《機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)》 課件 第3章 傳感與檢測技術(shù)

第3章傳感與檢測技術(shù)3.1認(rèn)識傳感與檢測技術(shù)3.2常用傳感器及其應(yīng)用知識目標(biāo)：能力目標(biāo)：(1)?知道什么是傳感與檢測技術(shù)；(2)?掌握傳感與檢測技術(shù)的組成要素；(3)?熟悉常用傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)；(4)?了解傳感與檢測技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。(1)?初步具備識別機(jī)電一體化系統(tǒng)五要素的能力；(2)?能從機(jī)電一體化系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，分析機(jī)電設(shè)備的工作原理；(3)?會查閱設(shè)備相關(guān)技術(shù)資料。知識導(dǎo)入：

汽車儀表盤之所以能顯示溫度、轉(zhuǎn)速等多種車況信息，是因?yàn)槠囯娮涌刂葡到y(tǒng)上應(yīng)用了多種傳感器。

那么，什么是傳感與檢測技術(shù)呢？常見的傳感器主要有哪些類型？這些傳感器主要檢測哪些參量？它們常用于什么場合？希望通過下面的學(xué)習(xí)能得到解答。3.1認(rèn)識傳感與檢測技術(shù)1.什么是傳感與檢測技術(shù)1)什么是電測法

將采集到的各種非電量轉(zhuǎn)換為電量，然后再進(jìn)行處理，最后顯示或記錄非電量值。2）傳感器的定義

傳感器又稱“電五官”，即能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。

傳感器概念包含三個(gè)方面含義：(1)?傳感器是一種能夠完成提取外界信息任務(wù)的裝置。(2)?傳感器的輸入量通常指非電量

(3)?傳感器的輸出量與輸入量之間精確地保持一定規(guī)律。

傳感器的別稱:變送器、發(fā)送器、發(fā)信器、探頭等。這些提法反映了在不同的技術(shù)領(lǐng)域中，根據(jù)它們的用途使用了不同術(shù)語2.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)換電路三部分組成。（1）敏感元件

直接感受被測量，將被測量→確定關(guān)系的某一物理量。（2）傳感元件

將上述產(chǎn)生的某一物理量→電參量。（3）測量轉(zhuǎn)化電路

將電參量→便于測量的電信號3.傳感器的分類1)?按傳感器被測物理量分類

傳感器按被測物理量可分為溫度、壓力、流量、物位、位移、加速度、磁場、光通量等傳感器。這種分類方法明確表明了傳感器的用途。2)?按傳感器工作原理分類

傳感器按工作原理可分為電阻傳感器、熱敏傳感器、光敏傳感器、電容傳感器、電感傳感器、磁電傳感器等，這種方法表明了傳感器的工作原理。3)?按傳感器轉(zhuǎn)換能量供給形式分類

按轉(zhuǎn)換能量供給形式不同，可將傳感器分為能量變換型(發(fā)電型)和能量控制型(參量型)兩種。3.傳感器的分類4)?按傳感器工作機(jī)理分類

按工作機(jī)理不同，可將傳感器分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。

習(xí)慣上常把工作原理和用途結(jié)合起來命名傳感器，如電容式壓力傳感器、電感式位移傳感器等。3.2常用傳感器及其應(yīng)用1.溫度傳感器機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的溫度傳感器：

熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、集成溫度傳感器等。熱電阻傳感器熱電偶傳感器集成溫度傳感器3.2常用傳感器及其應(yīng)用1.溫度傳感器1)?熱電阻傳感器（1）熱電阻效應(yīng)

物質(zhì)的電阻率隨著溫度變化而變化的現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。（2）熱電阻傳感器。

根據(jù)熱電阻效應(yīng)制成的傳感器叫作熱電阻傳感器。

金屬熱電阻：簡稱熱電阻，由金屬導(dǎo)體制成。半導(dǎo)體熱電阻：簡稱熱敏電阻，由半導(dǎo)體材料制成。（3）熱電阻傳感器分類1)?熱電阻傳感器（4）熱電阻的特點(diǎn)

熱電阻主要用于中、低溫度(－200℃～650℃)范圍內(nèi)的溫度測量。熱電阻具有測量精度高，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫。（5）熱電阻的標(biāo)號

國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用鉑電阻的R0值(0℃時(shí)的電阻值)有10Ω、50Ω、100Ω等幾種，其相應(yīng)的分度號為Pt10、Pt50、Pt100等；銅熱電阻的R0值有50Ω、100Ω兩種，分度號分別用Cu50、Cu100表示。1)?熱電阻傳感器（6）熱電阻的應(yīng)用舉例

