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文档简介

1、cn地址:北京市海淀区中关村南大街 9 号理工科技Tel:1312 室Fax:-12目录一、传感器测量原理11电阻式传感器11.1 电阻式传感器原理11.2 电阻式传感器测量电路1电感式传感器22.1 电感式传感器测量原理22.2 电感式传感器测量电路3热电式传感器43.1 热电式传感器测量原理43.2 热电式传感器测量原理4谐振式传感器541 谐振式传感器测量原理5压电式传感器65.1 压电式传感器测量原理65.2 压电式传感器测量基本电路6磁电式传感器76.1 磁电式传感器测量原理76.2 磁电式传感器结构形式7光电式传感器8234567717273光电式传感器测量原理8模拟式光电传感器9

2、开关式光电式传感器108气敏式传感器118.1 气敏式传感器测量原理118.2 气敏式传感器测量基本电路12电容式传感器129.1 电容式传感器测量原理129.2 电容式传感器测量基本电路12超声波传感器1510.1 超声波传感器测量原理1510.2 超声波传感器测量电路17910二、主要被测物理量及选型181传感器选型181112131415161718介质的特性18工作的温度范围18所测的量程19安装接口形式19工作环境19需要多大的精度19需要得到怎样的输出信号19选择怎样的电源电压201.9 工作后需要保持稳定度时漂201.10 用户方需要考虑传感器的互换性20度传感器选型202212

3、223242526272829210工作环境20测量轴数量20度量程20灵敏度要求21所测动态信号的带宽21线性度21最大抗冲击能力21稳定性指标21机械安装固定21传感器输出213角速度传感器选型2231323334353636373839工作环境22测量轴数量22角速度量程22刻度因子及刻度因子稳定性22偏置及偏置稳定性22所测信号的带宽22线性度23冲击存活率23度灵敏度23机械安装固定234温度传感器选型23414243444546传感器的结构23温度测量范围和灵敏度24线性度24响应时间24稳定性24互换性245湿度传感器选型255152535455565.758选择测量范围25测量

4、精度25时漂25温漂26线性度和灵敏度26互换性26使用环境26信号传输266流量传感器选型27616263流体介质的性质27机械结构及安装27流量测量范围276465666768流量测量精确度27阻力损失系数28输出信号28环境条件28防爆等级287 力传感器选型2871727374757677787. 9结构、形式的选择28量程的选择28非线性29迟滞误差29蠕变量29重复性误差的选择29灵敏度29安全极限负荷29工作温度29三、传感器与信号调理30四、传感器主要参数举例301234567传感器30度传感器31角速度传感器31温度传感器32湿度传感器32流量传感器33力传感器34五、传感器

5、选型举例34123传感器选型34度传感器选型36温度传感器选型37测试测量系统的基本构成模式通常是:传感器+信号调理+卡,传感器选型往往是构建测试测量系统首先要考虑的。传感器种类繁多,按照测量物理量的不同可以分为力传感器、温度传感器、速度传感器、角度传感器、位置传感器等等;按照传感器工作机理的不同又可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、热电式传感器、光电式传感器、电磁式传感器等等。下面就从原理、应用和选型等方面予以简单介绍。一、传感器测量原理1电阻式传感器11 电阻式传感器原理电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转化成电阻值的变化,再经过转换电路变成电量输出。根据传

6、感器组成材料变化或传感器原理变化,产生了各种各样的电阻式传感器,主要包括压敏式传感器、热敏传感器、光敏传感器、湿敏传感器。电阻传感器可以测量力、位移、应变、度和温度等非电量参数。电阻式传感器结构简单,性能稳定,灵敏度较高,有的还可用于动态测量。12 电阻式传感器测量电路以典型的固态压阻式传感器为例,硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时,其内部原子结构的电子能级状态会发生变化,从而导致其电阻率剧烈变化。用此材料制成的电阻也就出现极大变化,这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理,采用集成工艺技术经过掺杂、扩散,沿单晶硅片上的特点晶向,制成应变电阻,构成惠斯登电桥(Wheatstone br

