传感器与检测系统

第五章 传感器与检测系统 本章的学习内容： 5.1 传感器的分类及特性 5.2 位移传感器 5.3 速度传感器 5.4 加速度传感器 5.5 力、压力和扭矩传感器 5.6 位置传感器 5.1传感器的分类及特性 一、机械量传感器分类 传感器通常是非电物理量转换为与之有确定对应关系 的电量输出的器件或装置。 按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传 感、力传感器、温度传感器等。 温度传感器 压力传感器 扭矩传感器 角位移传感器 位移传感器 按传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、 光电式等等。 压电式加速度传感器 激光位移传感器 光纤式位移传感器 超声波位移传感器传感器 电感式位移传感器 二、传感器的特性 1、静态响应特性 当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出输入特性。 包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。 非线性度 迟滞 灵敏度 2、 动态特性 动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利用 系统的传递函数、频率响应来描述 。 调整时间 峰值时间 最大超调量 振荡次数 延迟时间 上升时间 1）时域指标 2）频域指标 可以用幅频特性和相频特性描述 二阶系统的脉冲输入和响应 二阶系统的阶跃输入和响应 两种典型的输入响应： 5.2 位移传感器 一、电感式位移传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测物理量转 换为电感量的变化。 1、自感型电感式传感器 可变磁阻式电感传感器、电涡流式传感器 2、 互感型电感传感器 自感 L可表示为 ： 灵敏度： 1）可变磁阻式电感传感器 1、自感型电感式传感器 如果将 固定，变化 空气隙导磁截面积 S0时，自感 L与 S0 呈线性关系 可变磁阻式传感器的典型结构：可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈 型、双螺管线圈差动型 。 双螺管线圈差动型，较之单 螺管线圈型有较高灵敏度及 线性，被用于电感测微计上， 其测量范围为 0 300m， 最小分辨力为 0.5m。 2）电涡流式电感传感器 高频反射式涡流传感器：高频 (1MHz)激励电流，产生的高频磁场作 用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。 若只改变距离 而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈 自感的变化。 低频透射式涡流传感器：发射线圈 1和接收线圈 2分别置于被测金属 板材料 G的上、下方。当低频 (音频范围 )电压 e1加到线圈 1的两端后， 所产生磁力线的一部分透过金属板材料 G，使线圈 2产生感应电动势 e2， 且 e2随材料厚度 h的增加按负指数规律减少 。 差动变压器式电感传感器：传感器由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。 当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势 e1和 e2。 传感器的输出电压为两者之差，即 ey=e1-e2。 ev的大小随活动衔铁的 位置而变。当活动衔铁位置居中时， e1=e2， ey=0；当活动衔铁向上移 时，即 e1e2， ey0;当活动衔铁向下移时， e1e2， ey0。活动衔铁 的位置往复变化，其输出电压也随之变化 。 2、 互感型电感传感器 二、电容式位移传感器 电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变 化， 再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信 号输出。 式中： 0 真空的介电常数； s 极板的遮盖面积； 极板间相对介电系数； 两平行极板间的距离。 0 sC 1、 极距变化型电容式传感器 如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板 在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为： 传感器的灵敏度为： 0 2 sdC d 0 2 sdC CK d 2、 面积变化型电容式传感器 动板与定板之间相互覆盖的面积引起电容量变化。当覆盖面积 对应的中心角为 a、极板半径为 r时，覆盖面积为： 电容量为： 其灵敏度为： 2 2 arS 2 0 2 arC 2 0 2 rdCK da 常 数 3、介质变化型电容式传感器的变换原理 这种传感器大多用于测量电介质的厚度 (图 a)、位移 (图 b)、液位 (图 c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改 变而改变来测量温度、湿度、容量 (图 d)等。 4、电容式传感器的测量电路 电容传感器为电桥的一部分。由电容变化转换为电桥的电压输 出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。 1） 电桥电路 电容传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐振回路通过 电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生 变化时，谐振回路的阻抗将发生相应的变化，而这个变化被转换为 电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。 2）谐振电路 3）运算放大器电路 前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化 量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的 限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压约与位移的关 系转换为线性关系。如图所示，反馈回路中的 Cx为极距变化型电 容式传感器的输入电路，采用固定电容 C0， u0为稳定的工作电压。 由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为 三、光栅数字传感器 1、工作原理 光栅是在透明的玻璃上，均匀 地刻出许多明暗相间的条纹， 或在金属镜面上均匀地刻化出 许多间隔相等的条纹，通常线 条和间隙和宽度是相等的。 测量装置中由标尺光栅和指示 光栅组成，两者的光刻密度相 同，但体长相差很多。 把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线 相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条 较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹 几乎成垂直的方向排列。 WbcabB )2/s in ( 2、测量系统 光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可用光电元件接受，如图中 的是四块光电池，光电池产生的信号，相位彼此差 90，对这些 信号进行适当的处理后，即可变成光栅位移量的测量脉冲。 四、 感应同步器 感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有 直线式和圆盘式两类 。 当给滑尺的正余弦绕组同时加励磁电压，则在定尺上感应的总电动势为： s inc o s BABA KUKUeee 五、光电编码器 m/360 0 这种码盘有两个通道与 B（即两组透光和不透光部分），其相 位差 90 ，相对于一定的转角得到一定的脉冲，将脉冲信号 送入计数器。则计数器的计数值就反映了码盘转过的角度。 nmn 3 6 0 5.3 速度传感器 一、 直流测速发电机 用于自动控制中测量转速或速度负反馈校正元件。分为永 磁式和电磁式，常用的是永磁式。 测速发电机的输出电压： 测速发电机的输出特性： 二、码盘式转速转感器 Zt Nn 60 5.4加速度传感器 一、电阻应变式 电阻应变式加速度计原理结构如图所示。它由重块、悬臂梁、应 变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲， 按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情 况下即可算出被测加速度。 二、压电式 将传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产 生惯性力，使压电元件产生变形，压电元件产生的变形和由此产 生的电荷与加速度成正比。 5.5、力、压力和扭矩传感器 一、工作原理 首先由弹性元件将力、力矩、压力等被测量转换成位移 或应变，然后再通过转换元件将相应的位移或应变转换 成电信号输出。 21, G l l G R R EA P E 二、 弹性元件 应变式力传感器的测量范围很大，可以从 5N 10MN以上， 测量精度可以达到 0.03% 2%。 铰链弯曲式弹性元件 梁式弹性元件 受径向载荷 5.6 位置传感器 一、分类 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离 的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置。 位置传感器分为接触式和非接触式两种。 二、接触式位置传感器 所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否已接触信 息的一种传感器。 三、非接触式位置传感器 而非接触式（接近式）传感器是用来判别在某一范围内 是否有某一物体的一种传感器。 超声波传感器结构 CCD图像传感器