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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 常用的传感器,传感器的定义：,直接作用于被测量、能按一定规律将其转换成,同种,或,别种,量值输出的器件，叫做传感器。,通常,传感器的工作情况如下图所示：,传感器,物理量,化学量,生物量,电压（,V,）,电流（,mA,）,频率（,Hz,）,传感器将其它类型的,被测量,转换成,电量,的好处是：,易于测量、易于传输、易于处理、易于转换,被检测的物理量：,力、位移、加速度、温度,等；,被检测的化学量：,气体的化学成分,、液体中的,某种成分的含量,等；,被检测的生物量：,酶、抗菌素,等。,第二章的主要内容,第一节,机械式,传感器,第二节,电阻式,传感器,第三节,电感式,传感器,第四节,压电式,传感器,第五节,光敏,传感器,第六节 其它常用传感器,第七节 传感器的,分类,第八节 传感器的,性能,指标,第一节 机械式传感器,机械式传感器通常以,弹性体,作为传感器的,敏感元件,。,机械式,传感器,力,压力,温度,弹性变形,一、环形测力计,环形测力计一般用来,测力,或,称重,。应用时，用,百分表,测量环形测力计受力后的弹性变形量，,换算成,环形测力计的受力值。,环形测力计携带方便，,不需要电源,，经常用于现场的称重传感器或力传感器的校准（通常用千斤顶作为力源）。,环形测力计的测力精度一般为,0.3 %,。,二、波登管式温度计,波登管式温度计测温的原理是：封闭在感温筒内的酒精的体积随温度变化，造成,波登管的弹性变形,，,带动指针转动，指示温度的数值。,工程中应用的许多温度表就是这种温度计。,这种温度计的特点：,结构简单、价格便宜，不需要电源；,读数不精确，惯性大，响应慢，只适于,静态测量。,三、波纹膜片式压力计,波纹膜片式压力计用于,流体的压力,计量。在计量时，流体的压力作用在膜片上，造成膜片的,弹性变形,，,带动指针转动,，指示压力的数值。,工程中应用的许多压力表就是这种压力计。,这种压力计的特点：,结构简单、价格便宜，不需要电源；,读数不精确，惯性大，响应慢，只适于,静态测量。,第二节 电阻式传感器,电阻式传感器是一种把被测量转化为,电阻阻值变化,的传感器。,电阻式,传感器,位移,转角,应变,阻值变化,电阻式传感器按照工作原理可分为,变阻器式,和,电阻应变式,两类,。,一、变阻器式传感器,变阻器式传感器也称为,电位差式,传感器，它通过改变,电位器触头的位置,，把位移或转角的变化转换为电阻的变化。,左图为测量,直线位移,的变阻器式传感器。,中间图为测量,角位移,的变阻器式传感器。,右图为测量,直线位移,的,非线性输出,变阻器式传感器。,这种传感器价格便宜，但长期使用会因,磨损,影响性能，并且其分辨力不高（一般很难优于,20,m,）。,二、电阻应变式传感器,电阻应变式传感器可用于测量,力、扭矩、位移、加速度,等。,电阻应变式传感器的测量方法是：,把电阻应变片,粘贴在弹性体上,，通过测量弹性体上（贴片部位）的,应变,造成的电阻应变片的,阻值变化,，,间接测量,力、扭矩、位移、加速度等。,（重要概念）,第三节 电感式传感器,电感式传感器是一种把被测量（,位移,）变换为,电感量,变化的传感器，其变换基于,电磁感应,原理。按照变换方式的不同，可分为自感型和互感型。,一、自感型涡电流（电涡流）式传感器,电涡流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的,涡电流效应。,由于涡流磁场的作用，使原线圈的,等效阻抗,Z,（,等效电感,L,等）都发生变化，其变化程度与距离, 有关,。,电涡流传感器,距离,电感,L,电涡流传感器的检测电路有多种形式，其中,调频电路,的工作原理比较简单。,电涡流传感器可用于,动态非接触测量,。其结构简单，能防水和油污，主要性能指标如下：,测量间隙的范围,：,0（110）,mm,最高分辨力,：,1,m,电涡流传感器的,主要用途：,（重要概念）,在被测金属材质不变的条件下，,用于测量与金属之间的间隙，可测量,位移,、,振动,。