单元三机电一体系统传感检测技术

1、1任课老师：王慧萍任课老师：王慧萍Mechatronics 单元三单元三 机电一体化传感检测技术机电一体化传感检测技术3.1 3.1 传感器组成与分类传感器组成与分类3.2 3.2 典型常用传感器典型常用传感器3.3 3.3 传感器的选择方法传感器的选择方法3.4 3.4 传感器数据采集及其与计算机接传感器数据采集及其与计算机接口口学习目标学习目标 1.掌握传感器组成及工作原理掌握传感器组成及工作原理 2.熟悉传感器的分类熟悉传感器的分类 3.掌握常用传感器在工业中的应用掌握常用传感器在工业中的应用 4.掌握开关量、数字量、模拟量传感掌握开关量、数字量、模拟量传感器输出信号处理方法器输出信号处

2、理方法4汽车上的传感器汽车上的传感器5起重机械上的传感器起重机械上的传感器履带起重机各种电子秤安全检查门CNC机床内部功能构成实例 3.1 3.1 传感器组成与分类传感器组成与分类13 检测：检测：利用利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方将生产、科研生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。法赋予定性或定量结果的过程。相关知识相关知识图 自动检测系统原理框图人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较眼（视觉）眼（视觉）耳（听觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）鼻（嗅觉）皮肤（

3、触觉）皮肤（触觉）舌（味觉）舌（味觉）感知外界信息感知外界信息 大脑大脑 肌体肌体相关知识相关知识相关知识相关知识传感器传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等生物工程等多类型交叉学科多类型交叉学科，涉及传感检测，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技术综合技术。传感器技术是构成现代信息技术三大支柱之一三大支柱之一 。17 传感器：传感器：能够检测出自然界中的各种物理量能够检测出自然界中的各种物理量(或者化学量或者化学量)，并转换成相应非电量或电量的装置，又称为并转

4、换成相应非电量或电量的装置，又称为变送器、换能器变送器、换能器或探测器。或探测器。相关知识相关知识图 人与机器的机能对应关系图 传感器定义有以下含义传感器定义有以下含义它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检测装置；测装置；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；量、生物量等；能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，

5、主要是电物理量；是气、光、电物理量，主要是电物理量；传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。 按使用场合不同又称为：按使用场合不同又称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用：传感器功用：一感二传一感二传, ,即感受被即感受被测信息测信息, ,并传送出去。并传送出去。相关知识相关知识传感器的组成传感器的组成 辅助电源辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路被测量被测量电量电量敏感元件敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量

6、的元件。一物理量的元件。转换元件转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。路参量。基本转换电路基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。路），便可转换成电量输出。物理、化学、物理、化学、生物信息生物信息传感器的分类传感器的分类 物理型：物理型：化学型：利用电化学反应原理化学型：利用电化学反应原理 生物型：利用生物活性物质选择性生物型：利用生物活性物质选择性 结构型：取决于几何尺寸和形状结构型：取决于几何尺寸和形状物性型：取决于材料性质物性型：取决于材料性

7、质按按传感器的工作原理传感器的工作原理 按被测量按被测量温度、温度、 流量、流量、压力、湿度、浓度、力学量、磁学量、压力、湿度、浓度、力学量、磁学量、光学量、气体成分等光学量、气体成分等 根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号 根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器器 传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器器 按可变电参量：电阻型、电感型或电容型按可变电参量：电阻型、电感型或电容型 按传感器技术发展：聋哑传感器按传感器技术发展：聋哑传感器(Dumb Se

8、nsor)(Dumb Sensor)、智、智能传感器能传感器(Smart Sensor)(Smart Sensor)、网络化传感器、网络化传感器(Networked (Networked Sensor)Sensor)其他分类其他分类22表表3-1各种物理量的传感器各种物理量的传感器典型常用传感器典型常用传感器u位置传感器位置传感器按照是否为接触检测，位置传感器可分为接触式开关、非按照是否为接触检测，位置传感器可分为接触式开关、非接触式开关等。接触式开关包含封入式、微动开关、精密接触式开关等。接触式开关包含封入式、微动开关、精密式等极限开关式等极限开关;非接触式又分为接近开关和光电开关。非接触式

9、又分为接近开关和光电开关。24 1.极限开关极限开关(微动开关微动开关) 接触式极限开关主要用于极限位置的检测，当接触式极限开关主要用于极限位置的检测，当机械挡块撞击到极限开关滚轮上时，极限开关动机械挡块撞击到极限开关滚轮上时，极限开关动作。极限开关的外观和内部结构如作。极限开关的外观和内部结构如(a)外观外观;(b)接触形式接触形式:逆切换型逆切换型25 2.接近传感器接近传感器 接近传感器是接近传感器是一种非接触式位置传感器一种非接触式位置传感器，能够感知物体，能够感知物体的靠近，利用位移传感器对接近物体所具有的敏感特性，的靠近，利用位移传感器对接近物体所具有的敏感特性，达到识别物体靠近、

