机械电子工程原理第七章传感器与转换器

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智能传传感器器的功功能自补偿偿能力力自校准准功能能自诊断断功能能自动定定时测测量自动量量程转转换双向通通信功功能含义：：两种种结合合方式式：传统的的传感感器和和微处处理器器（含含采集集单元元）独独立的的，可可组合合在一一起，，应用用维护护更换换相对对方便便把微处处理器器嵌入入到传传感器器中，，半导导体类类传感感器与与微处处理器器集成成在同同一块块芯片片上，，如用用于地地震勘勘探的的加速速度传传感器器。11传感器器技术术的发发展固态转转换器器光电转转换器器压电转转换器器超声转转换器器超声转转换器器为非非接触触式测测量手手段。。与接接触式式测量量相比比，非非接触触式测测量有有以下下优点点：减少了了接触触爆炸炸性、、放射射性、、毒性性、腐腐蚀性性或易易燃物物质的的危险险性。。避免了了对药药物或或食物物等被被测物物的接接触污污染。。简化了了对传传感器器和转转换器器的维维护。。127.2电阻阻型传传感器器电位器器：：最简简单的的电阻阻型传传感器器电位器器有旋旋转型型和直直线型型两种种形式式，它它们可可以用用来测测量直直线位位移或或角位位移。。在任何何情况况下，，只要要改变变电位位器的的有效效分压压比，，就可可以得得到不不同的的输出出电压压。构成电电位器器的主主要部部分是是大量量紧绕绕的电电阻线线圈和和一个个滑动动触头头。因因此，，线圈圈式电电位器器的分分辨率率是单单位长长度绕绕圈数数的倒倒数。。要提高高电位位器的的分辨辨率，，可以以使用用金属属陶瓷瓷电阻阻或导导电塑塑料薄薄膜。。13电位器器与负负载阻阻抗当把测测量仪仪表连连接入入输出出端时时，相相当于于给输输出加加了一一个负负载，，将会会产生生测量量误差差。当RL>>R2时，Ro≈R2。因此此，为为了保保证测测量精精度，，通常常次级级（无无论是是测量量仪表表还是是信号号处理理电路路）的的输入入阻抗抗越大大越好好。a)无负载载b)有负载载14应变片片若将某某种导导体或或半导导体材材料沿沿轴向向拉伸伸，则则它的的长度度将沿沿加载载方向向发生生变化化，其其电阻阻值也也将随随之变变化。。典型的的电阻阻应变变片由由一些些电阻阻型金金属薄薄膜和和基衬衬组成成，基基衬用用来将将所加加载荷荷传给给应变变片。。如果果沿应应变片片的轴轴向加加载，，那么么将产产生一一个应应变，，使得得应变变片的的有效效长度度发生生变化化，从从而导导致电电阻变变化。。轴向加加载的的拉伸伸试样样电阻应应变片片15桥式测测量电电路应变式式电阻阻传感感器常常用来来测量量力、、转矩矩、压压力、、加速速度等等物理理量。。电阻的的变化化（即即应变变）通通常是是由桥桥式电电路测测量的的。由应变变产生生的不不平衡衡电位位为对于电电阻变变化较较小的的情况况：16应变片片的温温度补补偿温度的的变化化也会会引起起应变变片电电阻的的变化化，因因此在在桥路路上安安装带带补偿偿的应应变片片与测测量的的应变变片具具有相相同的的温度度特性性，以以消除除温度度的影影响，，补偿应应变片片应安安装在在离测测量应应变片片最近近的地地方，，这就就需要要将两两个应应变片片以适适当角角度安安装在在被测测件上上。17电阻式式温度度传感感器金属圈圈的热热惯量量导致致了其其灵敏敏性较较低、、对温温度变变化响响应速速度慢慢等特特点，，因此此它常常用来来测量量稳态态温度度。在如图图所示示的典典型应应用中中，使使电阻阻温度度计成成为电电桥的的一个个臂。。因为为热电电阻的的阻值值很小小，而而由温温度变变化引引起的的阻值值变化化也非非常小小，所所以由由导线线电阻阻和接接触电电阻引引入的的误差差就不不能忽忽略，，电阻温温度计计是阻阻性温温度转转换器器的基基础，，它包包括由由一段段铂丝丝做成成的小小轴心心，轴轴心被被空心心轴包包围。。18三线电电桥电电阻温温度计计电路路因此改改用如如图所所示的的三线线连接接。