7、idge),利用硅材料的弹性力学特性,在同一片硅材料上进行各向异性微加工,就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。 再给传感器匹配一个放大电路及相关部件,使之输出一个标准信号,就组成了一台完整的变送器。图 1硅压阻式传感器结构及等效原理图图 2恒流驱动典型电路硅压阻式传感器一般对温度比较敏感,但随着集成工艺技术的进步,扩散硅敏感膜的四个电阻一致性也得到进一步提高,而且在新一代的传感器中,原始的手工补偿已被激光调阻、计算机自动修调等技术所替代,传感器的温度系数已经非常小了,工作温度范围也大幅度提高了。2电感式传感器21 电感式传感器测量原理当一金属物体接近模拟传感器的感应面时使模拟

8、传感器LC 振荡量衰减,利用这一点的变化量,转换为电流输出量,输出电流的大小,直接和金属物体与传感器感应面之间距离远近成正比例关系。电感式传感器主要用于测量位移与尺寸,也可测量能转换成位移变化的其他参数,如力、张力、压差、振动、应变、转矩、流量、比重等。电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮测速等,该类传感器广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测,链输送带的速度和距离检测,齿轮龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。另外该类传感器还可用在给料管系统中小物体检测、物体喷出控制、监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等 。22 电感式传感器测量电路以互感式传感器为例,互感式

9、传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。其原理类似于变压器。不同的是:后者为闭合磁路,前者为开磁路;后者初、次级间的互感为常数,前者初、次级间的互感随衔铁移动而变,且两个次级绕组按差动方式工作,因此又称为差动变压器。一般采用反串电路和桥路两种。反串电路是直接把两个二次线圈反向串接(如:图 3)。这种情况下空载输= E21 - E22出电压等于二次侧线圈感应电动势之差,即:U 0桥路(如:图 4)所示:其中R1,R2 是桥臂电阻,Rw 是供调零用的电位器。设R1R2,则输出电压:图 3 二次线圈反串电路图 4 差动变压器使用的桥路3热电式传感器31 热电式传感器测量原理热电式传感器是

10、一种将温度变化转换为电量变化的装置。在各种热电式传感器中,把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为电势的热电式传感器叫热电偶,将温度转换为电阻值的热电式传感器叫热电阻。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类,前者简称热电阻,后者简称热敏电阻。热电偶传感器在温度测量中应用极为广泛,因为它结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高。32 热电式传感器测量原理以铂电阻式温度传感器为例,温度的测量与控制主要取决于温度的测量精度,为保证精度,铂电阻式温度测量电路,一般采取面措施:1、测量电路中的传感器采用三线制接法;2、选用高精度低漂移运算放大器 OP07 作为运算

11、放大电路;3、测量电路采用恒流源供电。图 5铂电阻式温度传感器测量电路4谐振式传感器41 谐振式传感器测量原理利用谐振子振动频率、相位和幅值作为敏感信息的参数,自身为周期信号输出,再用简单的数字电路转换为微处理器容易接受的数字信号,从而达到对等的测量。主要用于测量、度测量。图 6谐振式传感器测量原理5压电式传感器51 压电式传感器测量原理压电效应:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上

12、施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。压电式度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛 的应用,特别是航空和宇航领域中更有它不可替代的作用。52 压电式传感器测量基本电路压电式传感器测量电路基于电荷放大器原理,电荷放大器实质上是负反馈放大器,它的基本电路(如:图 7)所示。图 7 电荷放大器基本电路图6磁电式传感器61 磁电式传感器测量原理磁电式传感器简称感应式传感器,也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势,是一种机-电能量变

13、换型传感器,不需要外部供电电源, 电路简单,性能稳定,输出阻抗小,又具有一定的频率响应范围(一般为 101000Hz),适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的和重量都较大。按工作原理不同,磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式,即动圈式传感器和磁阻式传感器。62 磁电式传感器结构形式根据这一原理,可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式,构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。图 8 所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。其中磁铁 1(俗称“磁钢”)与线圈 4 均固定,动铁心 3(衔铁)的运动使气隙 5 和磁路磁阻变化,引起磁通变化而因此又称变磁阻式结构。圈中产生感应电

14、势,图 8 变磁通式结构(a)旋(变磁阻); (b)平移型(变气隙)在恒磁通式结构中,工作气隙中的磁通恒定,感应电势是由于磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生。这类结构有两种,如图 9 所示。图(a)为动圈式,图中的磁路系统由圆柱形磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布,测量线圈绕在筒形骨架上,经膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。当线圈与磁铁间有相对运动时,线圈中产生的感应电势 e。图 9 恒磁通式结构 (a)动圈式;(b)动铁式7光电式传感器71 光电式传感器测量原理光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温

