1.3-传感器原理及应用教案课件

传感器原理及应用教案课件在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量汽车与传感器

高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30～100种传感器。传感器与家用电器

自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院等。传感器在机器人上的应用机械手、机器人中的传感器：转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。机器人服务员AGV自动送货车香港理工AGV模型传感器在生物医学上的应用对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。医学传感器与航空及航天飞行器：控制在预定轨道上陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器航天目录1、什么是传感器2、传感器分类2.1数字量传感器（接近开关、光电开关、磁性开关、霍尔开关）2.2模拟量传感器（温度传感器、流量传感器、压力传感器）2024/9/1一、什么是传感器（1）什么是传感器？（2）传感器的作用是什么？传感器是指这样一类元件：它能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处理和控制

非电学量→传感器→电学量角度位移速度压力温度湿度声强光照传感器电压电流电阻电容一、什么是传感器数字量传感器也叫做开关量传感器，其输出的信号就是一个24V或者0V的电信号例如：接近开关、光电开关、磁性开关、霍尔开关等模拟量传感器主要是应用于自动控制系统中，它将现场采集到的物理信号转换成电信号，并利用变送器开展信号的校正和标准化。0~10V，4~20mA，±10V等类型的电信号例如：温度传感器、流量传感器、压力传感器二、传感器的分类2.1数字量传感器传感器应用的一般模式思考、为什么要经过放大转换电路？1）传感器输出的信号相当微弱，难以直接带动执行机构去实现控制；2）输出的信号进行远距离传送时，为了抵御外界干扰，必须先将信号转换为其他的电信号。驱动其他元件工作显示所测量的数据处理所测量的数据1、接近开关接近开关简介

2.接近开关的特点

接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便；缺点是触点容量较小、输出短路时易烧毁。3.接近开关分类(1)无源接近开关

这种开关不需要电源，通过磁力感应控制开关的闭合状态。当磁质或者铁质触发器靠近开关磁场时，由开关内部磁力作用控制闭合。特点：不需要电源，非接触式、免维护、环保。

(2)涡流式接近开关

这种开关也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场的接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通断。电感式接近开关的工作原理电感式接近开关又称为电涡流接近开关，属于一种开关量输出的位置传感器。它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生交变电磁场的振荡感辨头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体

电感式接近开关工作流程方框图

电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个变交磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。目标离传感器越近，线圈内的阻尼就越大，阻尼越大，传感器振荡器的电流越小。三、电感式接近开关的术语解释

1.动作（检测）距离:动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离是指接近开关动作距离的标称值。2.设定距离：指接近开关在实际工作中的整定距离，一般为额定动作距离的0.8倍。被测物与接近开关之间的安装距离一般等于额定动作距离，以保证工作可靠。安装后还须通过调试，然后紧固。

三、电感式接近开关的术语解释

3.复位距离：接近开关动作后，又再次复位时的与被测物的距离，它略大于动作距离。4.回差值:动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强。接近开关的检测距离与回差不同材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响（以Fe为参考金属）

电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值。磁滞损耗大时，其灵敏度通常较高。接近开关的安装方式：分齐平式和非齐平式。齐平式（又称埋入型）的接近开关表面可与被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，但灵敏度较低；非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把感应头露出一定高度，否则将降低灵敏度。接近开关的安装方式齐平式安装非齐平式安装

响应频率f：按规定，在1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的最大次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。响应时间t：接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。可用公式换算：

t=1/f响应频率及响应时间示意图

输出状态：常开/常闭型接近开关当无检测物体时，对常开型接近开关而言，由于接近开关内部的输出三极管截止，所接的负载不工作（失电）；当检测到物体时，内部的输出级三极管导通，负载得电工作。对常闭型接近开关而言，当未检测到物体时，三极管反而处于导通状态，负载得电工作；反之则负载失电。

导通压降：接近开关在导通状态时，开关内部的输出三极管集电极与发射极之间的电压降。一般情况下，导通压降约为0.3V。导通压降常用的输出形式有：

NPN二线，NPN三线，NPN四线，

PNP二线，PNP三线，PNP四线，

DC二线，AC二线，AC五线（带继电器）等几种。输出形式（1~8）四、电感式接近开关的应用电感式接近开关应用领域：计数、感应物体有无、测量转数、限位控制、距离控制、尺寸控制、检测异常等。1.转速测量若转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为