图图中，，电阻阻温度度计为为Rt，导线线电阻阻为r1、r2、r3，一般般R1=R2=R为两桥桥臂电电阻，，R3是调整整电桥桥的精精密电电阻。。通常，，连接接在a、b端的的测量量仪表表的内内阻很很大，，故流流过r3的电流流近似似于零零。当当ua=ub时，电电桥平平衡，，流过过r3的电流流为零零，流流过r1的电流流也要要流过过r2，抵消消其电电压降降，如如果让让r1=r2，并调整整R3=Rt，即可以以消除由由导线电电阻和接接触电阻阻引起的的误差。。19半导体热热敏元件件半导体热热敏元件件是一种种半导体体电阻元元件，其其热性能能已知，，通常用用来测量量范围在在-30℃～200℃℃的温度度。由于于它体积积小、热热惯量小小，所以以通常用用来测量量动态温温度。必须注意意，在使使用半导导体热敏敏元件时时，由于于热敏元元件本身身的发热热会带来来误差。。半导体热热敏元件件的主要要缺点是是它的非非线性特特性，这这限制了了它的应应用范围围。但是是，由于于测量系系统使用用微处理理机，这这种固有有的非线线性可以以用软件件来克服服，使得得半导体体热敏元元件的应应用范围围大大增增加。20217.3电电容容式传感感器平行板电电容器的的电容量量ε0为真空状状态的介介电常数数，ε0=8.854××10-12F/m，，一般运运算中将将干燥空空气的介介电常数数取为真真空状态态的介电电常数ε0；εr为绝缘材材料的相相对介电电系数；；A为平行板板的有效效正对面面积；δ为两平行行板之间间的距离离。22电容式传传感器的的分类根据其改改变参数数不同，，可将电电容式传传感器分分为下三三种：改变极板板之距离离（间隙隙δ)的极距距型传感感器;改变极板板遮盖面面积（A）的面积积型传感感器；改变电介介质之介介电常数数（εr）的介质质型传感感器电容式传传感器若若按极板板的形状状来分，，可分为为平板形形和圆柱柱形两种种。圆柱型电电容器的的电容量量23电容传感感器的非非线性电容量C与两极板板间隙δ呈非线性性关系。。24变极距型型电容传传感器a)、b)变极极式c)差动动变极式式1—固定定极板2—可可动极板板3——被测物物体25变面积型型电容传传感器a)平板板平移式式b)半可调调式c)筒式式d)差动筒筒式1、3——固定极极2——可动极极26变介电常常数型电电容传感感器a)测厚厚度b)测位位移c)测液液量d)测容容量27实例——测量量液面高高度用变介质质式的圆圆柱电容容器测量量液面高高度当液面高高度变化化时，会会引起极极间不同同介质ε0和εr的界面发发生变化化，从而而导致电电容的变变化，且且输出电电容与液液面高度度的数学学表达式式是一个个线性关关系。287.4电电感感式传感感器电感式传传感器的的优点：：结构简单单(因为为没有活活动电触触点，所所以工作作可靠)测量范围围宽(可可达几百百毫米)灵敏度高高(微米米级)重复性好好29电感式位位移传感感器电感式位移传感感器具有有无滑动动触点，，工作时时不受灰灰尘等非非金属因因素的影影响，并并且低功功耗，长长寿命，，可使用用在各种种恶劣条条件下。。线性可调调差动变变压器线性可调调电感传传感器感应同步步器30线性可调调电感传传感器这种传感感器使用用线圈扰扰流器进进行工作作。在100Hz或更更高频率率下对线线圈激磁磁，这时时扰流器器中感生生的涡流流会改变变线圈的的有效电电感，且且此电感感是关于于扰流器器位置的的函数。。由于这种种转换器器没有用用磁性材材料，因因此与其其它电感感转换器器相比，，它受杂杂散磁场场的影响响较小，，且消除除了磁滞滞及磁场场非线性性，测量量位移的的范围可可达220mm。a)内内置式扰扰流器b)外外置式扰扰流器31感应同步步器直线式感感应同步步器包括括一个固固定导轨轨（可达达几米长长）和一一个滑块块。两者者由厚度度为0.1～0.15mm的的空气隔隔开，它它们之间间存在磁磁耦合。。滑块上上装有一一对绕组组，两绕绕组的相相对距离离成1/4节距距，即90°电电角度。。当在滑轨轨线圈上上加一正正弦信号号时（频频率达几几千赫）），滑块块绕组上上将产生生两个电电压，两两个电压压的相位位差是90°，，且电压压的大小小随滑块块位置的的改变而而改变，，因为绕绕组间的的耦合是是变化的的，这种种传感器器的输出出电压，，在一定定条件下下是呈正正弦变化化的。