机械电子工程管理传感器与转换器

1、机械电子工程原理第七章 传感器与转换器 7.1 概述 在许多测量系统中，传感器和转换器都是用来获取系统状态信息的。本书采用以下定义，但在使用时通常不做严格区分。 传感器在测量系统中，对所测(特定)物理参数发生响应的器件。转换器把能量和信息从系统某一部分传送到系统另一部分的器件。在传送过程的同时，能量形式也可能发生变化。2数据测量时的预处理和后处理 除了传感器和转换器，测量系统还包括一个预处理级和后处理级 预处理级是在信号与传感器接触之前提取信号特征，然后对输入信号检测、响应并将输入信号提供给传感器。从传感器输出的信号经过后处理级的处理后得到最终输出信号。 3一个实例转速测量系统 从光源发出的光

2、经过带有狭缝的圆盘(称为编码盘)后产生一系列的脉冲，换能器接收这些脉冲并将其转换成电脉冲。后处理级对一定时间间隔内发生的脉冲进行计数，并计算出编码盘的旋转速度。 4可用于信息传递的能量形式传感器传递信息的物理基础是能量转化。有六种能量形式可用于信息传递。辐射能包括所有的电磁波谱。主要参数有：频率、相位、强度和极化方向等。机械能主要参数有：距离、速度、尺寸和力等。热能可以利用多种温度效应和热效应。主要参数有热容、潜热和相变特性等。电能主要参数有电流、电压、电阻、电容和电感等。磁能包括磁场参数，如磁场强度和磁通密度等。化学能涉及到物质内部结构和行为，主要参数有：浓度、晶体结构和凝聚状态等。 5无源

3、和有源传感器 根据能源利用情况，传感器可分为无源(直接式)传感器和有源(间接式)传感器。无源传感器在转换中不需要外界附加能量。光电转换装置和热电偶等直接式传感器就是直接把输入能量转换成电能输出的。有源传感器在转换中需要外界附加能量。应变片和霍尔器件等间接式传感器则需要附加能量以产生电信号。 6传感器和转换器的分类 根据功能分类 ，典型的被测量如下 位移线位移和角位移。速度线速度、角速度和流速等。加速度振动。几何量位置、长度、面积、厚度、体积、表面粗糙度等。质量重力、负载、密度。力静力、动力、压差、力矩、功率。其它硬度、粘度。7传感器和转换器的分类根据性能分类 性能可以用精度、稳定性、线性度、灵

4、敏度、量程等静态性能和响应特性的动态指标来评估。 根据输出信号分类 模拟量输出产生一个连续的输出信号，信号的某些性质直接与被测量大小有关。数字量输出产生一个串行的或并行的数字信号，信息可以在一些固定的时间间隔上提取，也可以按要求提取。频率输出 产生的信号频率是被测量的函数，输出是连续波形或脉冲波形，可以用计数器和定时器将其转化成数字形式。编码输出 可以产生各种不同的编码信号，包括：振幅调制、频率调制、脉冲宽度调制和脉冲位置调制。8传感器的一般要求足够的容量传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器

5、的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。响应速度快，工作稳定，可靠性好。使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。9传感器技术的发展 传感器技术的发展主要有：半导体硅材料传感器、采用光纤的光学系统、压电器件、超声器件等等。 集成化智能传感器简图 10智能传感器的功能自补偿能力自校准功能自诊断功能自动定时测量自动量程转换双向通信功能含义：两种结合方式：传统的传感器和微处理器（含采集单元）独立的，可组合在一起，应用维护更换相对方便把微处理器嵌入

6、到传感器中，半导体类传感器与微处理器集成在同一块芯片上，如用于地震勘探的加速度传感器。 11传感器技术的发展固态转换器 光电转换器 压电转换器 超声转换器 超声转换器为非接触式测量手段。与接触式测量相比，非接触式测量有以下优点：减少了接触爆炸性、放射性、毒性、腐蚀性或易燃物质的危险性。避免了对药物或食物等被测物的接触污染。简化了对传感器和转换器的维护。127.2电阻型传感器 电位器 ：最简单的电阻型传感器电位器有旋转型和直线型两种形式，它们可以用来测量直线位移或角位移。在任何情况下，只要改变电位器的有效分压比，就可以得到不同的输出电压。构成电位器的主要部分是大量紧绕的电阻线圈和一个滑动触头。因

7、此，线圈式电位器的分辨率是单位长度绕圈数的倒数。 要提高电位器的分辨率，可以使用金属陶瓷电阻或导电塑料薄膜。 13电位器与负载阻抗当把测量仪表连接入输出端时，相当于给输出加了一个负载，将会产生测量误差。当RLR2时，RoR2。因此，为了保证测量精度，通常次级（无论是测量仪表还是信号处理电路）的输入阻抗越大越好。 a)无负载 b)有负载14应变片 若将某种导体或半导体材料沿轴向拉伸，则它的长度将沿加载方向发生变化，其电阻值也将随之变化。典型的电阻应变片由一些电阻型金属薄膜和基衬组成，基衬用来将所加载荷传给应变片。如果沿应变片的轴向加载，那么将产生一个应变，使得应变片的有效长度发生变化，从而导致电

