传感器与检测系统选择与设计

传感器与检测系统选择与设计第一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五第一节传感器与检测系统概述一、传感器的定义与概述1、传感器的涵义

传感器（TransducerorSensor），有时亦称为换能器、变换器、变送器或探测器，是指能够把规定的被测量（物理量、化学量、生物量等）按照一定的规律转换成可用输出信号（常为电量，如电压、电源、频率、脉冲等）的器件或装置。其主要特征是能够感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。第二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五2、传感器的应用

在自动检测与自动控制系统中，传感器是感受外界信息的关键部件，相当于人的感觉器官，因而有极其重要的作用，对整个系统的性能有决定性的影响。任何自动化系统都离不开和外界的信息交换，没有传感器，这些系统将无法实现任何功能。系统自动化的程度越高，对传感器的要求就越高。各发达国家都将传感器列为优先发展的高技术而倍加重视。传感器技术、传输技术（通讯）和处理技术（计算机）并称为现代信息技术的三大基础。传感器技术已广泛应用于工业自动化、航空航天、军事工程、机器人、资源探测、环境监控、医疗诊断、家用电器等各个学科领域。第三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五第四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五第五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五

检测系统是机电一体化产品中的重要组成部分，它包括传感器及其（信号）检测电路。用于实现计测功能。二、检测系统的功用、组成及基本要求传感器

传输、存储运算、放大……信号处理控制装置显示记录被测物理量（非电量）一次仪表二次仪表电信号图检测系统的组成

（一）检测系统的功用及组成1、何谓检测系统2、检测系统的组成第六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（二）基本要求

1、精度、灵敏度和分辨率高，能满足机电系统对检测精度和速度要求；

2、线性、稳定性和重复性好，工作可靠；

3、静、动态性能好，测量范围大；

4、抗干扰能力强；

5、其它（体积小、重量轻、价格便宜、便于维护和安装，对环境适应能力强等）。第七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五三、传感器的分类与选用（一）分类1、若按传感器输出信号的性质分类第八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五2、按传感器的用途基本被测物理量派生物理量位移线位移长度、位置、厚度、振幅、应变、磨损等角位移角度、偏转角、俯仰角等速度线速度移动、振动、动量、流量等角速度转动、角动量、角振动等加速度线加速度冲击、振动、质量、力、应力等角加速度角冲击、角振动、转动惯量、力矩、转矩等力、压力重力、密度、推力、力矩、转矩、声压、应力等温度热量、比热容等湿度水分、露点等表基本被测物理量及其对应的派生物理量第九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（二）选用选用传感器需从以下几个方面考虑（并注意表4.21和4.22）。

1、检测要求和条件；

2、传感器性能；

3、使用条件。注：①用户需根据使用要求按其主要性能参数，如测量范围、精度、分辨力、灵敏度等选用即可（对传感器的性能指标，应确保主要性能指标，而放宽次要指标，使其更适用）。②所选用的传感器多数已由生产厂家配好转换放大控制电路而不需要用户设计，除非选不到合适的才自己选用传感器的灵敏元件并设计与此相匹配的转换测量电路。第十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（一）光－电转换

入射光照射到PN结上时，使PN结的正向压降发生变化，利用这个特性制作光敏二极管和光敏三级管，使光转换为电压变量。同样，当光照射到半导体材料上时，使电阻发生变化，它将光转换为半导体材料的电阻（或电导）变量。四、传感器的转换原理第十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（二）热－电转换

将半导体材料或导体加热或冷却，使它的电阻发生变化，应用这个效应制作热敏电阻。它将热转换为电阻变量。第十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（三）力－电压转换

外力作用在电阻应变片上，组成电桥的四个电阻的阻值发生变化，R1、R2电阻增大，而R3、R4阻值减小，使电桥失去平衡，有信号输出；输出电压与压力呈线性关系。应用力－电转换原理制作力传感器，其线路图如图所示。第十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（四）力－电荷转换

外力作用在压电晶体（铌酸锂、石英晶体等）上时，使其表面产生电荷或电压变化。根据这个原理制作压电传感器，它将应力转换成电荷Q或电压U变量，如图所示。第十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（五）磁－电转换

线圈内磁芯作上下移动，磁路中磁阻发生变化，利用这个效应制作磁阻传感器。它将磁转换为交流电压的变化，如图所示。

电容传感器是由介质及被介质分开的两个电极组成的，变化电极间的距离或者改变两级间的介质都可引起电容量的变化。电容传感器将所测变量转换为电容变量，如图所示。第十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（六）气体－电阻转换氧化物半导体材料，如SnO2、ZnO、Fe2O3等，当其接触气体时，使其表面（或体内）电阻变化，如图所示。利用这种特性制造各种气体传感器，用来检测一些气体，它广泛用于矿井、工业、环保等领域。它将气体转换为电信号输出，实现了气－电转换。第十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（七）湿度－电阻转换半导体陶瓷（MgCr2O4－TiO2）材料或多孔性绝缘薄膜Al3O3（SiO2）制作在衬底材料，如图所示，当它接触湿度环境时，吸附水汽，使其电阻发生变化；利用这种特性制作湿度传感器。它将湿度转化为电信号输出，实现了湿度－电阻转换。第十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五五、传感器技术的发展方向随着信息和自动化技术的发展，传感器的发展方向主要有：（1）新原理（2）新工艺（3）新材料（4）智能化第十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五第二节传感器的检测电路及其与微机接口敏感元件转换元件基本转换电路电量被测量图传感检测系统构成一、传感器的检测电路（一）传感检测系统构成第十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五1、模拟型测量电路2、数字型测量电路3、开关型测量电路4、转换电路

