《机电一体化技术基础》 课件 第3章 传感与检测技术

第3章传感与检测技术3.1认识传感与检测技术3.2常用传感器及其应用知识目标：能力目标：(1) 知道什么是传感与检测技术；(2) 掌握传感与检测技术的组成要素；(3) 熟悉常用传感器的应用特点；(4) 了解传感与检测技术的发展动向。(1) 初步具备识别机电一体化系统五要素的能力；(2) 能从机电一体化系统的观点出发，分析机电设备的工作原理；(3) 会查阅设备相关技术资料。知识导入：

汽车仪表盘之所以能显示温度、转速等多种车况信息，是因为汽车电子控制系统上应用了多种传感器。

那么，什么是传感与检测技术呢？常见的传感器主要有哪些类型？这些传感器主要检测哪些参量？它们常用于什么场合？希望通过下面的学习能得到解答。3.1认识传感与检测技术1.什么是传感与检测技术1)什么是电测法

将采集到的各种非电量转换为电量，然后再进行处理，最后显示或记录非电量值。2）传感器的定义

传感器又称“电五官”，即能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器概念包含三个方面含义：(1) 传感器是一种能够完成提取外界信息任务的装置。(2) 传感器的输入量通常指非电量

(3) 传感器的输出量与输入量之间精确地保持一定规律。

传感器的别称:变送器、发送器、发信器、探头等。这些提法反映了在不同的技术领域中，根据它们的用途使用了不同术语2.传感器的组成

传感器一般由敏感元件、传感元件和测量转换电路三部分组成。（1）敏感元件

直接感受被测量，将被测量→确定关系的某一物理量。（2）传感元件

将上述产生的某一物理量→电参量。（3）测量转化电路

将电参量→便于测量的电信号3.传感器的分类1) 按传感器被测物理量分类

传感器按被测物理量可分为温度、压力、流量、物位、位移、加速度、磁场、光通量等传感器。这种分类方法明确表明了传感器的用途。2) 按传感器工作原理分类

传感器按工作原理可分为电阻传感器、热敏传感器、光敏传感器、电容传感器、电感传感器、磁电传感器等，这种方法表明了传感器的工作原理。3) 按传感器转换能量供给形式分类

按转换能量供给形式不同，可将传感器分为能量变换型(发电型)和能量控制型(参量型)两种。3.传感器的分类4) 按传感器工作机理分类

按工作机理不同，可将传感器分为结构型传感器和物性型传感器。

习惯上常把工作原理和用途结合起来命名传感器，如电容式压力传感器、电感式位移传感器等。3.2常用传感器及其应用1.温度传感器机电一体化系统中常用的温度传感器：

热电阻传感器、热电偶传感器、集成温度传感器等。热电阻传感器热电偶传感器集成温度传感器3.2常用传感器及其应用1.温度传感器1) 热电阻传感器（1）热电阻效应

物质的电阻率随着温度变化而变化的现象称为热电阻效应。（2）热电阻传感器。

根据热电阻效应制成的传感器叫作热电阻传感器。

金属热电阻：简称热电阻，由金属导体制成。半导体热电阻：简称热敏电阻，由半导体材料制成。（3）热电阻传感器分类1) 热电阻传感器（4）热电阻的特点

热电阻主要用于中、低温度(－200℃～650℃)范围内的温度测量。热电阻具有测量精度高，性能稳定等特点，其中铂热电阻的测量精确度是最高的，被广泛应用于工业测温。（5）热电阻的标号

国内统一设计的工业用铂电阻的R0值(0℃时的电阻值)有10Ω、50Ω、100Ω等几种，其相应的分度号为Pt10、Pt50、Pt100等；铜热电阻的R0值有50Ω、100Ω两种，分度号分别用Cu50、Cu100表示。1) 热电阻传感器（6）热电阻的应用举例

图3-9为铂电阻Pt100作为感温元件的室内温度测量电路，包括电桥和放大电路及转换电路，当温度变化时，其阻值发生变化，电桥失去平衡，产生的电势差经放大器进行放大，再加到A/D转换器上，输出的数字信号与微机或其他设备相连。1) 热电阻传感器（7）热敏电阻的特点

热敏电阻测量范围一般在－40℃～350℃，用于各种温度测量、温度补偿及要求不高的温度控制场合。（8）热敏电阻的分类

热敏电阻按温度系数可分为正温度系数热敏电阻(PTC)、负温度系数热敏电阻(NTC)和临界温度系数热敏电阻(CTR)。1) 热电阻传感器（8）热敏电阻的分类

这三类热敏电阻的电阻(Rt)—温度(t)的特性曲线如图3-10所示。

① PTC热敏电阻

电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高，温度越高，电阻值越大。

突变型PTC热敏电阻随温度升高到某一值时电阻急剧增大，如图3-10中曲线3所示，其主要用作温度开关。

缓变型PTC热敏电阻，如图3-10中曲线4所示，其主要用于在较宽的温度范围内进行温度补偿或温度测量。② NTC热敏电阻NTC热敏电阻的电阻值随温度的增加而减小，即所谓负温度系数。如图3-10中曲线1所示。③CTR热敏电阻(临界温度热敏电阻)CTR热敏电阻到达骤变温度时，其电阻急剧下降，如图3-10中曲线2所示。1) 热电阻传感器（9）热敏电阻的使用场合