15、、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、度,以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和人中获得广泛应用。光电式传感器也可以用于检测能转化成光量变化的其它非电量,如直径、表面粗糙度、应变位移、振动、速度、度以及物体形状、工作状态的识别等。光敏传感器的种类繁多,主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD 和 CMOS 图像传感器等。模拟式光电传感器的输出量为连续变化的光电流,因此在应用中

16、要求光电器件的光照特性呈单值线性,光源的光照要求保持均匀稳定。开关式光电传感器的输出信号对应于是否受到光照这两种状态,即输出特性是变化的开关信号。在应用中这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对元件的光照均匀和稳定要求不高。CCD 传感器在分时使用 CCD 器件时,应注意在转移电荷期间应避免受到光照,以免因多次感光而破坏原有图像。光电器在使用时要使发光元件与接受元件的工作波长相匹配,保证具备较高的灵敏度。一般 LED-光敏三极管形式常用于信号,频率在 100kHz 一下;LED复合管或达林顿管的形式常用在低功率负载的直接驱动等场合;LED光控晶闸管形式常用在大功率的驱动场合。图 10 光电式传感器

17、的组成72 模拟式光电传感器这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流,要求光电元件的光照特性为单值线性,而且光源的光照均匀恒定。(1) 辐射式被测物体本身是光辐射源,由它释出的光射向光电元件。光电高温计、光电比色高温计、红外侦察、红外遥感和天文探测等均属于这一类。这种方式还可用于防火,火种和构成光照度计等。(2) 吸收式被测物于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。(3)反射式恒定光源释出的光投射到被测物体上,再从其表面反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面性质和

18、状态。例如测量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移以及表面白度、湿度等。图 11.反射式光电传感器示意图图 11 为反射式光电传感器示意图。(a)(b)是利用反射法检测材质表面粗糙度和表面裂纹、凹坑等疵病的传感器示意图。(a)为正反射接收型,用于检测浅小的缺陷,灵敏度较高;(b)为非正反射接收型,用于检测较大的几何缺陷;图(c)是利用反射法测量工件或表面位置的示意图,当工件位移 h 时,光斑移动 l,其放大倍数为 l/ h。在标尺处放置一排光电元件即可获得信号。分组(4) 透射式(遮光式) 被测物位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物阻档光通量的多少来测定被测参数。图 12 为透射式光电传感器示

19、意图。这种传感器将被测对象作为光闸,主要用于测小孔、狭缝、细丝直径等。图 12 透射式光电传感器示意图(5) 时差测距. 恒定光源发出的光投射于目的物,然后反射至光电元件,根据发射与接收之间的时间差测出距离。这种方式的特例为光电测距仪 。73 开关式光电式传感器这类光电传感器利用光电元件受光照或无光照时“有”“无”电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。为此,要求光电元件灵敏度高,而对光照特性的线性要求不高。这类传感器主要应用于零件或的自动记数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器以及光电装置等方面。图 13光电式数字转速表工作原理图图 13 为光电式数字转速表工作原理图。

20、图(a)表示转轴上涂黑白两种颜色的工作方式。当电机转动时,反光与不反光交替出现,光电元件间断地接收反射光信号,输出电脉冲。经放大整形电路转换成方波信号,由数字频率计测得电机的转速。图(b)为电机轴上固装一齿数为 z 的调制盘相当图(a)电机轴上黑白相间的涂色的工作方式。其工作原理与图(a)相同。若频率计的计数频率为 f,由下式:n = 60 f / z(8-3)即可测得转轴转速 n(r/min)。8气敏式传感器81 气敏式传感器测量原理利用被测气体与气敏元件发生的化学反应或物理效应等机理,把被测气体种类或浓度的变化转化成气敏元件输出电压或电流的变化。主要有:1、利用半导体气体器件检测的电气法;

21、2、利用电极和电解液对气体进行检测的电化学法;3、利用气体对光的折射率或光吸收等特性检测气体的光学法。典型应用有:1家用气体器;2有害气体辨别;3可燃性气体浓度检测;4矿灯瓦斯器;5烟雾器;6检测器。82 气敏式传感器测量基本电路图 14实用测试仪电路以测试仪为例,图 14 为实用测试仪的电路,该测试仪只要被试者向传感器吹口气便可以显示醉酒的程度,气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到时,加在 A5 脚的电平为低电平;当传感器探测到时,其内阻变低,从而使 A5 脚电平变高。A 为显示推动器,它共有 10 个输出端,每个输出端可以驱动一个发光二级管,显示推动器 A 根据第 5 脚电