当金属物体接近开关1时,（常开型）电感式接近开关黑色线由高电平转为低电平,继电器得电常开触点闭合,电子表计时开始.当金属物体接近开关2时,电感式接近开关黑色线也由高电平转为低电平,继电器得电常开触点闭合,电子表计时停止.这段时间就是金属物体从开关1到开关2所用的时间,用开关1、开关2之间的距离除以时间就能得到物体运动的平均速度.2.电感式接近开关光电门3.生产工件加工定位传送机构将待加工的金属工件运送到靠近“减速”接近开关的位置时，该接近开关发出“减速”信号，是传送机构减速，以提高定位精度。当金属工件到达“定位”接近开关面前时，定位接近开关发出“动作”信号，使传送机构停止运行。五、电感式接近开关使用注意事项

1.请勿将电感接近开关置于0.02T以上的磁场环境下使用，以免造成误动作。

2.为了保证不损坏接近开关，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。五、电感式接近开关使用注意事项

3.为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行定期的维护，包括被检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附等。

4.DC二线制接近开关具有0.5~1mA的静态泄漏电流，在一些对泄漏电流要求较高的场合下，可改用DC三线制接近开关。

5.直流型接近开关使用电感性负载时，请务必在负载两端并接续流二极管，以免损坏接近开关的输出级。电容式接近开关

这种开关的测量头构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，也可以是绝缘的液体或粉状物等。

2024/9/1

霍尔接近开关

汽车用速度及里程仪表中速度传感器是十分重要的部件。在汽车行驶过程中，控制器不断接收来自车速传感器的脉冲信号并进行处理，得到车辆瞬时速度并累计行驶路程。霍尔接近开关

利用磁敏元件—霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。

霍尔式接近开关是利用霍尔效应制成的，必须在磁场中工作。

霍尔元件霍尔接近开关光电式接近开关

利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有被检测物体的反光面接近时，光电器件接收到反射光后便在信号端输出，由此便可“感知”有物体接近。

工作原理光电式接近开是把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的它可以在许多场合得到应用。2024/9/12024/9/1

光电开关又称为无接触检测和控制开关。它是利用物质对光束的遮蔽、吸收或反射等作用，对物体的位置、形状、标志、符号等进行检测。光电开关是一种新兴的控制开关。在光电开关中最重要的是光电器件，是把光照强弱的变化转换为电信号的传感元件。光电器件主要有发光二极管、光敏电阻、光电晶体管、光电藕合器等，它们构成了光电开关的传感系统。2024/9/1

光电式接近开关所检测物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号发射出去，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。光发射器件主要是光发二极管，可以是发射红外线、紫外线、激光等。光接收器件主要是光敏感元件，包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。

2024/9/1光敏电阻光电池光敏二极管光敏三极管光发射器件电路符号2024/9/1二、光电式接近开关的分类1.漫反射式光电开关漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器。当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。漫反射光电开关检测

引起理想漫反射的光度分布

2024/9/12.镜反射式光电开关镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体。光电开关发射器发出的光线经过专用反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。镜反射式光电开关检测

2024/9/13.对射式光电开关

对射式光电开关包含在结构上相互分离，光轴相对放置的发射器和接收器。发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。对射式光电开关检测2024/9/14.槽式光电开关

槽式光电开关通常是标准的U字型结构。发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。槽式光电开关检测2024/9/15.光纤式光电开关光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。光纤式光电开关检测

2024/9/1三、光电开关的安装ａ、平行安装ｂ、相对安装ｃ、埋入式安装ｄ、非埋入式安装

光电开关可根据现场环境进行安装。产品的测量精度与安装是否恰当有很大关系。2024/9/1

1.光在发射时会有发散现象，即有一个指向角，检测物或接收器在一定范围内都会接受到光，在安装时，要注意该项指标，避免产生测量误差。ａ、漫反射式光电开关ｂ、镜反射式光电开关ｃ、对射式光电开关2024/9/1