圖3-9為鉑電阻Pt100作為感溫元件的室內(nèi)溫度測量電路，包括電橋和放大電路及轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)溫度變化時(shí)，其阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生的電勢差經(jīng)放大器進(jìn)行放大，再加到A/D轉(zhuǎn)換器上，輸出的數(shù)字信號與微機(jī)或其他設(shè)備相連。1)?熱電阻傳感器（7）熱敏電阻的特點(diǎn)

熱敏電阻測量范圍一般在－40℃～350℃，用于各種溫度測量、溫度補(bǔ)償及要求不高的溫度控制場合。（8）熱敏電阻的分類

熱敏電阻按溫度系數(shù)可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。1)?熱電阻傳感器（8）熱敏電阻的分類

這三類熱敏電阻的電阻(Rt)—溫度(t)的特性曲線如圖3-10所示。

①?PTC熱敏電阻

電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高，溫度越高，電阻值越大。

突變型PTC熱敏電阻隨溫度升高到某一值時(shí)電阻急劇增大，如圖3-10中曲線3所示，其主要用作溫度開關(guān)。

緩變型PTC熱敏電阻，如圖3-10中曲線4所示，其主要用于在較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償或溫度測量。②?NTC熱敏電阻NTC熱敏電阻的電阻值隨溫度的增加而減小，即所謂負(fù)溫度系數(shù)。如圖3-10中曲線1所示。③CTR熱敏電阻(臨界溫度熱敏電阻)CTR熱敏電阻到達(dá)驟變溫度時(shí)，其電阻急劇下降，如圖3-10中曲線2所示。1)?熱電阻傳感器（9）熱敏電阻的使用場合

非常適用于家用電器、空調(diào)、復(fù)印機(jī)、電子體溫計(jì)、點(diǎn)溫度計(jì)、表面溫度計(jì)、汽車等產(chǎn)品中作為加熱元件的測溫控制。1)?熱電阻傳感器（9）熱敏電阻的使用場合

圖3-11為溫度報(bào)警電路。此電路中Rt為半導(dǎo)體熱敏電阻，溫度變化引起電阻變化，其電橋輸出電壓加至運(yùn)算放大器上，兩個(gè)晶體管根據(jù)放大器輸出電壓狀態(tài)處于導(dǎo)通和截止態(tài)。溫度升高時(shí)，阻值變小，VT1導(dǎo)通則VL1發(fā)光報(bào)警；溫度下降時(shí)，阻值變大，VT2導(dǎo)通則VL2發(fā)光報(bào)警；溫度不變時(shí)兩個(gè)晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管均不發(fā)光。1)?熱電阻傳感器1.溫度傳感器2)?熱電偶傳感器（1）熱電效應(yīng)

將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩結(jié)合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，則在該回路中就會產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

（2）熱電動(dòng)勢

熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為熱電動(dòng)勢。（3）熱電偶傳感器原理

兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫作測量端，又稱為工作端或熱端。另一端叫作冷端，又稱自由端或參考端。冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢，如圖3-12所示。2)?熱電偶傳感器（4）熱電偶傳感器定義

熱電偶傳感器(簡稱熱電偶)就是利用熱電效應(yīng)原理，將溫差轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢量的熱電動(dòng)勢傳感器。熱電偶，如圖3-13所示。（5）熱電偶傳感器特點(diǎn)

具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、精度高、熱慣性小、測溫范圍寬、測溫上限高、可測量局部溫度和便于遠(yuǎn)程傳送等優(yōu)點(diǎn)。2)?熱電偶傳感器

（6）熱電偶傳感器應(yīng)用舉例

圖3-14中由毫伏定值器給出設(shè)定溫度對應(yīng)的毫伏數(shù)，當(dāng)熱電偶測量的熱電勢與定值器輸出的數(shù)值有偏差時(shí)，說明爐溫偏離設(shè)定值，此偏差經(jīng)放大器放大后送到調(diào)節(jié)器，再經(jīng)晶閘管觸發(fā)器推動(dòng)晶閘管執(zhí)行器，從而調(diào)整爐絲加熱功率，消除偏差，達(dá)到溫控的目的。2)?熱電偶傳感器

集成溫度傳感器(溫度IC)的原理是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性進(jìn)行測溫。

集成溫度傳感器常見形式如圖3-15所示。3)?集成溫度傳感器1.溫度傳感器3.2常用傳感器及其應(yīng)用2.?電阻應(yīng)變式傳感器（1）應(yīng)變效應(yīng)

是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界作用下(如壓力等)，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化的現(xiàn)象。（2）應(yīng)變片使用方法