22、压高低来确定依次点亮发光二极管的级数,含量越高则点亮二极管的级数越大。9电容式传感器91 电容式传感器测量原理电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置,实质上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。随着电子技术的发展,它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服,而且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器。广泛应用于、位移、度、液位、成分含量等测量之中。92 电容式传感器测量基本电路差动脉冲宽度调制电路端为高电平(U1), Q 端为低电平(0),则触发器UF 升到与参考电压 Ur 相等时,比较器 IC1 产生一当接

23、通电源后,若触发器 Q通过R1 对 C1 充电;当F 点电位脉冲使触发器翻转,从而使Q 端为低电平, Q 端为高电平(U1)。此时,由电容C1通过二极管 D1 迅速放电至零,而触发器由Q 端经 R2 向 C2 充电;当 G 点电位 UG 与参考电压Ur 相等时,比较器 IC2 输出一脉冲使触发器翻转,从而循环上述过程。图 15差动脉冲宽度调制电路可以看出,电路充放电的时间,即触发器输出方波脉冲的宽度受电容 C1、C2 调制。当C1=C2 时,各点的电压波形如图 4.16(a)所示,Q 和Q 两端电平的脉冲宽度相等,两端间的平均电压为零。当C1C2 时,各点的电压波形如图 16 所示,Q、Q 两

24、端间的平均电压(经一低通滤波器)为:= T1 - T2 U = C1 - C2 UU011T + TC + C1212式中:T1 和T2 分别为Q 端和Q 端输出方波脉冲的宽度,亦即C1 和C2 的充电时间。图 16 各点电压波形图当该电路用于差动式变极距型电容传感器时:= Dd UU0d10这种电路只采用直流电源,无需振荡器,要求直流电源地电压稳定度较高,但比高稳定度的稳频稳幅交流电源易于做到。用于差动式变面积型电容传感器时有:= DAU AU01这种电路不需要载频和附加解调线路,无波形和相移失真;输出信号只需要通过低通滤波器引出;直流信号的极性取决于C1 和C2;对变极距和变面积的电容传感

25、器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起,从而使传输误差和干扰大大减小。运算放大器电路图 17为其电原理图。C1 为传感器电容,它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi),因此可视作理想运算放大器。其输出端输出一与C1 成反比的电压U0,即:C0U = -UoiC1式中Ui 为信号源电压,C0 为固定电容,要求它们都很稳定。对变极距型电容传感器(C1 0 rA/),式(4-30)可写为:C0U = Udoi ee A0 r图 17运算放大器测量电路10超声波传感器101 超声波传感器测量原理超声波传感器是用来测量物体的距离。首先,超声波传感器会

26、发射一组高频声波,一般为 40-45KHz,当声波遇到物体后,就会被反弹回,并被接受到。通过计算声波从发射到返回的时间,再乘以声波在媒介中的速度(如:空气中344 米/秒)。就可以获得物体相对于传感器的距离值。超声波传感器可以用于液位、流量、厚度、物体方位的测量。超声波传感器主要用来探测物体的距离以及相对于传感器的方位,以便可以进行避障动作。最理想的超声发射形状是矩形,不但可以准确的获得物体的距离值,也可以准确的获得方位值,就是正前方。但是实际上,超声波的波束根据应用不同,有宽波束,和窄波束。宽波束(图 18b)的传感器会检测到任何在波束范围的物体,它可以检测到物体的距离,但是确无法检测到物体

27、的方位,误差最高会有 100 度左右。当然,作为只要探测物体有或者无的用途来说,宽波束的传感器是比较理想的。窄波束可以相对宽波束获得更加精确的方位角,因而可以精确地。在选择超声波传感器的时候,这个波形特性是必须要考虑的。图 18超声波传感器波形图超声波探头是实现声、电转换的装置,又称超声换能器或传感器。这种装置能发射超声波和接收超声回波,并转换成相应的电信号。超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种,其中以压电式为最常用。图 19 为压电式探头结构图,其部分为压电晶片,利用压电效应实现声、电转换。图 19 电式探头结构图1-压电片;2-保护膜;3-吸收块;4-接线;5-导线