10、并输出开关信号的目的。达到识别物体靠近、并输出开关信号的目的。图图3-4舌簧传感器结构图舌簧传感器结构图图图3-5舌簧传感器的位置控制方法舌簧传感器的位置控制方法 3.光电传感器光电传感器 光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器，又称为光光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器，又称为光电开关。光电二极管是最常见的光电传感器。电开关。光电二极管是最常见的光电传感器。光电传感器一般由发光元件光电传感器一般由发光元件(发光二极管，即发光二极管，即LE D)和受光元件和受光元件(光敏光敏三极管三极管)组合构成。组合构成。图图3-6光电传感器的位置控制方法光电传感器的位置控制方法表表

11、3-23-2光电效应的种类光电效应的种类光电效应种类元件名称特点光电效应光电二极管、光敏三极管、太阳电池响应速度快一般波长频域较窄光导电效应CdS、CdSe、PbS元件响应速度慢，内部结构为阻性，容易作成接近于视觉感度的元件光电子发射效应光电管、光电子倍增管一般容量较大，所消耗功率较大 3.2.2 位移传感器位移传感器按照运动形态，位移传感器可分为按照运动形态，位移传感器可分为直线位移传感器和角位移传感器直线位移传感器和角位移传感器。直线式位移传感器主要有直线式位移传感器主要有差动变压器、电位器、光栅尺、光学式位移差动变压器、电位器、光栅尺、光学式位移测定装置测定装置等。角位移传感器主要有等。

12、角位移传感器主要有旋转编码器旋转编码器等。等。位移传感器还可以分为位移传感器还可以分为模拟式传感器和数字式传感器，模拟式传感器和数字式传感器，模拟式传感模拟式传感器输出是以幅值形式表示输入位移的大小，如电容式传感器、电感器输出是以幅值形式表示输入位移的大小，如电容式传感器、电感式传感器等式传感器等; ;数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少表示位移的大数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少表示位移的大小，如光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。光电编码盘的输小，如光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。光电编码盘的输出是一组不同的编码代表不同的角度位置。下面分别介绍模拟式位出是一组不同的编码代表不同

13、的角度位置。下面分别介绍模拟式位移传感器、数字式传感器的原理。移传感器、数字式传感器的原理。1.1.模拟式位移传感器模拟式位移传感器以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。 3.2.2 位移传感器位移传感器1.1.模拟式位移传感器模拟式位移传感器以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应原理电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。按其转换方式的不同，可分为化的一种结构型传感器。

14、按其转换方式的不同，可分为自感型和互自感型和互感型两感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。互感型种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。互感型又称为差动变压器式。又称为差动变压器式。(1)可变磁阻式电感传感器。主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。可变磁阻式电感传感器。主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。1-线圈线圈;2-铁心铁心;3-活动衔铁活动衔铁;4-测杆测杆;5-被测件被测件适用于适用于0. 001-1mm较小位移较小位移的测量的测量. (2)差动变压器式电感传感器。互感型电感传感器是差动变压器式电感传感器。互感型电感传感器是利用互感利用互感M的变化来反映被测量的变化。这

15、种传感的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。输出，该电压随被测量的变化而变化。(a),(b)工作原理工作原理;(c)输出特性输出特性 3.2.2 位移传感器位移传感器2.数字式位移传感器数字式位移传感器 数字式位移传感器有数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是等，它们的共同特点是利用利用自身的物理特征自身的物理特征，制成直线形和圆形结构的位移传感器

16、，输出信号，制成直线形和圆形结构的位移传感器，输出信号都是都是脉冲信号，脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。统计位移的尺寸。 (1)光栅位移传感器。光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直光栅位移传感器。光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种它的特点是测量精确高线光栅两种它的特点是测量精确高(可达可达1m )、响应速度快和量程范、响应速度快和量程范围大围大(一般为一般为12 m，连接使用可达到，连接使用可达到10m)等。等。1-光栅光栅;2-光栏板光栏板;3-光电接收元件光电接收元件;4-光源

17、光源光栅由标尺光栅和指光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体光刻密度相同，但体长相差很多长相差很多.什么是光栅？什么是光栅？ 由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件abW光栅栅距光栅栅距或或光栅常数光栅常数相关知识相关知识W条纹间距条纹间距W条纹间距条纹间距光电元件光电元件W如何测量微小位移量？如何测量微小位移量？ 光电元件光电元件光电元件感受光电元件感受的光强变化是的光强变化是否明显？否明显？ 条纹位置条纹位置方向不同方向不同条纹运动条纹运动方向不同方向不同尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与