其一是將應(yīng)變片直接粘貼在被測試件上，測量應(yīng)力或應(yīng)變；其二是與彈性元件連用，測量拉力、壓力、位移、速度、加速度等物理量。（3）電阻應(yīng)變式傳感器組成：電阻應(yīng)變片+測量轉(zhuǎn)換電路2.?電阻應(yīng)變式傳感器（4）電阻應(yīng)變片的組成金屬絲電阻應(yīng)變片由敏感柵、基底、覆蓋層和引出線組成。（5）應(yīng)變片的分類2.?電阻應(yīng)變式傳感器金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片絲式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)來測量應(yīng)變。所謂壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料受應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。（6）壓阻效應(yīng)：

許多半導(dǎo)體材料和金屬材料一樣具有電阻應(yīng)變效應(yīng)，且電阻應(yīng)變效應(yīng)也是由幾何效應(yīng)和壓阻效應(yīng)組成的，所不同的是，半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別顯著。（7）測量轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)不同的要求，應(yīng)變電橋有不同的工作方式，

上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，單臂半橋工作方式的靈敏度最低。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量采用雙臂半橋或全橋的工作方式，這不僅是因?yàn)檫@兩種工作方式的靈敏度較高，還因?yàn)樗鼈兌季哂袑?shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)墓δ堋＃?）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用2.?電阻應(yīng)變式傳感器①測力傳感器（8）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用②壓力傳感器。

壓力傳感器主要用來測量流體的壓力。③

位移傳感器

應(yīng)變式位移傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應(yīng)變，然后通過應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變電橋，輸出正比于被測位移的電量。④

加速度傳感器

通過質(zhì)量塊與彈性元件的作用，可將被測加速度轉(zhuǎn)換成彈性應(yīng)變，從而構(gòu)成應(yīng)變式加速度傳感器3.?電渦流傳感器1）電渦流原理（1）電渦流

金屬導(dǎo)體在置于交變的磁場中時(shí)，導(dǎo)體表面會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的旋渦狀感應(yīng)電流稱為電渦流。（2）電渦流效應(yīng)

金屬導(dǎo)體在置于交變的磁場中時(shí)，導(dǎo)體表面會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，產(chǎn)生的旋渦狀的電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。（3）電渦流形成具備的兩個(gè)條件

形成電渦流必須具備兩個(gè)條件：存在交變磁場；導(dǎo)電體處于交變磁場中。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流傳感器。（4）電渦流傳感器的定義（5）電渦流傳感器的工作原理

電渦流傳感器線圈中通入高頻電流就產(chǎn)生磁場，這個(gè)磁場接近金屬物體時(shí)會在金屬物體中產(chǎn)生電渦流，渦流大小隨對象(物體)表面的距離而變化，該渦流變化反作用于線圈，通過檢測線圈的輸出即可反映出傳感器與被接近金屬間的距離。（觀看視頻）2）電渦流傳感器的應(yīng)用（1）電渦流傳感器的優(yōu)點(diǎn)

具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、線性范圍大、頻率響應(yīng)范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并能進(jìn)行非接觸測量。（2）電渦流傳感器的用途

電渦流傳感器的幾種典型應(yīng)用：位移測量、振動(dòng)測量、轉(zhuǎn)速測量、厚度測量、電渦流表面探傷。①

位移和振動(dòng)測量②

轉(zhuǎn)速測量③

厚度測量④

電渦流表面探傷測量（1）霍爾效應(yīng)4.霍爾傳感器

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)（2）霍爾元件

利用霍爾效應(yīng)做成的器件?；魻栐话悴捎镁哂蠳型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成。（3）霍爾傳感器

將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路以及穩(wěn)壓電源等制作在一個(gè)芯片上，通常稱這種芯片為集成霍爾傳感器，簡稱霍爾傳感器（4）霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)

無摩擦熱，噪聲??；裝置性能穩(wěn)定，壽命長，可靠性高；頻率范圍寬。（5）霍爾傳感器的應(yīng)用

①轉(zhuǎn)速測量②

微位移測量③

位置檢測

霍爾接近開關(guān)，又稱為無觸點(diǎn)開關(guān)。1）光纖

光纖通常由纖芯、包層、涂覆層及保護(hù)套組成。纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體；包層是玻璃或塑料等材料。5.?光纖傳感器

圖3-39光纖傳感器1—纖芯；2—包層；3—涂覆層；4—保護(hù)套2）光纖傳感器的三個(gè)組成部分

光纖傳感器一般由三部分組成，除光纖之外，還必須有光源和光探測器兩個(gè)重要部件。3）光纖傳感器的分類傳光型：非功能型光纖傳感器傳感型：功能型光纖傳感器（1）功能型光纖傳感器的定義：功能型傳感器利用了光纖本身具有的某種敏感功能。光纖一方面起傳輸光的作用，另一方面作為敏感元件，被測物理量的變化將影響光纖的傳輸特性，從而將被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?。?）非功能型光纖傳感器的定義：它是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的光信號。4）光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)

光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有靈敏度高、抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全、測量速度快、信息容量大、適用于惡劣環(huán)境、質(zhì)量輕、體積小、可繞曲、測量對象廣泛、復(fù)用性好、成本低等特點(diǎn)。5）光纖傳感器的應(yīng)用

（1）流體分析儀

井下流體通過地層探測針被引入出油管，光學(xué)傳感器用于分析出油管內(nèi)的流體。流體分析分光計(jì)則提供了原位井下流體的分析結(jié)果，并對地層流體的評估、改進(jìn)提供有效數(shù)據(jù)。（2）電路板標(biāo)志孔的檢測(3)?轉(zhuǎn)速傳感器1）光電編碼器的定義7.