28、螺杆;6-绝缘柱;7-接触座;8-接线片;9-压电片座102 超声波传感器测量电路以超生波测厚度位为例,超声波检测厚度的方法有共振法、法、脉冲回波法等。图 20 所示为脉冲回波法检测厚度的工作原理。超声波探头与被测物体表面接触。主控制器控制发射电路,使探头发出的超声波到达被测物体底面反射回来,该脉冲信号又被探头接收,经放大器放大加到示波器垂直偏转板上。标记发生器输出时间标记脉冲信号,同时加到该垂直偏转板上。而扫描电压则加在水平偏转板上。因此,在示波器上可直接读出发射与接收超声波之间的时间间隔 t。被测物体的厚度 h 为:hct/2式中c超声波的速度。我国 20 世纪 60 年代初期自行设计成

29、CCH-J-1 型表头式超声波测厚仪,近期又采用集成电路制成数字式超声波测厚仪,其体积小到可以握在手中,重量不到1kg,精度可达 0.01mm。图 20 声波测厚工作原理图二、主要被测物理量及选型1传感器选型11介质的特性气体、液体或有腐蚀性的物质会破坏传感器中与这些介质直接接触的材料,以上这些因素将决定是否选择直接的膜及直接与介质接触的材料。12 工作的温度范围通常一个变送器会标定两个温度范围,即正常操作的温度范围和温度可补偿的范围。正常操作温度范围是指变送器在工作状态下不被破坏的时候的温度范围,在超出温度补范围时,可能会达不到其应用的性能指标。温度补偿范围是一个比操作温度范围小的典型范围。

30、在这个范围内工作,传感器肯定会达到其应有的性能指标。温度变化从两方面影响着其输出,一是零点漂移;二是影响满量程输出。如:满量程的+/-X%/,读数的+/-X%/,在超出温度范围时满量程的+/-X%,在温度补偿范围内时读数的+/-X%,如果不考虑这些参数,会导至在使用中的不确定性,不知变送器输出的变化到底是由变化引起的,还是由温度变化引起的。温度影响是了解如何使用变送器时最复杂的一部分。13 所测的量程理解所测特点:绝压、表压、相对;量程、动态范围、抗过载值。绝压是被测点的绝对值,表压是被测点的值与大气值的差值,相对是两个指定的点之间的差值。先确定系统中要确认测量的最大值,一般要选被测最大的 1

31、.5 倍左右作为传感器的量程。这主要是考虑到峰值的持续不规则波动,避免瞬间的峰值导致传感器损坏,延长传感器的。14 安装接口形式安装螺纹的要求,公制、英制、螺距等。15 工作环境一定要考虑到将来传感器的工作环境,湿度如何,会存在撞击或振动等。上述五点基本上决定了所选传感器原理,传感器机械结构形式。16 需要多大的精度决定精度的有:非线性、迟滞性、重复性,灵敏度、零点偏置的温度的特性等。但主要是:非线性、迟滞性、重复性。精度越高,价格也就越高。17 需要得到怎样的输出信号传感器输出信号分为:mV 、V、 mA、频率输出、数字输出,选择怎样的输出取决于多种因素,包括传感器与系统控制器或显示器间的距

32、离,是否存在“噪声”或其他电子干扰信号,是否需要放大器,放大器的位置等。对于许多变送器和控制器间距离较短的OEM 设备,采用 mA 输出的变送器最为经济而有效的解决方法。如果需要将输出信号放大,最好采用具有内置放大的变送器。对于远距离传输出或存在较强的电子干扰信号,最好采用 mA 级输出或频率输出。如果在RFI 或 EMI 指标很高的环境中,除了要注意到要选择 mA 或频率输出外,还要考虑到特殊的保护或滤波。18 选择怎样的电源电压许多放大变送器有内置的稳压装置,允许一定程度的电源电压拉偏。19 工作后需要保持稳定度时漂传感器在经过超时工作后会产生“漂移”,因此很有必要在前了解变送器的时漂,这

33、种预先的工作能减少将来使用中会出现的种种麻烦。110 用户方需要考虑传感器的互换性确定所需的传感器是否能够适应多个使用系统。一般来讲,这一点很重要。尤其是对于 OEM。一旦将送到客户手中,那么客户用来校准的工作量是相当大的。如果具有良好的互换性,那么即使是改变所用的传感器,也不人影响整个系统的使用效果。2度传感器选型21 工作环境考虑传感器的工作环境,湿度、温度、冲击、RFI 或EMI 的环境等。22 测量轴数量对于多数项目来说,单轴、两轴的度传感器已经能满足多数应用。对于某些特殊的应用,比如姿态控制,需选用三轴的度传感器。23度量程对不同项目来说,g 值的选择不同,可以根据实际情况具体分析,