非常适用于家用电器、空调、复印机、电子体温计、点温度计、表面温度计、汽车等产品中作为加热元件的测温控制。1) 热电阻传感器（9）热敏电阻的使用场合

图3-11为温度报警电路。此电路中Rt为半导体热敏电阻，温度变化引起电阻变化，其电桥输出电压加至运算放大器上，两个晶体管根据放大器输出电压状态处于导通和截止态。温度升高时，阻值变小，VT1导通则VL1发光报警；温度下降时，阻值变大，VT2导通则VL2发光报警；温度不变时两个晶闸管处于截止状态，发光二极管均不发光。1) 热电阻传感器1.温度传感器2) 热电偶传感器（1）热电效应

将两种不同的导体或半导体组成一个闭合回路，当两结合点的温度不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。

（2）热电动势

热电效应产生的电动势称为热电动势。（3）热电偶传感器原理

两种不同的导体或半导体组成一个闭合回路中，直接用作测量介质温度的一端叫作测量端，又称为工作端或热端。另一端叫作冷端，又称自由端或参考端。冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电动势，如图3-12所示。2) 热电偶传感器（4）热电偶传感器定义

热电偶传感器(简称热电偶)就是利用热电效应原理，将温差转换为电动势量的热电动势传感器。热电偶，如图3-13所示。（5）热电偶传感器特点

具有结构简单、使用方便、精度高、热惯性小、测温范围宽、测温上限高、可测量局部温度和便于远程传送等优点。2) 热电偶传感器

（6）热电偶传感器应用举例

图3-14中由毫伏定值器给出设定温度对应的毫伏数，当热电偶测量的热电势与定值器输出的数值有偏差时，说明炉温偏离设定值，此偏差经放大器放大后送到调节器，再经晶闸管触发器推动晶闸管执行器，从而调整炉丝加热功率，消除偏差，达到温控的目的。2) 热电偶传感器

集成温度传感器(温度IC)的原理是利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性进行测温。

集成温度传感器常见形式如图3-15所示。3) 集成温度传感器1.温度传感器3.2常用传感器及其应用2. 电阻应变式传感器（1）应变效应

是指导体或半导体材料在外界作用下(如压力等)，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化的现象。（2）应变片使用方法

其一是将应变片直接粘贴在被测试件上，测量应力或应变；其二是与弹性元件连用，测量拉力、压力、位移、速度、加速度等物理量。（3）电阻应变式传感器组成：电阻应变片+测量转换电路2. 电阻应变式传感器（4）电阻应变片的组成金属丝电阻应变片由敏感栅、基底、覆盖层和引出线组成。（5）应变片的分类2. 电阻应变式传感器金属电阻应变片半导体应变片丝式应变片箔式应变片

半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应来测量应变。所谓压阻效应，是指半导体材料受应力作用时，其电阻率会发生变化的现象。（6）压阻效应：

许多半导体材料和金属材料一样具有电阻应变效应，且电阻应变效应也是由几何效应和压阻效应组成的，所不同的是，半导体材料的压阻效应特别显著。（7）测量转换电路

根据不同的要求，应变电桥有不同的工作方式，

上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，单臂半桥工作方式的灵敏度最低。

在实际应用时，应尽量采用双臂半桥或全桥的工作方式，这不仅是因为这两种工作方式的灵敏度较高，还因为它们都具有实现温度自补偿的功能。（8）电阻应变式传感器的应用2. 电阻应变式传感器①测力传感器（8）电阻应变式传感器的应用②压力传感器。

压力传感器主要用来测量流体的压力。③

位移传感器

应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。④

加速度传感器

通过质量块与弹性元件的作用，可将被测加速度转换成弹性应变，从而构成应变式加速度传感器3. 电涡流传感器1）电涡流原理（1）电涡流

金属导体在置于交变的磁场中时，导体表面会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流。（2）电涡流效应

金属导体在置于交变的磁场中时，导体表面会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，产生的旋涡状的电涡流，这种现象称为电涡流效应。（3）电涡流形成具备的两个条件

形成电涡流必须具备两个条件：存在交变磁场；导电体处于交变磁场中。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。（4）电涡流传感器的定义（5）电涡流传感器的工作原理

电涡流传感器线圈中通入高频电流就产生磁场，这个磁场接近金属物体时会在金属物体中产生电涡流，涡流大小随对象(物体)表面的距离而变化，该涡流变化反作用于线圈，通过检测线圈的输出即可反映出传感器与被接近金属间的距离。（观看视频）2）电涡流传感器的应用（1）电涡流传感器的优点