8、阻变化。 轴向加载的拉伸试样 电阻应变片 15桥式测量电路应变式电阻传感器常用来测量力、转矩、压力、加速度等物理量。 电阻的变化（即应变）通常是由桥式电路测量的。由应变产生的不平衡电位为对于电阻变化较小的情况：16应变片的温度补偿温度的变化也会引起应变片电阻的变化，因此在桥路上安装带补偿的应变片与测量的应变片具有相同的温度特性，以消除温度的影响，补偿应变片应安装在离测量应变片最近的地方，这就需要将两个应变片以适当角度安装在被测件上。 17电阻式温度传感器 金属圈的热惯量导致了其灵敏性较低、对温度变化响应速度慢等特点，因此它常用来测量稳态温度。在如图所示的典型应用中，使电阻温度计成为电桥的一个臂

9、。因为热电阻的阻值很小，而由温度变化引起的阻值变化也非常小，所以由导线电阻和接触电阻引入的误差就不能忽略， 电阻温度计是阻性温度转换器的基础，它包括由一段铂丝做成的小轴心，轴心被空心轴包围。18三线电桥电阻温度计电路 因此改用如图所示的三线连接。图中，电阻温度计为Rt，导线电阻为r1、r2、r3，一般R1=R2=R为两桥臂电阻，R3是调整电桥的精密电阻。通常，连接在a、b端的测量仪表的内阻很大，故流过r3的电流近似于零。当ua=ub时，电桥平衡，流过r3的电流为零，流过r1的电流也要流过r2，抵消其电压降，如果让r1=r2，并调整R3=Rt，即可以消除由导线电阻和接触电阻引起的误差。 19半导

10、体热敏元件 半导体热敏元件是一种半导体电阻元件，其热性能已知，通常用来测量范围在-30200的温度。由于它体积小、热惯量小，所以通常用来测量动态温度。必须注意，在使用半导体热敏元件时，由于热敏元件本身的发热会带来误差。半导体热敏元件的主要缺点是它的非线性特性，这限制了它的应用范围。但是，由于测量系统使用微处理机，这种固有的非线性可以用软件来克服，使得半导体热敏元件的应用范围大大增加。 20217.3 电容式传感器 平行板电容器的电容量0为真空状态的介电常数，0=8.85410-12F/m，一般运算中将干燥空气的介电常数取为真空状态的介电常数0；r为绝缘材料的相对介电系数；A为平行板的有效正对面

11、积；为两平行板之间的距离。 22电容式传感器的分类根据其改变参数不同，可将电容式传感器分为下三种：改变极板之距离（间隙)的极距型传感器;改变极板遮盖面积（A）的面积型传感器；改变电介质之介电常数（r）的介质型传感器电容式传感器若按极板的形状来分，可分为平板形和圆柱形两种。圆柱型电容器的电容量 23电容传感器的非线性电容量C与两极板间隙呈非线性关系。24变极距型电容传感器a)、b)变极式c)差动变极式1固定极板2可动极板3被测物体25变面积型电容传感器a)平板平移式b)半可调式c)筒式d)差动筒式1、3固定极2可动极26变介电常数型电容传感器a)测厚度b)测位移c)测液量d)测容量27实例测量液

12、面高度 用变介质式的圆柱电容器测量液面高度 当液面高度变化时，会引起极间不同介质0和r的界面发生变化，从而导致电容的变化，且输出电容与液面高度的数学表达式是一个线性关系。 287.4 电感式传感器 电感式传感器的优点：结构简单(因为没有活动电触点，所以工作可靠)测量范围宽(可达几百毫米)灵敏度高(微米级)重复性好 29电感式位移传感器电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。线性可调差动变压器线性可调电感传感器感应同步器30线性可调电感传感器 这种传感器使用线圈扰流器进行工作。在100Hz或更高频率下对线圈激磁，这时扰流器中感

13、生的涡流会改变线圈的有效电感，且此电感是关于扰流器位置的函数。 由于这种转换器没有用磁性材料，因此与其它电感转换器相比，它受杂散磁场的影响较小，且消除了磁滞及磁场非线性，测量位移的范围可达220mm。 a) 内置式扰流器b) 外置式扰流器31感应同步器直线式感应同步器包括一个固定导轨（可达几米长）和一个滑块。两者由厚度为0.10.15mm的空气隔开，它们之间存在磁耦合。滑块上装有一对绕组，两绕组的相对距离成1/4节距，即90电角度。当在滑轨线圈上加一正弦信号时（频率达几千赫），滑块绕组上将产生两个电压，两个电压的相位差是90，且电压的大小随滑块位置的改变而改变，因为绕组间的耦合是变化的，这种传