34、例如:相对于地面的分度测量,一个1.51.0g度传感器就足够了;如要测量机械手臂的动态性能,2g 也应该足够了。24 灵敏度要求也称作刻度因子,一般来说,越灵敏越好。越灵敏的传感器对一定范围内的度变化更敏感,输出电压的变化也越大,这样就比较容易测量,从而获得更精确的测量值。对于多轴度计应关注横向灵敏度指标,该指标应选择量值较小的。25 所测动态信号的带宽对于一般测量的应用,50Hz 的带宽应该足够,但是对于需要进行动态性能,比如振动,你会需要一个具有上百 Hz 带宽的度传感器,可以根据任务书或实际情况具体分析。26线性度27最大抗冲击能力度传感器极易受到高冲击的破坏,一旦超出允许的冲击范围,某

35、些原理的度计将失效。28稳定性指标主要关注刻度因子、零位漂移指标(时漂),分为短期漂移、长期漂移。29 机械安装固定安装度计一般要求机械固定在安装面,对准测量方向。固定牢固,避免因安装引起的机械谐振,影响测量结果。210 传感器输出分为模拟输出、数字输出、电荷输出。一般模拟输出的电压和度是成比例的,比如:2.5V 对应 0g 的度,2.6V 对应于 0.5g 的度;数字输出一般使用脉宽调制(PWM)信号;电荷输出出现在压电度计,需要电荷放大器放大。3 角速度传感器选型测量角速度的传感器有编码盘、陀螺等多种,下面以陀螺为例介绍。31 工作环境考虑到传感器的工作环境,湿度、温度、冲击、RFI 或E

36、MI 的环境等。32 测量轴数量对于多数项目来说,单轴角速度传感器能满足应用。对于某些特殊的应用,比如姿态控制,需选用三轴的角速度传感器。33 角速度量程对不同项目来说,量程范围选择不同,可以根据任务书或实际情况具体分析。34 刻度因子及刻度因子稳定性刻度因子稳定性,代表角速度测量过程中,灵敏度指标的漂移情况。一般来说,越小越好。35 偏置及偏置稳定性偏置稳定性,代表角速度测量过程中,零位指标的漂移情况。一般来说,越小越好。陀螺仪的精度指标通常指的就是偏置稳定性。36 所测信号的带宽对于一般测量的应用,50Hz 的带宽应该足够,但是对于某些特殊用途,需要 100Hz 以上的带宽,可以根据任务书

37、或实际情况具体分析。36 线性度37 冲击存活率角速度传感器有时要承受度量,极易收到高冲击的破坏,一旦超出允许的冲击范围,某些原理的角速度传感器将失效。38度灵敏度角速度传感器用于惯性测量时,系统单元同时感受度。角速度传感器往往存在对度信号的敏感,度灵敏度应该越小越好。39 机械安装固定安装角速度传感器一般要求机械固定在安装面,对准测量方向。4 温度传感器选型41 传感器的结构首先必须选择传感器的结构,使敏感元件的规定的测量时间之内达到所测流体或被测表面的温度。温度传感器的输出仅仅是敏感元件的温度。实际上,要确保传感器指示的温度即为所测对象的温度,常常是很的。流体温度一般用热电偶或热电阻探头测

38、量,但当整个系统的使用比探头的预计使用长得多时,或者预计会相当频繁地拆卸探头以校准或维修时,可在容器壁上安装性的热电偶套管。要注意的是热电偶套管会显著地延长测量的时间常数,当温度变化很慢而且热导误差很小时,热电偶套管影响测量的精确度,但如果温度变化很迅速,敏感元件跟踪不上温度的迅速变化,而且导热误差又可能增加时,测量就会受到影响。热电偶或热电阻探头的全部材料都应和它们接触的被测介质相适应。使用露式探头时,必须考虑与所测介质接触的各部件材料(敏感元件、连接引线、支撑物、局部保护罩等)的适应性,使用热电偶套管时,只需要考虑套管的材料。42 温度测量范围和灵敏度较窄的量程通常要求传感器必须具有相当高