在在几毫米米的距离离内，其其分辨能能力可达达2～3μm。。32直线式感感应同步步器直线式感感应同步步器33电感式速速度传感感器永久磁铁铁相对于于线圈移移动，而而线圈的的感生电电动势是是磁铁运运动速度度及线圈圈尺寸的的函数。。当需要测测量旋转转速度时时可以采采用直流流或交流流转速表表，其输输出电压压即直接接与所测测角速度度成正比比。34电感式传传感器的的应用357.5热热电电传感器器常用的热热电传感感器有热热电阻与与热电偶偶。当导体所所处的环环境温度度发生变变化时，，导体的的电阻值值也会随随着温度度的变化化而变化化，热电电阻传感感器就是是根据这这一特性性来测量量温度的的。在工工业应用用中，热热电阻传传感器常常被用来来测量-200℃～500℃℃范围的的温度。。温度传感感器是实实现温度度检测和和控制的的重要器器件。在在种类繁繁多的传传感器中中，温度度传感器器是应用用最广泛泛、发展展最快的的传感器器之一。。36377.6光光电传感感器从红外到到紫外的的谱范围围内，都都能用光光转换器器进行测测量，在在大多数数情况下下其测量量都是非非接触式式的，并并且能在在恶劣的的环境（（诸如超超高温和和电磁干干扰严重重的场合合）中工工作。电磁波谱谱38光电测量量系统由光电传传感器构构成的光光电测量量系统的的主要组组成部分分有将其其他能量量转换为为光的光光源、光光传输介介质、能能够将输输入物理理量的能能量转换换为对光光能特性性进行修修正的转转换器、、监测转转换器产产生的光光能特性性变化的的检测器器。39光电探测测器光电探测测器的理理论基础础是光电电效应，，光电效效应可分分为三种种不同的的类型。。在光的照照射下，，物体的的电阻（（或电导导）发生生变化的的现象被被称为电导效应应或内光光电效应应，相应的的元件有有光敏电阻阻；在光的照照射下，，电子逸逸出物质质表面的的现象被被称为光电发射射效应或或外光电电效应，此类器器件有光电管、、光电倍倍增管等等；在光的照照射下，，半导体体PN结结产生电电动势或或光电流流增加的的现象被被称为光伏效应应，光电池、、光敏二二极管和和光敏三三极管都属于光光伏效应应的器件件。40光电探测测器热敏光电电探测器器通过监监测入射射的辐射射热在探探测器中中所产生生的热进进行工作作。典型型的装置置（例如如电阻式式辐射热热测量计计或热电电偶）响响应波长长范围为为0.3～30μm，，但其灵灵敏性较较差、响响应时间间长。。量子光电电探测器器利用入入射光在在探测器器中产生生电子空空穴对来来进行工工作。硅硅材料的的量子光光电探测测器利用用光电效效应或光光导效应应工作。。光电效效应是在在PN结结上产生生一个电电压，而而光敏效效应则是是利用入入射能来来改变材材料的导导电性能能。41光电效应应探测器器当适当波波长的光光线照射射到如图图a)所所示的PN结的的耗尽层层上时，，会在PN结上上产生一一个正比比于光强强的电位位差。a)受光光照的PN结b)光光电特性性42光敏电阻阻当光线照照射N型型材料时时，其导导电性发发生显著著变化，，这可以以通过电电桥来检检测。。对于一定定波长的的光线来来说，在在一层二二氧化硅硅（SiO2）上加上上特殊的的材料就就构成了了光敏电电阻。常常用的材材料有锑锑化铟（（InSb）（（适合于于波长为为7μm的光线线）和硫硫化镉（（CdS）（适适合于波波长为0.7μμm的光光线）。。a)结结构b)用光光敏电阻阻构成的的电桥43光电池光电池是是一种直直接把光光能转换换为电能能的光电电元件，，许多材材料都能能制成光光电池，，但硅光光电池由由于其一一系列的的优点用用得最多多。硅光电池池价格便便宜，转换效率率高，寿寿命长，，适于接接受红外外光。硒光电池池光电转转换效率率低(0.02％)、、寿命短短，适于于接收可可见光(响应峰峰值波长长0.56μm)，最最适宜制制造照度度计。砷化镓光光电池转转换效率率比硅光光电池稍稍高，光光谱响应应特性则则与太阳阳光谱最最吻合。。