yīng)同步器 直線式感應(yīng)同步器33電感式速度傳感器 永久磁鐵相對于線圈移動，而線圈的感生電動勢是磁鐵運動速度及線圈尺寸的函數(shù)。 當(dāng)需要測量旋轉(zhuǎn)速度時可以采用直流或交流轉(zhuǎn)速表，其輸出電壓即直接與所測角速度成正比。 34電感式傳感器的應(yīng)用357.5 熱電傳感器 常用的熱電傳感器有熱電阻與熱電偶。 當(dāng)導(dǎo)體所處的環(huán)境溫度發(fā)生變化時，導(dǎo)體的電阻值也會隨著溫度的變化而變化，熱電阻傳感器就是根據(jù)這一特性來測量溫度的。在工業(yè)應(yīng)用中，熱電阻傳感器常被用來測量-200500范圍的溫度。溫度傳感器是實現(xiàn)溫度檢測和控制的重要

15、器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。36377.6光電傳感器 從紅外到紫外的譜范圍內(nèi)，都能用光轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量，在大多數(shù)情況下其測量都是非接觸式的，并且能在惡劣的環(huán)境（諸如超高溫和電磁干擾嚴(yán)重的場合）中工作。 電磁波譜38光電測量系統(tǒng) 由光電傳感器構(gòu)成的光電測量系統(tǒng)的主要組成部分有將其他能量轉(zhuǎn)換為光的光源、光傳輸介質(zhì)、能夠?qū)⑤斎胛锢砹康哪芰哭D(zhuǎn)換為對光能特性進(jìn)行修正的轉(zhuǎn)換器、監(jiān)測轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的光能特性變化的檢測器。 39光電探測器 光電探測器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)可分為三種不同的類型。在光的照射下，物體的電阻（或電導(dǎo)）發(fā)生變化的現(xiàn)象被稱為電導(dǎo)效應(yīng)或內(nèi)光電

16、效應(yīng)，相應(yīng)的元件有光敏電阻；在光的照射下，電子逸出物質(zhì)表面的現(xiàn)象被稱為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)，此類器件有光電管、光電倍增管等；在光的照射下，半導(dǎo)體PN結(jié)產(chǎn)生電動勢或光電流增加的現(xiàn)象被稱為光伏效應(yīng)，光電池、光敏二極管和光敏三極管都屬于光伏效應(yīng)的器件。 40光電探測器 熱敏光電探測器通過監(jiān)測入射的輻射熱在探測器中所產(chǎn)生的熱進(jìn)行工作。典型的裝置（例如電阻式輻射熱測量計或熱電偶）響應(yīng)波長范圍為0.330m，但其靈敏性較差、響應(yīng)時間長 。量子光電探測器利用入射光在探測器中產(chǎn)生電子空穴對來進(jìn)行工作。硅材料的量子光電探測器利用光電效應(yīng)或光導(dǎo)效應(yīng)工作。光電效應(yīng)是在PN結(jié)上產(chǎn)生一個電壓，而光敏效應(yīng)則是利用入射

17、能來改變材料的導(dǎo)電性能。 41光電效應(yīng)探測器 當(dāng)適當(dāng)波長的光線照射到如圖a)所示的PN結(jié)的耗盡層上時，會在PN結(jié)上產(chǎn)生一個正比于光強的電位差。 a)受光照的PN結(jié) b)光電特性 42光敏電阻 當(dāng)光線照射N型材料時，其導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化，這可以通過電橋來檢測 。對于一定波長的光線來說，在一層二氧化硅（SiO2）上加上特殊的材料就構(gòu)成了光敏電阻。常用的材料有銻化銦（InSb）（適合于波長為7m的光線）和硫化鎘（CdS）（適合于波長為0.7m的光線）。a) 結(jié)構(gòu) b) 用光敏電阻構(gòu)成的電橋 43光電池 光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的光電元件，許多材料都能制成光電池，但硅光電池由于其一系列的優(yōu)點用

18、得最多。硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它主要用于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)，形成一個大面積的PN結(jié)，當(dāng)PN結(jié)受到的照射光達(dá)到一定光強時，就會在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一定的電壓，即光生電動勢。44光電二極管 光電二極管一般處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射的時候，光電二極管的反向電阻很大、反向電流很小。

19、而當(dāng)光線照射到反向偏置PN結(jié)的耗盡層或耗盡層的附近時，耗盡層中會產(chǎn)生電子空穴對，偏置電壓和內(nèi)電場使電子和空穴運動而形成光電流。 a) 結(jié)構(gòu) b) 應(yīng)用45光電三極管（光敏晶體管） 光電三極管可以看成是一個光敏二級管與一個晶體管組成，兩管共用一個基極。光電二極管產(chǎn)生的反向電流成為三級管的基極電流，三級管將其相應(yīng)地放大。光電三級管由于有了放大功能，因此其靈敏性得到了提高。 a) 結(jié)構(gòu) b) 應(yīng)用46增量式直線編碼器 增量式直線編碼器通常利用莫爾條紋干涉帶進(jìn)行工作。在一塊長條型的光學(xué)玻璃上均勻地刻上明暗相間、寬度相等的線條，就構(gòu)成了一條光柵。光柵相對來說比較便宜，且分辨率能達(dá)到微米數(shù)量級 。把兩個相

20、同的光柵疊在一起，并使它們以一個角度相交，則會產(chǎn)生一個明暗相間的條紋，即莫爾條紋。利用光柵具有莫爾條紋的特性，可以通過測量莫爾條紋的移動數(shù)來測量兩個光柵的相對移動。 指示光柵和標(biāo)尺光柵組成光柵副。固定后者，前者安裝在運動部件上47位置式(絕對式)編碼器 位置式編碼器不像增量式編碼器，它不需要任何外部參照。在需要隨時了解物體確切位置的場合下，常用這種編碼器。但是，當(dāng)編碼器用于轉(zhuǎn)數(shù)超過一周時，就需要一個記錄轉(zhuǎn)數(shù)的計數(shù)器。 如圖a)所示為一個典型的采用雷格編碼（反射碼）的8位旋轉(zhuǎn)式位置編碼器，它比圖b)所示的二進(jìn)制編碼器更為優(yōu)越，因為二進(jìn)制編碼在任何變化時只有一位發(fā)生變化，這就有可能在變化時因錯讀位而產(chǎn)生誤差。 48實際編碼器的碼盤增