39、的基本电阻,以便获得足够大的电阻变化,从而得到较高的灵敏度。热敏电阻所提供的足够大的电阻变化使得这些敏感元件非常适用于窄的测量范围。如果测量范围相当大时,热电偶更适用。43 线性度已知范围内的传感器线性也可作为选择传感器的附加条件,线性度是描述传感器的输出电压值随温度变化的线性程度,实际上也就是传感器输出电压在工作温度范围内相对于理想拟合直线的最大偏差。一般情况下,其线性度的典型值为0.5% 或以上。44 响应时间响应时间通常用时间常数表示,它是选择传感器的另一个基本依据。当要监视贮槽中温度时,时间常数不那么重要。然而当使用过程中必须测量振动管中的温度时,时间常数就成为选择传感器的决定因素。珠

40、型热敏电阻和铠装露头型热电偶的时间常数相当小,而浸入式探头,特别是带有保护套管的热电偶,时间常数比较大。45 稳定性稳定性是指传感器的基准电压值年漂移量,这个漂移量再按温度电压转换系数折温度值。如:线性温度传感器的稳定性为0.05 /年,这一参数描述了传感器在各种使用条件下保持原有特性的能力。46 互换性温度传感器使用通常要考虑互换性,互换精度应根据任务书和实际情况分析。互换精度是指在同一工作条件下(同一工作电流、同一温场)对于同一个确定的理想拟合直线,每一只传感器的电压 V(T)温度 T 曲线与该直线的最大偏差,这个偏差通常按传感器的温度电压转换系数 S(S=V/T(mV/)折温度来表示。由

41、于传感器的输出线性化及温度电压转换系数相同,即在测温范围内全程互换,所以互换精度表示了基准电压值的离散程度,即用基准电压值的离散值折温度值的大小来描述整批传感器之间的互换程度。一般分为三级:I 级的互换偏差不大于 0.3;J 级不大于 0.5;K 级不大于 1.0。如:某洁净的环境温度要求为:220.3,则应选择 I 级互换精度。5 湿度传感器选型51 选择测量范围选择湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外,湿度测控的一般不需要全湿程(0-100RH)测量,测量范围应根据实际条件选择。如:半导体洁净生产车间,22,(3055RH)52 测量精度精度是传感器湿度重要的指标。每提高个百

42、分点,对传感器来说就是上一个台阶,甚至是上一个档次。因为要达到不同的精度,其制造成本相差很大,售价也相差甚远。例如进口的 1 只廉价的湿度传感器只有几,而 1 只供标定用的全程湿度传感器要几百,相差近百倍。湿度传感器精度一般分段给出。如中、低温段(0 一 80RH)为2RH, 而高湿段(80100RH)为4RH。而且此精度是在某一指定温度下(如25)的值。如在不同温度下使用湿度传感器,其示值还要考虑温度漂移的影响。相对湿度是温度的函数,温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1,将产生 0.5RH 的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温,则提出过高的测湿精度是不合适的。53

43、时漂几乎所有的传感器都存在时漂和温漂。由于湿度传感器必须和大气中的水汽相接触,所以不能密封。这就决定了它的稳定性和是有限的。一般情况下,厂商会标明 1 次标定的有效使用时间为 1 年或 2 年,到期重新标定。54 温漂选择湿度传感器要考虑应用场合的温度变化范围,看所选传感器在指定温度下能否正常工作,温漂是否超出设计指标。要注意的是:电容式湿度传感器的温度系数 是个变量,它随使用温度、湿度范围而异。电容式湿度传感器在常温、中湿段的温度系数最小,5-25时,中低湿段的温漂可忽略不计。但在高温高湿区或负温高湿区使用时,就一定要考虑温漂的影响,进行必要的补偿。如:某湿度传感器的在 550范围内温度系数

44、为 0.06%RH/。55 线性度和灵敏度线性度和灵敏度是选择湿度传感器要考虑的因素。以电容式湿度传感器灵敏度为例,灵敏度电容变化量/RH56 互换性湿度传感器使用通常要考虑互换性。如:某型湿度传感器的互换误差为:70RH 时,2.5RH5.7 使用环境湿度传感器是非密封性的,为保护测量的准确度和稳定性,应尽量避免在酸性、碱性及含的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映欲测空间的湿度,还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测的房间太大,就应放置多个传感器。58 信号传输传感器需要进行远距离信号传输时,要注意信号的衰减问题。当传输距离超过 200m 以上时,应