2.漫反射式光电开关发出的光线，需要被检测物表面将足够的光线反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将是决定接受器接收到光线的强度大小，粗糙的表面反射回的光线必将小于光滑表面反射回的强度。在安装时，要注意被测物体表面的反射率。

材料反射率材料反射率白画纸90%不透明黑色塑料14%报纸55%黑色橡胶4%餐巾纸47%黑色布料3%包装箱硬纸板68%未抛光白色金属表面130%洁净松木70%光泽浅色金属表面150%干净粗木板20%不锈钢200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人的手掌心75%2024/9/1材料反射率材料反射率白画纸90%不透明黑色塑料14%报纸55%黑色橡胶4%餐巾纸47%黑色布料3%包装箱硬纸板68%未抛光白色金属表面130%洁净松木70%光泽浅色金属表面150%干净粗木板20%不锈钢200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人的手掌心75%

3.光电开关的应用环境也是影响其长期工作稳定、可靠的重要条件。当光电开关工作在最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境污染，甚至会被强酸性物质腐蚀，会降低使用参数特性，会造成可靠性降低。在应用中，比较简便的解决方法是根据光电开关的最大检测距离（Sn）降额使用，来保证最佳工作距离。2024/9/1四、光电开关的使用注意事项

1.采用反射型光电传感器时，检测物体的表面和大小对检测距离和动作区域都有影响。2.检测微小物体时，要比检测较大物体时的灵敏度小，检测距离小一些。2024/9/1四、光电开关的使用注意事项3.检测物体的表面的反射率越大，检测灵敏度越高，检测距离较大。4.采用反射型光电传感器时，最小检测物体的大小由透镜直径来决定。5.检测凹凸、等级时反射型光电传感器最合适。6.防止光电开关之间相互干扰。2024/9/17.高压线，动力线与光电传感器的配线，应分开走线，否则会受到感应造成误动作。

8

.电源电压应在规定的使用范围内使用。

9.请勿用在灰尘较多、腐蚀性气体较多、水、油、药剂直接溅散的场所使用，室外式太阳等有强光直射的场所。

2024/9/1

10.使用时应在规定的环境温度范围内使用。11.安装时要稳固，不能产生松动或偏斜。

12.安装光电传感器时，不能损坏发射器件或接受器件。(6)热释电式接近开关

用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此即可检测出有物体接近。

2.2模拟量传感器1.温度传感器

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，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。

接触式温度传感器非接触式温度传感器2.1接触式温度传感器

接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。

特点：精度较高。这类传感器结构简单、工作可靠、测量精度高、稳定性好、价格低；但有较大的滞后现象，不方便对运动物体进行温度测量，被测对象的温场易受传感器的影响，感温元件材料的性质决定测温范围等。

常用的有：热电偶、热电阻和热敏电阻等。电阻式温度传感器热电阻的结构:热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。电阻体由电阻丝、引出线、骨架等组成。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。Pt100热电阻传感器工作原理变送器除有传感的功能之外，还有放大整形的功能,输出为标准的控制信号。Pt100变送器可将传感信号转换成统一的标准信号(4~20mADC,0~10VDC)。铂电阻输入一个微弱的电压信号通过变松器可转换成一个标准的4~20mA电信号

回路中所产生的电动势，叫热电动势。热电动势是由两种导体的接触电动势和同一导体的温差电动势所组成。热电偶：由这两种导体的组合并将温度转换成热电动势的传感器。热电偶的结构热电偶测温原理热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电偶将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。热电阻和热电偶的区别热电偶与热电阻的分类常见的热电阻材质大多是单一金属，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小;铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，超过150易被氧化。热电阻的分度号有Cu50，Pt100，Pt1000等等，前面的字母是指热电阻的材质，而后面的数字则是该热电阻的电阻值。热电偶是由两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路，常见的K型热电偶是由镍铬-镍硅组成的。标准化热电偶中国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。热电阻和热电偶的区别连接方式目前热电阻的连接方式主要有三种：两线制、三线制以及四线制。两线制的精度相