14、感器的输出电压，在一定条件下是呈正弦变化的。在几毫米的距离内，其分辨能力可达23m。 32直线式感应同步器 直线式感应同步器33电感式速度传感器 永久磁铁相对于线圈移动，而线圈的感生电动势是磁铁运动速度及线圈尺寸的函数。 当需要测量旋转速度时可以采用直流或交流转速表，其输出电压即直接与所测角速度成正比。 34电感式传感器的应用357.5 热电传感器 常用的热电传感器有热电阻与热电偶。 当导体所处的环境温度发生变化时，导体的电阻值也会随着温度的变化而变化，热电阻传感器就是根据这一特性来测量温度的。在工业应用中，热电阻传感器常被用来测量-200500范围的温度。温度传感器是实现温度检测和控制的重要

15、器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。36377.6光电传感器 从红外到紫外的谱范围内，都能用光转换器进行测量，在大多数情况下其测量都是非接触式的，并且能在恶劣的环境（诸如超高温和电磁干扰严重的场合）中工作。 电磁波谱38光电测量系统 由光电传感器构成的光电测量系统的主要组成部分有将其他能量转换为光的光源、光传输介质、能够将输入物理量的能量转换为对光能特性进行修正的转换器、监测转换器产生的光能特性变化的检测器。 39光电探测器 光电探测器的理论基础是光电效应，光电效应可分为三种不同的类型。在光的照射下，物体的电阻（或电导）发生变化的现象被称为电导效应或内光电

16、效应，相应的元件有光敏电阻；在光的照射下，电子逸出物质表面的现象被称为光电发射效应或外光电效应，此类器件有光电管、光电倍增管等；在光的照射下，半导体PN结产生电动势或光电流增加的现象被称为光伏效应，光电池、光敏二极管和光敏三极管都属于光伏效应的器件。 40光电探测器 热敏光电探测器通过监测入射的辐射热在探测器中所产生的热进行工作。典型的装置（例如电阻式辐射热测量计或热电偶）响应波长范围为0.330m，但其灵敏性较差、响应时间长 。量子光电探测器利用入射光在探测器中产生电子空穴对来进行工作。硅材料的量子光电探测器利用光电效应或光导效应工作。光电效应是在PN结上产生一个电压，而光敏效应则是利用入射

17、能来改变材料的导电性能。 41光电效应探测器 当适当波长的光线照射到如图a)所示的PN结的耗尽层上时，会在PN结上产生一个正比于光强的电位差。 a)受光照的PN结 b)光电特性 42光敏电阻 当光线照射N型材料时，其导电性发生显著变化，这可以通过电桥来检测 。对于一定波长的光线来说，在一层二氧化硅（SiO2）上加上特殊的材料就构成了光敏电阻。常用的材料有锑化铟（InSb）（适合于波长为7m的光线）和硫化镉（CdS）（适合于波长为0.7m的光线）。a) 结构 b) 用光敏电阻构成的电桥 43光电池 光电池是一种直接把光能转换为电能的光电元件，许多材料都能制成光电池，但硅光电池由于其一系列的优点用

18、得最多。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它主要用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源。硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的办法掺入一些P型杂质，形成一个大面积的PN结，当PN结受到的照射光达到一定光强时，就会在P区和N区之间产生一定的电压，即光生电动势。44光电二极管 光电二极管一般处于反向工作状态，在没有光照射的时候，光电二极管的反向电阻很大、反向电流很小。

19、而当光线照射到反向偏置PN结的耗尽层或耗尽层的附近时，耗尽层中会产生电子空穴对，偏置电压和内电场使电子和空穴运动而形成光电流。 a) 结构 b) 应用45光电三极管（光敏晶体管） 光电三极管可以看成是一个光敏二级管与一个晶体管组成，两管共用一个基极。光电二极管产生的反向电流成为三级管的基极电流，三级管将其相应地放大。光电三级管由于有了放大功能，因此其灵敏性得到了提高。 a) 结构 b) 应用46增量式直线编码器 增量式直线编码器通常利用莫尔条纹干涉带进行工作。在一块长条型的光学玻璃上均匀地刻上明暗相间、宽度相等的线条，就构成了一条光栅。光栅相对来说比较便宜，且分辨率能达到微米数量级 。把两个相

20、同的光栅叠在一起，并使它们以一个角度相交，则会产生一个明暗相间的条纹，即莫尔条纹。利用光栅具有莫尔条纹的特性，可以通过测量莫尔条纹的移动数来测量两个光栅的相对移动。 指示光栅和标尺光栅组成光栅副。固定后者，前者安装在运动部件上47位置式(绝对式)编码器 位置式编码器不像增量式编码器，它不需要任何外部参照。在需要随时了解物体确切位置的场合下，常用这种编码器。但是，当编码器用于转数超过一周时，就需要一个记录转数的计数器。 如图a)所示为一个典型的采用雷格编码（反射码）的8位旋转式位置编码器，它比图b)所示的二进制编码器更为优越，因为二进制编码在任何变化时只有一位发生变化，这就有可能在变化时因错读位而产生误差。 48实际编码器的码盘增