45、选用频率输出信号的湿度传感器。6 流量传感器选型61 流体介质的性质选型之前首先应了解被测流体介质的性质,如:被测介质的腐蚀性,气体、液体是否腐蚀传感器中与这些介质直接接触的材料,以上这些因素将决定选择与介质直接接触的材料性质;被测流体介质的工作值; 流体温度:最高、最低、常用的温度;62 机械结构及安装对于涡街流量计来说要考虑通过流体介质的规格(通径),被测流体管道的法兰规格,流体流向等。63 流量测量范围流量计的流量范围指可测最大流量和最小流量所限定的范围。在这个范围内,仪表在正常使用条件下示值误差不超过最大允许误差。最大流量与最小流量的比值称为范围度,一般表达为某数与 1 之比,流量计范

46、围度的大小受仪表的原理与结构所限制。如:某涡街流量计的流量范围为:1:20某质量流量计,仪表范围度宽(可达 50:1100)64 流量测量精确度流量计的精确度用误差表示。流量计在出厂时均要进行标定,仪表所标出的精确度为基本误差,流量计的实际测量精确度为基本误差与附加误差的,这种的估算很复杂。如:某涡街流量计的精确度为:0.5 ,1.0 ,1.5某质量流量计,计量精确度高(可达0205)65 阻力损失系数安装在流通管道中的流量计实际上是一个阻力件,流体在通过流量计时将产生损失,这会带来一定的能源消耗。种流量计的阻力损失系数大小是仪表选型的一个重要指标。66 输出信号流量传感器的输出方式有:电压、

47、420mA 电流、频率。振动式流量计的输出信号一般是与流量相关的频率量电压脉冲。应根据实际需要选择流量计。67 环境条件要考虑到传感器的工作环境,如:温度、湿度、大气、管道振动等指标。68 防爆等级对于易燃易爆的流体介质应注意流量传感器的防爆等级。7 力传感器选型71 结构、形式的选择选用何种结构形式的力传感器,主要看使用的环境条件。如要制作低外形,一般应选用悬臂梁式和轮幅式传感器,若对外形高度要求不严,则可采用柱式传感器。此外,使用的环境若很潮湿,有很多粉尘,则应选择密封形式较好的;若在有的场合,则应选用本质安全型传感器;若在高架称重系统中,则应考虑安全及过载保护;若在高温环境下使用,则应选

48、用有水冷却护套的力传感器;若在高寒地区使用,则应考虑采用有加温装置的传感器。在形式选择中,还有一个要考虑的重要因素,是维修的方便与否及其所需费用。72 量程的选择但在实际使用时,由于存在系统自重、振动、冲击、偏载等,因而不同力测量系统选用传感器的量限的原则有很大差别。作为一般规则,可有:传感器静态测力系统:固定负荷(系统负载等)+ 变动负荷(需称量的力)所选用传感器的额定载荷的 70% 。其中 70%的系数即是考虑振动、冲击、偏载等因素而加的。73 非线性力传感器进程校准曲线与理论直线的偏差,应根据实际需要选择。74 迟滞误差施加同一级负荷时力传感器输出读数之间的最大差值;其中一次是由最小静负

49、荷开始的进程读数,另一次是由最大称量开始的回程读数,应根据实际需要选择。75 蠕变量在负荷不变,所有环境条件和其它变量也保持不变的情况下,力传感器满负荷输出随时间的变化。76 重复性误差的选择在相同的负荷和相同的环境条件下,使连续数次进行实验所得的力传感器输出读数之间的差值。77 灵敏度78 安全极限负荷即安全极限负荷,可以施加于力传感器的最大负荷,此时力传感器在性能特征上,产生超出规定值的性漂移。一般为满量程的 150FS200FS。7. 9 工作温度应注意力传感器的工作温度范围,及温度补偿范围,应根据实际需要选择。三、传感器与信号调理测试测量系统的基本构成要素是:传感器+信号调理+卡,信号调理是连接传感器和设备的桥梁。为了得到预想的测试测量结果,必须合理地选择信号调理。从传感器的角度看,选择信号调理时应考虑如下因素:1、传感器是否需要激励。有的传感器不需要激励源(电压源或电流源),如压电式力传感器;有的传感器需要激励源,如应变电桥式力传感器需要提供电压激励源。对于需要激励源的传感器,信号调理不但要具有对传感器输出信号进行调理的能力,还要同时提供激励源。2、信号调理的输入特性。有的传感器是电容性的,要求信号调理必须具备很高的输入阻抗,不但输入电阻要考虑,输入电容也要考虑。如压电式度传感器,就必须使用高阻

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