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概述在许多丈量系统中，传感器和转换器都是用来获取系统形状信息的。本书采用以下定义，但在运用时通常不做严厉区分。传感器──在丈量系统中，对所测(特定)物理参数发生呼应的器件。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，能量方式也能够发生变化。2数据丈量时的预处置和后处置除了传感器和转换器，丈量系统还包括一个预处置级和后处置级预处置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、呼应并将输入信号提供应传感器。从传感器输出的信号经过后处置级的处置后得到最终输出信号。3一个实例——转速丈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，换能器接纳这些脉冲并将其转换成电脉冲。后处置级对一定时间间隔内发生的脉冲进展计数，并计算出编码盘的旋转速度。4可用于信息传送的能量方式传感器传送信息的物理根底是能量转化。有六种能量方式可用于信息传送。辐射能──包括一切的电磁波谱。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：间隔、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──涉及到物质内部构造和行为，主要参数有：浓度、晶体构造和凝聚形状等。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求外界附加能量。光电转换安装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求外界附加能量。应变片和霍尔器件等间接式传感器那么需求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，典型的被丈量如下位移——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、外表粗糙度等。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、量程等静态性能和呼应特性的动态目的来评价。根据输出信号分类模拟量输出——产生一个延续的输出信号，信号的某些性质直接与被丈量大小有关。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丈量的函数，输出是延续波形或脉冲波形，可以用计数器和定时器将其转化成数字方式。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传感器的普通要求足够的容量——传感器的任务范围或量程足够大；具有一定的过载才干。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；传感器的静态呼应与动态呼应的准确度能满足要求。呼应速度快，任务稳定，可靠性好。运用性和顺应性强——体积小，分量轻，动作能量小，对被测对象的形状影响小；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规范方式，以便与系统对接。运用经济——本钱低，寿命长，且便于运用、维修和校准。9传感器技术的开展传感器技术的开展主要有：半导体硅资料传感器、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才干自校准功能自诊断功能自动定时丈量自动量程转换双向通讯功能含义：两种结合方式：传统的传感器和微处置器〔含采集单元〕独立的，可组合在一同，运用维护改换相对方便把微处置器嵌入到传感器中，半导体类传感器与微处置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传感器技术的开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丈量手段。与接触式丈量相比，非接触式丈量有以下优点：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。防止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方式，它们可以用来丈量直线位移或角位移。在任何情况下，只需改动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，可以运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丈量仪表衔接入输出端时，相当于给输出加了一个负载，将会产生丈量误差。当RL>>R2时，Ro≈R2。因此，为了保证丈量精度，通常次级〔无论是丈量仪表还是信号处置电路〕的输入阻抗越大越好。a)无负载b)有负载14应变片假设将某种导体或半导体资料沿轴向拉伸，那么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。假设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，从而导致电阻变化。轴向加载的拉伸试样电阻应变片15桥式丈量电路应变式电阻传感器常用来丈量力、转矩、压力、加速度等物理量。电阻的变化〔即应变〕通常是由桥式电路丈量的。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丈量的应变片具有一样的温度特性，以消除温度的影响，补偿应变片应安装在离丈量应变片最近的地方，这就需求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、对温度变化呼应速度慢等特点，因此它常用来丈量稳态温度。在如下图的典型运用中，使电阻温度计成为电桥的一个臂。由于热电阻的阻值很小，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根底，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下图的三线衔接。图中，电阻温度计为Rt，导线电阻为r1、r2、r3，普通R1=R2=R为两桥臂电阻，R3是调整电桥的精细电阻。通常，衔接在a、b端的丈量仪表的内阻很大，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，假设让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，其热性能知，通常用来丈量范围在-30℃～200℃的温度。由于它体积小、热惯量小，所以通常用来丈量动态温度。必需留意，在运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陷是它的非线性特性，这限制了它的运用范围。但是，由于丈量系统运用微处置机，这种固有的非线性可以用软件来抑制，使得半导体热敏元件的运用范围大大添加。20217.3电容式传感器平行板电容器的电容量ε0为真空形状的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m，普通运算中将枯燥空气的介电常数取为真空形状的介电常数ε0；εr为绝缘资料的相对介电系数；A为平行板的有效正对面积；δ为两平行板之间的间隔。