18、移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长光栅防尘保护罩的内部为长光栅扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）透射式光栅透射式光栅透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定/PW数显表数显表X位移位移显示显示Y位移位移显示显示比较比较电路电路驱动驱动装置装置伺服伺服电动机电动机信号处理电路信号处理电路工作台工作台光栅光栅传感器传感器位置指令位置指令PcPe位置偏差位置偏差位置反馈位置反馈Pf数控机床的位置控制系统数控机床的位置控制系统

19、防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部典型常用传感器典型常用传感器u感应同步器感应同步器感应同步器主要是用在高精度数字显示系统或感应同步器主要是用在高精度数字显示系统或数控闭环系统中用以检测角位移或线位移信号数控闭环系统中用以检测角位移或线位移信号。例如高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无。例如高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高精度位置检测系统中。精度位置检测系统中。感应同步器种类 直线感应同步器：直线感应同步器：1

20、.1.标准型尺：标准型尺：2.2.窄型尺：窄型尺：3.3.超窄型尺：超窄型尺：4.4.带尺：带尺：5.5.组合尺：组合尺： 圆盘型感应同步器：圆盘型感应同步器： 按尺寸： 5吋；7吋；12吋按级数： 360级，720级另外还有一体型等等相关知识相关知识感应同步器的特点： 1.受环境条件的影响较小，抗干扰能力强。受环境条件的影响较小，抗干扰能力强。 2.精度较高。精度较高。 （最高可到（最高可到1微米和微米和1角秒）角秒） 3.长度较长，可接长。长度较长，可接长。 （最长到（最长到16米）米） 4.使用寿命长。使用寿命长。 5.接长安装调试不便，安装要求高。接长安装调试不便，安装要求高。 6.成

21、本相对较高。成本相对较高。相关知识相关知识典型常用传感器典型常用传感器u感应同步器感应同步器图图3-12感应同步器原理图感应同步器原理图直线型感应同步器直线型感应同步器由定尺和滑尺组由定尺和滑尺组 成，成，测量测量直线位移直线位移，用于用于闭环伺服系统闭环伺服系统。分别安装在机械设备的固定分别安装在机械设备的固定和运动部分，机械相对运动时，滑尺相对定和运动部分，机械相对运动时，滑尺相对定尺移动尺移动 定尺和滑尺绕组分布见图：定尺和滑尺绕组分布见图： 定定尺尺绕绕组组 滑尺绕组滑尺绕组 定尺绕组是连续的，其周期（T）是2毫米，均匀的分布在250毫米的长度上。 滑尺上两相绕组，分别称为正弦绕组(S

22、IN)和余弦绕组(COS) 当滑尺上的绕组加上交流激磁电压时，根据电磁感应原理，定尺上的连续绕组有感应电压输出，感应电压的幅度和相位与激磁电压有关，也与滑尺和定尺的相对位置有关。 通过检测定尺上的电压就能知道定滑尺之间的相对位置，我们的数显表就是通过这个原理来实现的。相关知识相关知识典型常用传感器典型常用传感器圆盘式感应同步器圆盘式感应同步器 其其转子转子相当于直线感应同步器的滑尺，相当于直线感应同步器的滑尺，定子定子相当于相当于定尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开定尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。节距。(a)定子定子;(b)转子转子u3.2.3 速度和加速度传感器速度和加速度传

23、感器直流测速机速度检测直流测速机速度检测 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的型的直流发电机直流发电机。根据定子磁极激磁方式的不同，直。根据定子磁极激磁方式的不同，直流测速机可分为流测速机可分为电磁式电磁式和和永磁式永磁式两种。如以电枢的结两种。如以电枢的结构不同来分，可分为构不同来分，可分为无槽电枢、有槽电枢、空心杯电无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。枢和圆盘电枢等。u3.2.3 速度和加速度传感器速度和加速度传感器光电式转速传感器光电式转速传感器光电式转速传感器将光电式转速传感器将速度速度的变化转变成的变化转变成光通量光通量

24、的变化，的变化，在通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量变化，在通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量变化，即利用光电脉冲变成电脉冲，光电转换元件的工作原即利用光电脉冲变成电脉冲，光电转换元件的工作原理是光电效应。理是光电效应。 光电效应 所谓光电效应就是指物体吸收光能后产生的电效应。可分为3类。（1）外光电效应外光电效应。它是指物质在光的照射下发生电子逸出的现象。如光电管,光电倍增管等。（2）内光电效应内光电效应。它是指材料在光的照射下发生电阻率变化的现象。如光敏电阻，光导管等。（3）光生伏特效应光生伏特效应。它是指物体在光的照射下，其内部产生一定电势的现象。如光敏二极管，光敏晶体管，光