且工作作温度最最高，更更耐受宇宇宙射线线的辐射射。因此此，它主主要用于于宇宙飞飞船、卫卫星、太太空探测测器等的的电源。。硅光电池池是在一一块N型型硅片上上，用扩扩散的办办法掺入入一些P型杂质质，形成成一个大大面积的的PN结结，当PN结受受到的照照射光达达到一定定光强时时，就会会在P区区和N区区之间产产生一定定的电压压，即光光生电动动势。44光电二极极管光电二极极管一般般处于反反向工作作状态，，在没有有光照射射的时候候，光电电二极管管的反向向电阻很很大、反反向电流流很小。。而当光线线照射到到反向偏偏置PN结的耗耗尽层或或耗尽层层的附近近时，耗耗尽层中中会产生生电子空空穴对，，偏置电电压和内内电场使使电子和和空穴运运动而形形成光电电流。a)结结构b)应应用45光电三极极管（光光敏晶体体管）光电三极极管可以以看成是是一个光光敏二级级管与一一个晶体体管组成成，两管管共用一一个基极极。光电电二极管管产生的的反向电电流成为为三级管管的基极极电流，，三级管管将其相相应地放放大。光光电三级级管由于于有了放放大功能能，因此此其灵敏敏性得到到了提高高。a)结结构构b)应应用用46增量量式式直直线线编编码码器器增量量式式直直线线编编码码器器通通常常利利用用莫莫尔尔条条纹纹干干涉涉带带进进行行工工作作。。在在一一块块长长条条型型的的光光学学玻玻璃璃上上均均匀匀地地刻刻上上明明暗暗相相间间、、宽宽度度相相等等的的线线条条，，就就构构成成了了一一条条光光栅栅。。光光栅栅相相对对来来说说比比较较便便宜宜，，且且分分辨辨率率能能达达到到微微米米数数量量级级。。把两两个个相相同同的的光光栅栅叠叠在在一一起起，，并并使使它它们们以以一一个个角角度度θ相交交，，则则会会产产生生一一个个明明暗暗相相间间的的条条纹纹，，即即莫莫尔尔条条纹纹。。利利用用光光栅栅具具有有莫莫尔尔条条纹纹的的特特性性，，可可以以通通过过测测量量莫莫尔尔条条纹纹的的移移动动数数来来测测量量两两个个光光栅栅的的相相对对移移动动。。指示示光光栅栅和和标标尺尺光光栅栅组组成成光光栅栅副副。。固固定定后后者者，，前前者者安安装装在在运运动动部部件件上上47位置置式式(绝绝对对式式)编编码码器器位置置式式编编码码器器不不像像增增量量式式编编码码器器，，它它不不需需要要任任何何外外部部参参照照。。在在需需要要随随时时了了解解物物体体确确切切位位置置的的场场合合下下，，常常用用这这种种编编码码器器。。但但是是，，当编编码码器器用用于于转转数数超超过过一一周周时时，，就就需需要要一一个个记记录录转转数数的的计计数数器器。如图图a)所所示示为为一一个个典典型型的的采采用用雷雷格格编编码码（（反反射射码码））的的8位位旋旋转转式式位位置置编编码码器器，，它它比比图图b)所所示示的的二二进进制制编编码码器器更更为为优优越越，，因因为为二二进进制制编编码码在在任任何何变变化化时时只只有有一一位位发发生生变变化化，，这这就就有有可可能能在在变变化化时时因因错错读读位位而而产产生生误误差差。。48实际际编编码码器器的的码码盘盘增量量式式旋旋转转编编码码器器的的码码盘盘绝对对式式旋旋转转编编码码器器的的码码盘盘49直线线编编码码器器的的结结构构和和光光栅栅混合合式式光光栅栅原原理理图图增量量式式光光栅栅绝对对-混混合合式式光光栅栅绝对对式式条条纹纹增量量式式条条纹纹507.8压压电电传传感感器器和和超超声声换换能能器器压电电器器件件加速速度度的的测测量量湿度度的的测测量量超声声系系统统超声声波波源源超声声波波的的耦耦合合超声声波波接接收收器器超声声法法测测流流量量多普普勒勒流流量量计计传递递时时间间流流量量计计超声声法法测测距距离离51压电电器器件件某些些材材料料的的晶晶体体和和某某些些聚聚合合物物在在受受到到外外力力的的作作用用而而变变形形时时会会在在一一些些特特定定的的晶晶面面之之间间产产生生电电荷荷，，这这种种现现象象称称为为压压电电效效应应。。这这类类材材料料有有石石英英、、酒酒石石酸酸