傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)選擇與設(shè)計(jì)

傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)選擇與設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)概述一、傳感器的定義與概述1、傳感器的涵義

傳感器（TransducerorSensor），有時(shí)亦稱為換能器、變換器、變送器或探測(cè)器，是指能夠把規(guī)定的被測(cè)量（物理量、化學(xué)量、生物量等）按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)（常為電量，如電壓、電源、頻率、脈沖等）的器件或裝置。其主要特征是能夠感知和檢測(cè)某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。第二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日2、傳感器的應(yīng)用

在自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器是感受外界信息的關(guān)鍵部件，相當(dāng)于人的感覺(jué)器官，因而有極其重要的作用，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有決定性的影響。任何自動(dòng)化系統(tǒng)都離不開(kāi)和外界的信息交換，沒(méi)有傳感器，這些系統(tǒng)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)任何功能。系統(tǒng)自動(dòng)化的程度越高，對(duì)傳感器的要求就越高。各發(fā)達(dá)國(guó)家都將傳感器列為優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)而倍加重視。傳感器技術(shù)、傳輸技術(shù)（通訊）和處理技術(shù)（計(jì)算機(jī)）并稱為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)。傳感器技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、航空航天、軍事工程、機(jī)器人、資源探測(cè)、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療診斷、家用電器等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。第三頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日第四頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日第五頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日

檢測(cè)系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中的重要組成部分，它包括傳感器及其（信號(hào)）檢測(cè)電路。用于實(shí)現(xiàn)計(jì)測(cè)功能。二、檢測(cè)系統(tǒng)的功用、組成及基本要求傳感器

傳輸、存儲(chǔ)運(yùn)算、放大……信號(hào)處理控制裝置顯示記錄被測(cè)物理量（非電量）一次儀表二次儀表電信號(hào)圖檢測(cè)系統(tǒng)的組成

（一）檢測(cè)系統(tǒng)的功用及組成1、何謂檢測(cè)系統(tǒng)2、檢測(cè)系統(tǒng)的組成第六頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（二）基本要求

1、精度、靈敏度和分辨率高，能滿足機(jī)電系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)精度和速度要求；

2、線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好，工作可靠；

3、靜、動(dòng)態(tài)性能好，測(cè)量范圍大；

4、抗干擾能力強(qiáng)；

5、其它（體積小、重量輕、價(jià)格便宜、便于維護(hù)和安裝，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等）。第七頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日三、傳感器的分類與選用（一）分類1、若按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類第八頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日2、按傳感器的用途基本被測(cè)物理量派生物理量位移線位移長(zhǎng)度、位置、厚度、振幅、應(yīng)變、磨損等角位移角度、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角等速度線速度移動(dòng)、振動(dòng)、動(dòng)量、流量等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)、角動(dòng)量、角振動(dòng)等加速度線加速度沖擊、振動(dòng)、質(zhì)量、力、應(yīng)力等角加速度角沖擊、角振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、力矩、轉(zhuǎn)矩等力、壓力重力、密度、推力、力矩、轉(zhuǎn)矩、聲壓、應(yīng)力等溫度熱量、比熱容等濕度水分、露點(diǎn)等表基本被測(cè)物理量及其對(duì)應(yīng)的派生物理量第九頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（二）選用選用傳感器需從以下幾個(gè)方面考慮（并注意表4.21和4.22）。

1、檢測(cè)要求和條件；

2、傳感器性能；

3、使用條件。注：①用戶需根據(jù)使用要求按其主要性能參數(shù)，如測(cè)量范圍、精度、分辨力、靈敏度等選用即可（對(duì)傳感器的性能指標(biāo)，應(yīng)確保主要性能指標(biāo)，而放寬次要指標(biāo)，使其更適用）。②所選用的傳感器多數(shù)已由生產(chǎn)廠家配好轉(zhuǎn)換放大控制電路而不需要用戶設(shè)計(jì)，除非選不到合適的才自己選用傳感器的靈敏元件并設(shè)計(jì)與此相匹配的轉(zhuǎn)換測(cè)量電路。第十頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（一）光－電轉(zhuǎn)換

入射光照射到PN結(jié)上時(shí)，使PN結(jié)的正向壓降發(fā)生變化，利用這個(gè)特性制作光敏二極管和光敏三級(jí)管，使光轉(zhuǎn)換為電壓變量。同樣，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，使電阻發(fā)生變化，它將光轉(zhuǎn)換為半導(dǎo)體材料的電阻（或電導(dǎo)）變量。四、傳感器的轉(zhuǎn)換原理第十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（二）熱－電轉(zhuǎn)換

將半導(dǎo)體材料或?qū)w加熱或冷卻，使它的電阻發(fā)生變化，應(yīng)用這個(gè)效應(yīng)制作熱敏電阻。它將熱轉(zhuǎn)換為電阻變量。第十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（三）力－電壓轉(zhuǎn)換