25、电池等。相关知识相关知识工作原理工作原理它是由装在轴上的带孔或缝它是由装在轴上的带孔或缝隙的旋转盘（光电编码盘）隙的旋转盘（光电编码盘），光源，光接收器等组成，光源，光接收器等组成，输入轴与被测轴相连接。光输入轴与被测轴相连接。光源发出的光通过缝隙旋转盘源发出的光通过缝隙旋转盘照射到光敏器件上，使光敏照射到光敏器件上，使光敏器件感光并产生电脉冲。转器件感光并产生电脉冲。转轴连续转动，光敏器件就输轴连续转动，光敏器件就输出一系列与转速及带缝隙旋出一系列与转速及带缝隙旋转盘上缝隙数成正比的电脉转盘上缝隙数成正比的电脉冲数。在指示缝隙数一定的冲数。在指示缝隙数一定的情况下，该脉冲数和转速成情况下，该

26、脉冲数和转速成正比正比。光电式转速传感器原理图光电式转速传感器原理图（a）光线被遮住，接收器无信号）光线被遮住，接收器无信号 （b）光线未被遮住，接收器有信）光线未被遮住，接收器有信号号当带缝隙的旋转盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的相同，因此带缝隙旋转盘每转一周，光敏器件输出与之相等的电脉冲，根据测量时间内的脉冲数N就可测出测速为 n=60N/Zt式中，Z为带缝隙旋转盘上的缝隙数：n 为转速 电脉冲送入测量电路进行放大和整形后，再送入频率计显示。也即可专门设计一个计数器进行计数和显示工作原理工作原理特点：特点：1、光电转速传感器为非接触式转速表、光电转速传感器为非接触式转速表

27、光电转速传感器采用光学原理制造，属于非接触式转速测量仪表，它的测量距离一般可达200mm左右。光电转速传感器的测量无需与被测量对象接触，不会对被测量轴形成额外的负载，因此光电转速传感器的测量误差更小，精度更高。2、光电转速传感器的结构紧凑、光电转速传感器的结构紧凑光电转速传感器的结构紧凑，主要由投射光线部件、接收光线部件也就是光敏元件和放大元件等组成，因此光电转速传感器的体积设计小巧、内部结构精致，一般重量不会超过200g，非常便于使用者的携带、安装和使用。3、光电转速传感器的抗干扰性好、光电转速传感器的抗干扰性好光电转速传感器多采用LED作为光线投射部件，极少会出现光线停顿的情况，也不会存在

28、灯泡烧毁等故障危险。另外，光电转速传感器的光源都是经过特殊方式调制的，有极强的抗干扰能力，不会受普通光线的干扰。4、光电转速传感器的测量能力好、光电转速传感器的测量能力好光电转速传感器的可采用光纤封装，可于测量微小的物体，特别是微小旋转体的测量，特别适用于高精密、小元件的机械设备测量。光电转速传感器的运行稳定，有良好的可靠性，测量的精度较高，能满足使用者的测量要求。u3.2.3 速度和加速度传感器速度和加速度传感器加速度传感器加速度传感器工作原理：利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而工作原理：利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，间接度量造成的各种物理效应，

29、进一步转化成电量，间接度量被测加速度。最常用的有被测加速度。最常用的有应变式、压电式、电磁感应应变式、压电式、电磁感应式式等。等。 应变式传感器基本工作原理应变式传感器基本工作原理应变式传感器是将应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面应变片粘贴于弹性体表面或者或者直直接将应变片粘贴于被测试件上接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变。弹性体或试件的变形通过形通过基底和粘结剂基底和粘结剂传递给传递给敏感栅敏感栅，其电阻值发生，其电阻值发生相应的变化，通过转换相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流电路转换为电压或电流的变的变化，即可测量应变。化，即可测量应变。 若通过弹性体或试件把位若通过弹

30、性体或试件把位移、力、力矩、加速度、压移、力、力矩、加速度、压力等力等物理量物理量转换成转换成应变应变，则，则可测量上述各量，而做成各可测量上述各量，而做成各种种应变式传感器应变式传感器。 相关知识相关知识 压电式传感器的工作原理是利用某些介质材料压电式传感器的工作原理是利用某些介质材料的压电效应。的压电效应。u当某些材料受力作用而变形时，其表面会有当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。电荷产生，从而实现非电量测量。u压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围

31、广等特点，因此在各种动态力、特点，因此在各种动态力、 机械冲击与振动机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。面都得到了非常广泛的应用。相关知识相关知识某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应压电效应。当作。当作用力方