光電編碼器

光電編碼器又稱為光電碼盤，是通過光電轉(zhuǎn)換把軸轉(zhuǎn)動(dòng)或角位移轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。2）光電編碼器的結(jié)構(gòu)光電編碼器主要由光源、編碼盤、光電檢測裝置組成。機(jī)器人定位視頻3）光電編碼器的分類（1）增量式光電編碼器（2）絕對式光電編碼器

增量式光電脈沖編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí),有相應(yīng)的脈沖輸出,其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)量的增減需借助后部的判向電路和計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。

絕對式光電編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí),有與位置一一對應(yīng)的代碼(二進(jìn)制、BCD碼等)輸出，從代碼大小的變更,即可判別正反方向和位移所處的位置,而無須判向電路。4）光電編碼器的特點(diǎn)

光電編碼器具有高精度、高分辨力、高可靠性及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是抗污染能力差，容易損壞。

增量式光電編碼器存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶，開機(jī)應(yīng)找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對式光電編碼器則可以解決。

絕對式光電編碼器具有斷電記憶功能。當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后,在開機(jī)重新測量時(shí),仍可準(zhǔn)確地讀出停電或關(guān)機(jī)位置的代碼。5）光電編碼器的應(yīng)用①位移檢測②轉(zhuǎn)速檢測編碼器的安裝位置編碼器接控制器光柵尺光柵尺的優(yōu)點(diǎn)6．光柵尺光柵尺是一種利用光柵的光學(xué)原理進(jìn)行工作的測量反饋裝置。高精度的數(shù)控機(jī)床上，目前大量使用光柵作為位移和角度的檢測反饋器件，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。1）光柵傳感器的分類

按形狀和用途可分為長光柵(又稱為直線光柵)和圓光柵兩種，前者用于直線位移測量，后者用于角位移測量。如圖3-44所示。光柵尺定義按光線的走向可分為透射光柵和反射光柵兩大類。

由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。

光柵副由標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光柵組成。

在長光柵中，固定標(biāo)尺光柵，將指示光柵安裝在運(yùn)動(dòng)部件上，兩者之間形成相對運(yùn)動(dòng)。2)光柵尺結(jié)構(gòu)莫爾條紋形成光柵尺的結(jié)構(gòu)1—標(biāo)尺光柵；2—指示光柵（2）莫爾條紋產(chǎn)生電脈沖

后繼電路只需對這種電脈沖信號進(jìn)行辨向和計(jì)數(shù)處理，就可知道指示光柵（即運(yùn)動(dòng)部件）的移動(dòng)方向和位移量了。（1）莫爾條紋的產(chǎn)生3）光柵尺的工作原理

和光電編碼器一樣也是讀電脈沖信號。其產(chǎn)生電脈沖的方法運(yùn)用了莫爾條紋。當(dāng)指示光柵沿x軸自左向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的亮帶和暗帶(a-a線和b-b線)將順序自下而上(圖中y方向)不斷掠過光敏元件，并且，光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，光強(qiáng)變化一個(gè)周期，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋間距B(B=W/sinW/)。這樣，光敏元件就能將亮帶和暗帶的光照強(qiáng)弱處理成高電平和低電平。1—標(biāo)尺光柵；2—指示光柵（3）莫爾條紋的作用

利用莫爾條紋的位移放大作用和誤差平均效應(yīng)，我們可以使用光柵對肉眼看不見的微位移進(jìn)行精密測量。4)光柵的應(yīng)用

光柵傳感器在數(shù)控設(shè)備中，用作位置檢測裝置，是伺服系統(tǒng)中重要的反饋器件。在光柵讀數(shù)頭中，安裝著一個(gè)指示光柵，當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上移動(dòng)，讀取位置信息。

它具有測量精度高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光柵尺的缺點(diǎn)是價(jià)格較昂貴，對工作環(huán)境要求較高,油污和灰塵會影響它的可靠性。5)光柵尺的特點(diǎn)作業(yè)1.說明增量式光電編碼器的工作原理。2.說明絕對式式光電編碼器的工作原理。3.