22电容式传感器的分类根据其改动参数不同，可将电容式传感器分为下三种：改动极板之间隔〔间隙δ)的极距型传感器;改动极板遮盖面积〔A〕的面积型传感器；改动电介质之介电常数〔εr〕的介质型传感器电容式传感器假设按极板的外形来分，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δ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——丈量液面高度用变介质式的圆柱电容器丈量液面高度当液面高度变化时，会引起极间不同介质ε0和εr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：构造简单(由于没有活动电触点，所以任务可靠)丈量范围宽(可达几百毫米)灵敏度高(微米级)反复性好29电感式位移传感器电感式位移传感器具有无滑动触点，任务时不受灰尘等非金属要素的影响，并且低功耗，长寿命，可运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运用线圈扰流器进展任务。在100Hz或更高频率下对线圈激磁，这时扰流器中感生的涡流会改动线圈的有效电感，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资料，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，丈量位移的范围可达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0.1～0.15mm的空气隔开，它们之间存在磁耦合。滑块上装有一对绕组，两绕组的相对间隔成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动而改动，由于绕组间的耦合是变化的，这种传感器的输出电压，在一定条件下是呈正弦变化的。在几毫米的间隔内，其分辨才干可达2～3μm。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挪动，而线圈的感生电动势是磁铁运动速度及线圈尺寸的函数。当需求丈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电感式传感器的运用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丈量温度的。在工业运用中，热电阻传感器常被用来丈量-200℃～500℃范围的温度。温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是运用最广泛、开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，都能用光转换器进展丈量，在大多数情况下其丈量都是非接触式的，并且能在恶劣的环境〔诸如超高温暖电磁干扰严重的场所〕中任务。电磁波谱38光电丈量系统由光电传感器构成的光电丈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、可以将输入物理量的能量转换为对光能特性进展修正的转换器、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实际根底是光电效应，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〕发生变化的景象被称为电导效应或内光电效应，相应的元件有光敏电阻；在光的照射下，电子逸出物质外表的景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添加的景象被称为光伏效应，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经过监测入射的辐射热在探测器中所产生的热进展任务。典型的安装〔例如电阻式辐射热丈量计或热电偶〕呼应波长范围为0.3～30μm，但其灵敏性较差、呼应时间长。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展任务。硅资料的量子光电探测器利用光电效应或光导效应任务。光电效应是在PN结上产生一个电压，而光敏效应那么是利用入射能来改动资料的导电性能。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型资料时，其导电性发生显著变化，这可以经过电桥来检测。对于一定波长的光线来说，在一层二氧化硅〔SiO2〕上加上特殊的资料就构成了光敏电阻。常用的资料有锑化铟〔InSb〕〔适宜于波长为7μm的光线〕和硫化镉〔CdS〕〔适宜于波长为0.7μm的光线〕。a)构造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，许多资料都能制成光电池，但硅光电池由于其一系列的优点用得最多。硅光电池价钱廉价，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，适于接纳可见光(呼应峰值波长0.56μm)，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，光谱呼应特性那么与太阳光谱最吻合。且任务温度最高，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，用分散的方法掺入一些P型杂质，构成一个大面积的PN结，当PN结遭到的照射光到达一定光强时，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普通处于反向任务形状，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。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构成光电流。a)构造b)运用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)构造b)运用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展任务。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。光栅相对来说比较廉价，且分辨率能到达微米数量级。把两个一样的光栅叠在一同，并使它们以一个角度θ相交，那么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，可以经过丈量莫尔条纹的挪动数来丈量两个光栅的相对挪动。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，它不需求任何外部参照。在需求随时了解物体确切位置的场所下，常用这种编码器。但是，当编码器用于转数超越一周时，就需求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，由于二进制编码在任何变化时只需一位发生变化，这就有能够在变化时因错读位而产生误差。

48实践编码器的码盘增量式旋转编码器的码盘绝对式旋转编码器的码盘