(1)电桥

(2)放大电路

(3)调制与解调电路

(4)模/数(A/D)与数/模(D/A)转换电路（二）常见的检测电路第二十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五二、传感器的微机接口接口方式基本方法模拟量接口方式传感器输出信号→放大→采样/保持→模拟多路开关→A/D转换→I/0接口→微机开关量接口方式开关型传感器输出二值式信号(逻辑1或O)→三态缓冲器→微机数字量接口方式数字型传感器输出数字量(二进制代码、BCD码、脉冲序列等)→计数器→三态缓冲器→微机（一）传感器与微机的三种基本接口第二十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（二）模拟量输入方式与基本元件（1）单通道直接型

最简单的形式。只用一个A/D转换器及缓冲器将模拟量转换为数字量，并输入微机。受转换电压幅度与速度的限制，应用范围窄。1、四种输入方式（根据模拟量转换、输入的精度、速度和通道等因素确定）第二十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（2）多通道一般型

依次对每个模拟通道进行采样保持和转换，节省元、部件。速度低，不能获得同一瞬时的各通道的模拟信号第二十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（3）多通道同步型各采样/保持同时动作，可测得在同一瞬时各传感器输出的模拟信号第二十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（4）多通道并行输入型

各通道直接进行转换,送入微机或信号通道。灵活性大，抗干扰能力强。根据传感器输出信号的特点可采用采样/保持或不同精度的ADC第二十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五2、基本组成元件图传感器与微机的连接

（1）输入放大器（2）抗频混滤波器（3）采样保持电路（4）模拟多路开关（5）A/D转换器及其与微机的连接第二十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五

在机电一体化产品中，控制系统的控制对象主要是伺服驱动单元和执行机构，受控变量通常是机械运动参数（位移、速度、加速度、力、运动轨迹，以及机器操作和加工过程参数等）。这些参数可以用旋转变压器、感应同步器、测速发电机、光栅、磁栅、编码器等来检测，这些传感器所获得的信息，在开环控制系统中可用于数字显示或误差补偿，在闭环控制系统中作为反馈信息（与给定指令值比较后来实现闭环控制）。第三节机械量检测传感器及应用简介第二十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五一、位置检测传感器

（一）接触式传感器原理结构图第二十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（二）非接触式传感器金属体高频振荡电路检波电路波形整形电路输出电路高频振荡式接近开关原理示意图1、高频振荡式接近开关第二十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五2、静电电容式接近开关检测物体高频振荡电路检波电路整形电路输出电路电极板（检测头）静电电容式接近开关原理示意图第三十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五3、光电传感器光耦合器的图形符号第三十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五二、位移与角度检测传感器（一）电位差计RCV0r(θ)a）电位差计原理示意图b）位移传感器c）角位移传感器图电位差计原理示意图第三十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（二）差动变压器1－线圈架2、5－二次线圈3－一次线圈4－铁心6－测杆图差动变压器位移计原理第三十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（三）磁尺第三十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（四）光栅位移测量装置图（透射）光栅的工作原理第三十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（五）编码器1、基本类型（1）增量式：由于增量式具有结构简单，价格低、精度易于保证等优点，目前采用最多，多用于计数；第三十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五

（2）绝对式绝对式能直接给出对应与每一个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给转数大于一转时，需作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂，成本高。第三十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五2、编码器关联设备（1）连轴节（注意几种常见的连接方式）用以连接转体的轴与光电编码器的轴。连轴节有板式连轴节和波纹管连轴节等。（2）数显表 在LED数显表里，BCD信号、脉冲以及编码器信号均可直接显示。同时采用CPU组合、数显表并行输出使用途更为广泛。（3）BCD变换器 通过该变换器可把增量式编码器信号变换为BCD码信号。（4）f-V变换器 该装置可将单位时间输入的脉冲数按比例变换为电压数值，即当需要将编码器的输出脉冲数变化为电压值时使用。（5）驱动器和接收器 驱动器将编码器信号放大，并被指定接收器接收。第三十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五3、应用举例（车螺纹）光电编码器用于数控机床的简图第三十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五图车螺纹控制示意图a）（1）常规机床加工螺纹式中，

i丝杠——丝杠的调节量；

S（I）——要求的移动速度；

t——为已知量。第四十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（2）数控机床加工螺纹 时间常数：其中，Nr——主轴每转输出的脉冲数；

δ——脉冲当量；

S——被加工螺纹的导程。图车螺纹控制示意图b）第四十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（六）感应同步器1、应用电磁感应原理来测量（角）位移的高精度元件，有直线式和圆盘式两类（检测直线位移和角位移）；2、直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。U02τ0.5τ250mm定尺x正弦励磁A绕组sin余弦励磁B绕组cos滑尺图感应同步器结构示意图第四十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五三、速度与角速度的测量（一）测速发电机

图测速发电机第四十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（二）电机反电势检测法图电机反电势测量第四十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五四、加速度传感器图力型加速度计原理示意图图采用微机测量加速度系统第四十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五五、力和压力传感器（一）应变片图金属丝应变电阻图金属丝应变片第四十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（二）载荷传感器图测力传感器第四十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五（三）压力传感器图扩散硅压力传感器第四十八页，共五十六页，