32、向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为转化为电能的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效顺压电效应应”。1. 压电效应及压电材料u3.2.3 速度和加速度传感器速度和加速度传感器1. 压电效应反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为化为机械能的现象称为“逆压电效应逆压

33、电效应”或或“电致伸缩电致伸缩效应效应”。1. 压电效应u石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。良的压电材料。u压电材料可以分为两大类：压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶压电晶体和压电陶瓷瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。u他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。较理想的压电材料。1. 压电材料并联方法两片压电晶片的负电荷集并联方法两片压电晶片的负电荷集中

34、在中间电极上，正电荷集中在两中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。电荷量输出信号。串联方法正电荷集中于上极串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信输出的信号和频率较高的信号。号。 下图是一种压电式加速度传感器的结

35、构图。它主要由下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 压电式加速度传感器压电式加速度传感器结构图结构图 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，此惯性力是加速度的函数， 即即 式中：式中：F质量块产生的惯性力；质量块产生的惯性力； m质量块的质量；质量块的质量

36、； a加速度。加速度。 与加速度与加速度a成正比。因此，测得加成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。速度的大小。 此时惯性力此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生作用于压电元件上，因而产生电荷电荷q，当传感器选定后，当传感器选定后，m为常数，为常数， 则传感器则传感器输出电荷为输出电荷为madFdq3333 u3.2.4 温度传感器温度传感器工作原理：工作原理：能感受温度并转换成可用输出信号的传感器测量方法测量方法接触式接触式非接触式非接触式工作原理工作原理膨胀式膨胀式电阻式电阻式热电式热电式辐射式辐射式 温度传感器按照用途可分为基准温度计和工

37、业温度计；按温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。输出方式分，有自发电型、非电测型等。 v温度测量分类温度测量分类u3.2.4 温度传感器温度传感器 CPUCPU散热风扇散热风扇低温时为蓝色低温时为蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色u3.2.4 温度传感器温度传感器u3.2.4 温度传感器温度传感器 热敏电阻器：热敏电阻器：是一种有代表性的接触式温度传感器。是一种有代表性的接触式温度传感器。它是一种半导体热敏元件，其电阻值随温度的变化而变化。它是一种半导体热敏元件，其电阻值随温度的变化而变化。其制作方法是以锰其制作方法是以锰(Mn),镍镍(

38、Nib)、钻、钻(Co )等金属氧化物为主要成分的半等金属氧化物为主要成分的半导体，在高温下烧结成陶瓷热敏电阻器。导体，在高温下烧结成陶瓷热敏电阻器。(a)珠形珠形;(b)片形片形表表3-3热敏电阻器的种类与特性热敏电阻器的种类与特性 一般不适合高精度测量，但在测温范围较小时，也可获一般不适合高精度测量，但在测温范围较小时，也可获得较好的精度，非常适合用于家用电器如：空调、复印机、得较好的精度，非常适合用于家用电器如：空调、复印机、电子体温计（常见的电子体温计基本上都是体积较小的珠粒电子体温计（常见的电子体温计基本上都是体积较小的珠粒状热敏电阻）等产品中作为测温元件。状热敏电阻）等产品中作为测

39、温元件。CTRCTR：自动控温和报警电路，构成热控制开关，温度低于某一个自动控温和报警电路，构成热控制开关，温度低于某一个温度温度/ /开，温度高于某一个温度开，温度高于某一个温度/ /关，恒温控制箱，中央空调可以关，恒温控制箱，中央空调可以用。用。PTCPTC：恒温控制装置，温度超过某一限定值，实现控制。彩色电恒温控制装置，温度超过某一限定值，实现控制。彩色电视机自动消磁装置；功率型视机自动消磁装置；功率型PTCPTC作为发热元件。作为发热元件。NTCNTC：构成热测量装置，或者温度补偿。构成热测量装置，或者温度补偿。v应用应用u3.2.4 温度传感器温度传感器热敏探头、引线和壳体热敏探头、

40、引线和壳体 MF12MF12型型TCTC热敏电阻热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻v热敏电阻结构形式热敏电阻结构形式u3.2.4 温度传感器温度传感器其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 MF58 型热敏电阻型热敏电阻 玻璃封装玻璃封装 NTC热敏电阻热敏电阻u3.2.4 温度传感器温度传感器带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻u3.2.4 温度传感器温度传感器贴片式贴片式NTCNTC热敏电阻热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 u3.2.4 温度传感器温度传感器 MF58MF58型（珠形）高精度负型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻温度系数热敏电阻MF5A-3MF5A-3