外力作用在電阻應(yīng)變片上，組成電橋的四個(gè)電阻的阻值發(fā)生變化，R1、R2電阻增大，而R3、R4阻值減小，使電橋失去平衡，有信號(hào)輸出；輸出電壓與壓力呈線性關(guān)系。應(yīng)用力－電轉(zhuǎn)換原理制作力傳感器，其線路圖如圖所示。第十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（四）力－電荷轉(zhuǎn)換

外力作用在壓電晶體（鈮酸鋰、石英晶體等）上時(shí)，使其表面產(chǎn)生電荷或電壓變化。根據(jù)這個(gè)原理制作壓電傳感器，它將應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電荷Q或電壓U變量，如圖所示。第十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（五）磁－電轉(zhuǎn)換

線圈內(nèi)磁芯作上下移動(dòng)，磁路中磁阻發(fā)生變化，利用這個(gè)效應(yīng)制作磁阻傳感器。它將磁轉(zhuǎn)換為交流電壓的變化，如圖所示。

電容傳感器是由介質(zhì)及被介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)電極組成的，變化電極間的距離或者改變兩級(jí)間的介質(zhì)都可引起電容量的變化。電容傳感器將所測(cè)變量轉(zhuǎn)換為電容變量，如圖所示。第十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（六）氣體－電阻轉(zhuǎn)換氧化物半導(dǎo)體材料，如SnO2、ZnO、Fe2O3等，當(dāng)其接觸氣體時(shí)，使其表面（或體內(nèi)）電阻變化，如圖所示。利用這種特性制造各種氣體傳感器，用來(lái)檢測(cè)一些氣體，它廣泛用于礦井、工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域。它將氣體轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)了氣－電轉(zhuǎn)換。第十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（七）濕度－電阻轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體陶瓷（MgCr2O4－TiO2）材料或多孔性絕緣薄膜Al3O3（SiO2）制作在襯底材料，如圖所示，當(dāng)它接觸濕度環(huán)境時(shí)，吸附水汽，使其電阻發(fā)生變化；利用這種特性制作濕度傳感器。它將濕度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)了濕度－電阻轉(zhuǎn)換。第十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日五、傳感器技術(shù)的發(fā)展方向隨著信息和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳感器的發(fā)展方向主要有：（1）新原理（2）新工藝（3）新材料（4）智能化第十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)傳感器的檢測(cè)電路及其與微機(jī)接口敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路電量被測(cè)量圖傳感檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成一、傳感器的檢測(cè)電路（一）傳感檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成第十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日1、模擬型測(cè)量電路2、數(shù)字型測(cè)量電路3、開(kāi)關(guān)型測(cè)量電路4、轉(zhuǎn)換電路

(1)電橋

(2)放大電路

(3)調(diào)制與解調(diào)電路

(4)模/數(shù)(A/D)與數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換電路（二）常見(jiàn)的檢測(cè)電路第二十頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日二、傳感器的微機(jī)接口接口方式基本方法模擬量接口方式傳感器輸出信號(hào)→放大→采樣/保持→模擬多路開(kāi)關(guān)→A/D轉(zhuǎn)換→I/0接口→微機(jī)開(kāi)關(guān)量接口方式開(kāi)關(guān)型傳感器輸出二值式信號(hào)(邏輯1或O)→三態(tài)緩沖器→微機(jī)數(shù)字量接口方式數(shù)字型傳感器輸出數(shù)字量(二進(jìn)制代碼、BCD碼、脈沖序列等)→計(jì)數(shù)器→三態(tài)緩沖器→微機(jī)（一）傳感器與微機(jī)的三種基本接口第二十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（二）模擬量輸入方式與基本元件（1）單通道直接型

最簡(jiǎn)單的形式。只用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器及緩沖器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并輸入微機(jī)。受轉(zhuǎn)換電壓幅度與速度的限制，應(yīng)用范圍窄。1、四種輸入方式（根據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換、輸入的精度、速度和通道等因素確定）第二十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（2）多通道一般型

依次對(duì)每個(gè)模擬通道進(jìn)行采樣保持和轉(zhuǎn)換，節(jié)省元、部件。速度低，不能獲得同一瞬時(shí)的各通道的模擬信號(hào)第二十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（3）多通道同步型各采樣/保持同時(shí)動(dòng)作，可測(cè)得在同一瞬時(shí)各傳感器輸出的模擬信號(hào)第二十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（4）多通道并行輸入型

各通道直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換,送入微機(jī)或信號(hào)通道。靈活性大，抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)可采用采樣/保持或不同精度的ADC第二十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日2、基本組成元件圖傳感器與微機(jī)的連接

（1）輸入放大器（2）抗頻混濾波器（3）采樣保持電路（4）模擬多路開(kāi)關(guān)（5）A/D轉(zhuǎn)換器及其與微機(jī)的連接第二十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日