具有结构简单、灵敏度高、线性范围大、频率响应范围宽、抗干扰能力强等优点，并能进行非接触测量。（2）电涡流传感器的用途

电涡流传感器的几种典型应用：位移测量、振动测量、转速测量、厚度测量、电涡流表面探伤。①

位移和振动测量②

转速测量③

厚度测量④

电涡流表面探伤测量（1）霍尔效应4.霍尔传感器

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应（2）霍尔元件

利用霍尔效应做成的器件。霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。（3）霍尔传感器

将霍尔元件、放大器、温度补偿电路以及稳压电源等制作在一个芯片上，通常称这种芯片为集成霍尔传感器，简称霍尔传感器（4）霍尔传感器的优点

无摩擦热，噪声小；装置性能稳定，寿命长，可靠性高；频率范围宽。（5）霍尔传感器的应用

①转速测量②

微位移测量③

位置检测

霍尔接近开关，又称为无触点开关。1）光纤

光纤通常由纤芯、包层、涂覆层及保护套组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体；包层是玻璃或塑料等材料。5. 光纤传感器

图3-39光纤传感器1—纤芯；2—包层；3—涂覆层；4—保护套2）光纤传感器的三个组成部分

光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件。3）光纤传感器的分类传光型：非功能型光纤传感器传感型：功能型光纤传感器（1）功能型光纤传感器的定义：功能型传感器利用了光纤本身具有的某种敏感功能。光纤一方面起传输光的作用，另一方面作为敏感元件，被测物理量的变化将影响光纤的传输特性，从而将被测物理量的变化转变为光信号。（2）非功能型光纤传感器的定义：它是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号。4）光纤传感器的优点

光纤传感器与传统的传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、测量速度快、信息容量大、适用于恶劣环境、质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。5）光纤传感器的应用

（1）流体分析仪

井下流体通过地层探测针被引入出油管，光学传感器用于分析出油管内的流体。流体分析分光计则提供了原位井下流体的分析结果，并对地层流体的评估、改进提供有效数据。（2）电路板标志孔的检测(3) 转速传感器1）光电编码器的定义7.

光电编码器

光电编码器又称为光电码盘，是通过光电转换把轴转动或角位移转换成脉冲或数字量的传感器。2）光电编码器的结构光电编码器主要由光源、编码盘、光电检测装置组成。机器人定位视频3）光电编码器的分类（1）增量式光电编码器（2）绝对式光电编码器

增量式光电脉冲编码器旋转时,有相应的脉冲输出,其旋转方向的判别和脉冲数量的增减需借助后部的判向电路和计数器来实现。

绝对式光电编码器旋转时,有与位置一一对应的代码(二进制、BCD码等)输出，从代码大小的变更,即可判别正反方向和位移所处的位置,而无须判向电路。4）光电编码器的特点

光电编码器具有高精度、高分辨力、高可靠性及响应速度快等特点，其缺点是抗污染能力差，容易损坏。

增量式光电编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对式光电编码器则可以解决。

绝对式光电编码器具有断电记忆功能。当停电或关机后,在开机重新测量时,仍可准确地读出停电或关机位置的代码。5）光电编码器的应用①位移检测②转速检测编码器的安装位置编码器接控制器光栅尺光栅尺的优点6．光栅尺光栅尺是一种利用光栅的光学原理进行工作的测量反馈装置。高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为位移和角度的检测反馈器件，构成闭环控制系统。1）光栅传感器的分类

按形状和用途可分为长光栅(又称为直线光栅)和圆光栅两种，前者用于直线位移测量，后者用于角位移测量。如图3-44所示。光栅尺定义按光线的走向可分为透射光栅和反射光栅两大类。

由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。

光栅副由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成。

在长光栅中，固定标尺光栅，将指示光栅安装在运动部件上，两者之间形成相对运动。2)光栅尺结构莫尔条纹形成光栅尺的结构1—标尺光栅；2—指示光栅（2）莫尔条纹产生电脉冲

后继电路只需对这种电脉冲信号进行辨向和计数处理，就可知道指示光栅（即运动部件）的移动方向和位移量了。（1）莫尔条纹的产生3）光栅尺的工作原理

和光电编码器一样也是读电脉冲信号。其产生电脉冲的方法运用了莫尔条纹。当指示光栅沿x轴自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带(a-a线和b-b线)将顺序自下而上(图中y方向)不断掠过光敏元件，并且，光栅每移动一个栅距W时，光强变化一个周期，莫尔条纹移动一个莫尔条纹间距B(B=W/sinW/)。这样，光敏元件就能将亮带和暗带的光照强弱处理成高电平和低电平。1—标尺光栅；2—指示光栅（3）莫尔条纹的作用

利用莫尔条纹的位移放大作用和误差平均效应，我们可以使用光栅对肉眼看不见的微位移进行精密测量。4)光栅的应用

光栅传感器在数控设备中，用作位置检测装置，是伺服系统中重要的反馈器件。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动，读取位置信息。

它具有测量精度高，抗干扰能力较强等优点。光栅尺的缺点是价格较昂贵，对工作环境要求较高,油污和灰尘会影响它的可靠性。5)光栅尺的特点作业1.说明增量式光电编码器的工作原理。2.说明绝对式式光电编码器的工作原理。3.