41、型热敏电阻型热敏电阻u3.2.4 温度传感器温度传感器1 1）电阻温度系数绝对值大，因而）电阻温度系数绝对值大，因而灵敏度高灵敏度高，测量线路简单，甚至不用，测量线路简单，甚至不用放大器便可输出几伏的电压；放大器便可输出几伏的电压；2 2）体积）体积小、小、重量重量轻、轻、热惯性热惯性小小；3 3）本身电阻值大，不需要考虑引线长度带来的误差，因而）本身电阻值大，不需要考虑引线长度带来的误差，因而适合远距离适合远距离测量测量；4 4）热敏电阻产品已经）热敏电阻产品已经系列化系列化生产，便于设计选用；生产，便于设计选用；5 5）工作寿命长，且）工作寿命长，且价格便宜价格便宜。热敏电阻特点热敏电阻特

42、点 优点优点：u3.2.4 温度传感器温度传感器1 1）非线性大非线性大，在电路上需要进行线性化补偿；，在电路上需要进行线性化补偿；2 2）稳定性稍差，有）稳定性稍差，有老化老化现象；现象；3 3）同一型号有）同一型号有3 35 5的的阻值误差阻值误差，常数，常数B B也有也有3 3左右误差，所以左右误差，所以一致性差，要互换时要进行挑选。一致性差，要互换时要进行挑选。缺点缺点：热敏电阻温度面板表热敏电阻温度面板表 热敏电阻热敏电阻 LCDLCD应用举例应用举例 大功率大功率PTCPTC热敏电阻可用在电吹风作为发热元件。热敏电阻可用在电吹风作为发热元件。 当温度升高时，其阻值升高，当温度升高时

43、，其阻值升高，从而达到自动限流保护的功能从而达到自动限流保护的功能。热敏电阻体温表及电路图热敏电阻体温表及电路图 热敏电阻用于热敏电阻用于CPUCPU的温度测量的温度测量 热敏电阻用于电热水器的温度控制热敏电阻用于电热水器的温度控制 铂热电阻器铂热电阻器 u3.2.4 温度传感器温度传感器工作原理基于工作原理基于热电阻效应。热电阻效应。 随着温度的增高，金属材料的电阻率随着温度的增高，金属材料的电阻率会随着发生变化，会随着发生变化，这个电阻率变化的比例我们用一个系数来表示，称为材料的这个电阻率变化的比例我们用一个系数来表示，称为材料的电阻温度系数电阻温度系数t t，这种现象我们就称为热电阻效应

44、。，这种现象我们就称为热电阻效应。 热电阻传感器的结构热电阻传感器的结构铂热电阻器铂热电阻器 薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻小型铂热电阻小型铂热电阻 防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻热电偶传感器和热电阻传感器的区别热电偶传感器和热电阻传感器的区别 工作原理工作原理 热电阻工作原理基于热电阻工作原理基于热阻效应热阻效应 热电偶工作原理基于热电偶工作原理基于热电效应热电效应 测温范围测温范围 热电阻测温范围热电阻测温范围铂：铂：-200850铜：铜：-50150热电偶测温范围广：热电偶测温范围广：-2601800v特性特

45、性 相同温度下，热电阻测温输相同温度下，热电阻测温输出信号大，容易测量。出信号大，容易测量。 热电阻感温部件尺寸较大，热电阻感温部件尺寸较大，反映较慢。反映较慢。热电偶热电偶u3.2.4 温度传感器温度传感器两种不同材料的导体组成两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动象称为热电效应，该电动势称为热电势。势称为热电势。 u3.2.5 红外线传感器红外线传感器红外传感器是红外传感器是利用利用红外线的物理性质红外线的物理性质来进行测量的来进行测量的传感器。红外线又

46、称红外光，它具有反射、折射、传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。散射、干涉、吸收等性质。一般由一般由光学系统、光学系统、 探测器、探测器、信号调理电路及显示单元信号调理电路及显示单元等组成。等组成。 双元热释电红外传感器双元热释电红外传感器u3.2.5 红外线传感器红外线传感器红外传感器是红外传感器是利用利用红外线的物理性质红外线的物理性质来进行测量的来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。散射、干涉、吸收等性质。一般由一般由光学系统、光学系统、 探测器、探测器、信号调理电路及显

47、示单元信号调理电路及显示单元等组成。等组成。 双元热释电红外传感器双元热释电红外传感器u3.2.5 红外线传感器红外线传感器分类分类根据红外线传感器的工作原理，大体上可根据红外线传感器的工作原理，大体上可以分为两种类型以分为两种类型:一种为一种为热型红外线传感热型红外线传感器器，另一种为，另一种为量子型红外线传感器量子型红外线传感器。热型红外线传感器的特点是热型红外线传感器的特点是:灵敏度和响灵敏度和响应速度均较低，波长带域较宽，可以在常应速度均较低，波长带域较宽，可以在常温下使用，使用时比较方便等。温下使用，使用时比较方便等。量子型红外线传感器则具有检测的灵敏量子型红外线传感器则具有检测的灵