在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，控制系統(tǒng)的控制對(duì)象主要是伺服驅(qū)動(dòng)單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，受控變量通常是機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)（位移、速度、加速度、力、運(yùn)動(dòng)軌跡，以及機(jī)器操作和加工過(guò)程參數(shù)等）。這些參數(shù)可以用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、光柵、磁柵、編碼器等來(lái)檢測(cè)，這些傳感器所獲得的信息，在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中可用于數(shù)字顯示或誤差補(bǔ)償，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中作為反饋信息（與給定指令值比較后來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制）。第三節(jié)機(jī)械量檢測(cè)傳感器及應(yīng)用簡(jiǎn)介第二十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日一、位置檢測(cè)傳感器

（一）接觸式傳感器原理結(jié)構(gòu)圖第二十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（二）非接觸式傳感器金屬體高頻振蕩電路檢波電路波形整形電路輸出電路高頻振蕩式接近開(kāi)關(guān)原理示意圖1、高頻振蕩式接近開(kāi)關(guān)第二十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日2、靜電電容式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體高頻振蕩電路檢波電路整形電路輸出電路電極板（檢測(cè)頭）靜電電容式接近開(kāi)關(guān)原理示意圖第三十頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日3、光電傳感器光耦合器的圖形符號(hào)第三十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日二、位移與角度檢測(cè)傳感器（一）電位差計(jì)RCV0r(θ)a）電位差計(jì)原理示意圖b）位移傳感器c）角位移傳感器圖電位差計(jì)原理示意圖第三十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（二）差動(dòng)變壓器1－線圈架2、5－二次線圈3－一次線圈4－鐵心6－測(cè)桿圖差動(dòng)變壓器位移計(jì)原理第三十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（三）磁尺第三十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（四）光柵位移測(cè)量裝置圖（透射）光柵的工作原理第三十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（五）編碼器1、基本類型（1）增量式：由于增量式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低、精度易于保證等優(yōu)點(diǎn)，目前采用最多，多用于計(jì)數(shù)；第三十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日

（2）絕對(duì)式絕對(duì)式能直接給出對(duì)應(yīng)與每一個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，但當(dāng)進(jìn)給轉(zhuǎn)數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí)，需作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個(gè)以上的編碼器連接起來(lái)，組成多級(jí)檢測(cè)裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。第三十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日2、編碼器關(guān)聯(lián)設(shè)備（1）連軸節(jié)（注意幾種常見(jiàn)的連接方式）用以連接轉(zhuǎn)體的軸與光電編碼器的軸。連軸節(jié)有板式連軸節(jié)和波紋管連軸節(jié)等。（2）數(shù)顯表 在LED數(shù)顯表里，BCD信號(hào)、脈沖以及編碼器信號(hào)均可直接顯示。同時(shí)采用CPU組合、數(shù)顯表并行輸出使用途更為廣泛。（3）BCD變換器 通過(guò)該變換器可把增量式編碼器信號(hào)變換為BCD碼信號(hào)。（4）f-V變換器 該裝置可將單位時(shí)間輸入的脈沖數(shù)按比例變換為電壓數(shù)值，即當(dāng)需要將編碼器的輸出脈沖數(shù)變化為電壓值時(shí)使用。（5）驅(qū)動(dòng)器和接收器 驅(qū)動(dòng)器將編碼器信號(hào)放大，并被指定接收器接收。第三十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日3、應(yīng)用舉例（車(chē)螺紋）光電編碼器用于數(shù)控機(jī)床的簡(jiǎn)圖第三十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D車(chē)螺紋控制示意圖a）（1）常規(guī)機(jī)床加工螺紋式中，

i絲杠——絲杠的調(diào)節(jié)量；

S（I）——要求的移動(dòng)速度；

t——為已知量。第四十頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（2）數(shù)控機(jī)床加工螺紋 時(shí)間常數(shù)：其中，Nr——主軸每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)；

δ——脈沖當(dāng)量；

S——被加工螺紋的導(dǎo)程。圖車(chē)螺紋控制示意圖b）第四十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（六）感應(yīng)同步器1、應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來(lái)測(cè)量（角）位移的高精度元件，有直線式和圓盤(pán)式兩類（檢測(cè)直線位移和角位移）；2、直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。U02τ0.5τ250mm定尺x正弦勵(lì)磁A繞組sin余弦勵(lì)磁B繞組cos滑尺圖感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖第四十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日三、速度與角速度的測(cè)量（一）測(cè)速發(fā)電機(jī)

圖測(cè)速發(fā)電機(jī)第四十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（二）電機(jī)反電勢(shì)檢測(cè)法圖電機(jī)反電勢(shì)測(cè)量第四十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日四、加速度傳感器圖力型加速度計(jì)原理示意圖圖采用微機(jī)測(cè)量加速度系統(tǒng)第四十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日五、力和壓力傳感器（一）應(yīng)變片圖金屬絲應(yīng)變電阻圖金屬絲應(yīng)變片第四十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（二）載荷傳感器圖測(cè)力傳感器第四十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日（三）壓力傳感器圖擴(kuò)散硅壓力傳感器第四十八頁(yè)，共五十