48、敏度高，响应速度快等特点。度高，响应速度快等特点。111 热型红外线传感器利用了红外线的热效应热型红外线传感器利用了红外线的热效应，使传感元件受热而温度上升，因而使传，使传感元件受热而温度上升，因而使传感元件的电气性能发生变化，检测这一变感元件的电气性能发生变化，检测这一变化并转换成标准电信号输出。化并转换成标准电信号输出。 热型红外线传感器主要作为红外分光器使热型红外线传感器主要作为红外分光器使用。原理、特点及应用见表用。原理、特点及应用见表3-4u3.2.5 红外线传感器红外线传感器112u3.2.5 红外线传感器红外线传感器表表3-4热型红外线传感器的原理、特点及热型红外线传感器的原理、

49、特点及应用实例应用实例工作原理优点缺点应用举例热电动势（红外线-温度差-产生热电动势）无电源、机械强度大、直流相应、价格低敏感度比较小放射温度计、防灾、防盗、家用电器热电效应（红外线、温度变化-产生电荷）无电源、可高速响应、价格低振动影响、直流光不感应防灾、防盗、家用电器惰性气体的热膨胀（红外线-密封气体的体积膨胀-膜变位-光学检测）检测灵敏度高很容易损坏、价格高理化学仪器、分光光度仪电阻随温度变化（红外线-温度变化-电阻变化）机械强度大、直流响应需要电源放射计、分析仪特定气体的热膨胀（红外线-密封气体的体积膨胀-膜变位-电容量变化）高选择性不能用于全波长感应公害分析仪、过程控制红外线辐射温度

50、计外形红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度计红外线辐射温度计用于食品用于食品温度测量温度测量红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪2022-1-15115军用热成像传感器的效果军用热成像传感器的效果白亮处有一辆坦克白亮处有一辆坦克通过红外传感系统通过红外传感系统达到遥感的无人驾达到遥感的无人驾驶飞机驶飞机红外遥感反卫星系统核心红外遥感反卫星系统核心-红外传感器红外传感器对目标国家和地区的对目标国家和地区的资源状况的监视资源状况的监视 监视对方军事部署和监视对方军事部署和大规模的军事移动大规模的军事移动 可以帮助分析局部的可以帮助分析局部的地

51、形、资源状况，从地形、资源状况，从而帮助己方进行战术而帮助己方进行战术行动的方案判断行动的方案判断 第三代双波段红外传感坦克第三代双波段红外传感坦克生活中的应用 宝马夜视红外热成像系统 红外线遥控鼠标器：红外线遥控鼠标器：在机械式鼠标器底部有一个露出一部分的塑胶小球,当鼠标器在操作桌面上移动时,小球随之转动在鼠标器内部装有三个滚轴与小球接触,其中有两个分别是X轴方向和Y轴方向滚轴,用来分别测量X轴方向和Y轴方向的移动量,另一个是空轴,仅起支撑作用。拖动鼠标器时,由于小球带动三个滚轴转动,X轴方向和Y轴方向滚轴又各带动一个转轴(称为译码轮)转动译码轮两侧分别装有红外发光二极管和光敏传感器,组成光

52、电耦合器。光敏传感器内部沿垂直方向排列有两个光敏晶体管A和B。由于译码轮有间隙,故当译码轮转动时,红外发光二极管发 照相机中的红外线传照相机中的红外线传感器感器夜视功能夜视功能 索尼数码摄像机首创索尼数码摄像机首创了红外线夜视摄影功了红外线夜视摄影功能，能够在全黑环境能，能够在全黑环境下进行拍摄，甚至连下进行拍摄，甚至连肉眼也不能分辨清楚肉眼也不能分辨清楚的物体，现在也可以的物体，现在也可以清晰地拍摄下来。清晰地拍摄下来。 条形码扫描器条形码扫描器打印机打印机红外线轴套扫描器红外线轴套扫描器红外传感器应用在智能机器人中红外传感器应用在智能机器人中 随着时代和科技的发展，越来越多的智能产品出现在

53、我们的面前。我们之所以称它们智能，是因为他们拥有一个比较发达的 “大脑” 当然，这个大脑就是计算机。除了这个大脑以为，还有一个使它们具有智能化的重要原因就是在它们的内部拥有各式各样的内部信息传感器和外部信息传感器。这样就使得它们拥有人类一样的嗅觉，视觉，触觉，听觉等等。 右图是现在全世界非常著名的 QRIO机器人在打太极拳的图片124传感器传感器信号调理信号调理信号处理、信号处理、显示显示125 1 1）测试的对象、目的和要求）测试的对象、目的和要求 测量的对象；测量的对象； 目的；目的； 被测量的选择；被测量的选择； 测量范围；输入信号的最大值；测量范围；输入信号的最大值； 频带宽度；测试精

54、度要求；频带宽度；测试精度要求； 测量所需要的时间等。测量所需要的时间等。 2 2）传感器的特性）传感器的特性 静、动态特性指标；静、动态特性指标； 输出量的类型；输出量的类型； 校正周期；校正周期； 过载信号保护；过载信号保护； 配套仪器等。配套仪器等。.传感器选用注意事项传感器选用注意事项126 3 3）测试条件）测试条件 包括传感器的设置场所；包括传感器的设置场所； 环境环境 ( (温度、湿度、振动等温度、湿度、振动等) )； 测量时间；测量时间； 与其它设备的连接距离；与其它设备的连接距离； 所需功率等。所需功率等。 4 4）与购买和维护有关的事项）与购买和维护有关的事项 性价比；性价

55、比； 零配件的储备；零配件的储备； 售后服务与维修制度、保修时间；售后服务与维修制度、保修时间； 交货日期等。交货日期等。127 选择传感器时要考虑的事项很多，但无需满选择传感器时要考虑的事项很多，但无需满足所有的事项要求，应根据实际使用的目的足所有的事项要求，应根据实际使用的目的、指标、环境等，有不同的侧重点。、指标、环境等，有不同的侧重点。 例如，长时间连续使用的传感器就必须重例如，长时间连续使用的传感器就必须重视经得起时间考验等长期稳定性问题；视经得起时间考验等长期稳定性问题； 而对机械加工或化学分析等时间比较短的工而对机械加工或化学分析等时间比较短的工序过程则需要灵敏度和动态特性较好的

56、传序过程则需要灵敏度和动态特性较好的传感器。感器。 为了提高测量精度，应注意以平常使用时的为了提高测量精度，应注意以平常使用时的显示值要在满刻度的显示值要在满刻度的5050左右来选择测定范左右来选择测定范围或刻度范围。围或刻度范围。 选择传感器的响应速度，目的是适应输入信选择传感器的响应速度，目的是适应输入信号的频带宽度。号的频带宽度。 合理选择设置场所，注意安装方法，了解传合理选择设置场所，注意安装方法，了解传感器的外形尺寸、重量等。感器的外形尺寸、重量等。128 选用传感器需要注意的几点注意事项中，比较重要的一点就是必须对所选传感比较重要的一点就是必须对所选传感器的性能特点有足够的了解器的

57、性能特点有足够的了解。 如果仅仅是简单的应用，则可以通过对传感器的性能指标性能指标的了解来选择传感器； 若应用要求较高，环境复杂，则还需要从传感器的原理等方面对传感器的性能进行考察，如从传感器的工作原理工作原理出发，分析被测物体中可能会产生的负载效应等问题，以确定选择哪一种传感器最合适。 如何根据如何根据测试目的测试目的和和实际条件实际条件，正确合理地选用传，正确合理地选用传感器，需要认真考虑以下六个问题：感器，需要认真考虑以下六个问题： 灵敏度；灵敏度； 响应特性；响应特性； 线性范围；线性范围； 稳定性；稳定性； 精确度；精确度； 测量方式。测量方式。 传感器的选用原则传感器的选用原则u灵

58、敏度灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下问题。器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下问题。 当传感器的当传感器的线性工作范围线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，难以保证传感器的输入在线性区域内工作。过高的灵敏度，声越大，难以保证传感器的输入在线性区域内工作。过高的灵敏度，影响其适用的测量范

59、围，应要求传感器的信噪比愈大愈好。影响其适用的测量范围，应要求传感器的信噪比愈大愈好。 当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好，而向灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度横向灵敏度愈小愈好；如果被测量是二维或愈小愈好；如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度交叉灵敏度愈小愈好。愈小愈好。 传感器的选用原则传感器的选用原则131u响应特性响应特性 传感器的传感器的响应特性响应特性是指，在所测是指，在所测频率范围频率范围内，保持内，保持不失真不失真的的测量条件。但实际

60、上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，测量条件。但实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望但总希望延迟的时间延迟的时间越短越好。越短越好。 一般一般物性型传感器物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器如利用光电效应、压电效应等传感器)响响应时间短，工作频率宽；而应时间短，工作频率宽；而结构型传感器结构型传感器，如电感、电容、磁，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响、机械系统惯性质量的电等传感器，由于受到结构特性的影响、机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。限制，其固有频率低，工作频率范围窄。 在在动态测量动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接