,（这种用途最广！）,在间隙不变的条件下，,用于测量金属的,电阻率 ,和,磁导率 ,的变化，可以作为,材质鉴别,和,无损探伤,。,电涡流传感器,电涡流传感器的典型应用,回转轴的径向摆动和振动测量,钢板厚度测量,二、互感型差动变压器式传感器,这种传感器是利用电磁感应中的,互感现象,（即变压器的原理），把被测量（,位移,）变换成,感应电势,的变化。,由于在应用中常常采用两个,次级线圈,组成,差动式,传感器，故一般又被称为,差动变压器式传感器,。,差动变压器式传感器的主要性能为：,测量范围：,0,100 mm,测量精度：,0.1,m,有些轧钢机的,辊缝仪,采用这种传感器进行压下螺丝行程测量。,通常，传感器采用,差动,结构形式的目的：,（重要概念）,（,1,）提高传感器的,灵敏度,；,（,2,）增大传感器输出的,线性段范围,。,可以,应用差动变压器的原理，通过测量弹性体的,微小变形,，测量,作用力,F,。,这种传感器的,主要缺点是有,残余电压。,第四节 压电式传感器,压电式传感器的原理是利用某些物质的,压电效应,检测作用力。,一、压电效应,压电材料,外力,表面出现电荷,当外力消失后，材料恢复到原来的状态（电荷消失）。在,外力保持不变时,，电荷会,泄漏,。 因此，,压电式传感器不适合测量静力。,（重要概念）,二、压电材料,常用的压电材料分为三类：,压电单晶、压电陶瓷、有机压电薄膜,目前使用最多的是压电陶瓷（,PZT,锆钛酸铅）。,三、压电式传感器的应用,膜片,压电材料,质量块,壳体,压力传感器,加速度传感器,压电效应是可逆的：,压电晶片可以做,驱动器,。对压电晶片施加,交变电压,，可作为,振动源,，做超声波发生器。,四、测量电路,压电式传感器输出信号是很微弱的电荷，而且本身,内阻很大，输出能量很小,，给后接电路带来困难。,压电式传感器在应用时，一般需要将其输出信号先输入到一个,高阻抗的前置放大器,。,前置放大器主要有两个作用：,（,1,）将传感器的,高阻抗,输出变换为,低阻抗,输出；,（,2,）,放大,传感器输出的微弱信号。,前置放大器分为两种：,（,1,）用电阻反馈的,电压放大器,（工作不稳定，价格便宜）,（,2,）带电容反馈的,电荷放大器,（工作稳定，价格高，,常用,）,电荷放大器的工作原理：,在忽略漏电阻的条件下,电荷放大器的工作原理：,式中,u,i,放大器输入端电压；,u,y,传感器输出端电压,在忽略漏电阻的条件下,（,A,为电荷放大器的,开环增益,。）,C,f,电荷放大器的,反馈电容,。,如果放大器的开环增益足够大，则,上式可简化为,第五节 光敏传感器,光敏传感器是将,光量,转换成,电量,的器件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。,光 敏传感器,光,电量,光敏传感器主要有,光敏电阻,、,光电池,和,光敏晶体管,等。,一、光敏电阻,光敏电阻是一种光电元件，其工作原理是基于半导体材料的,内光电效应,，即当半导体受到光照射时，其电阻值减小的现象。,A ,一般的光敏电阻在,无光照射,时，其,阻值很大,；受到,光照,时，,阻值下降,，其阻值下降的幅度取决于光照的亮度。,L, R I,不同的半导体材料的,光谱特性,不同，应根据入射光波的,波长,选择材料。,对,可见光,： 硫化镉（,CdS,）、,硒化镉（,CdSe,）,对,紫外线域,：氧化锌（,ZnO,）、,硫化锌（,ZnS,）,对,红外线域,：硫化铅（,PbS,）、,硒化铅（,PbSe,）,二、光电池,半导体能够将,光能,直接转换为,电能,。当光电池受到光照时，可直接输出电势。,光电池,实质上是一个,电源,。,常用的光电池有硒、硅、碲化镉、硫化镉等光电池。其中应用最广的是,硅光电池,。,三、光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管是一种有一个,PN,结、并具有,光电,转换功能的晶体二极管。,光敏二极管的,PN,结位于管的顶部，以便接受光照。在,没有光照时,，光敏二极管处于,截止状态,，反向电阻很大，反向电流很小。当,受到光照时,，,PN,结附近受光电子冲击，使得通过,PN,结的反向电流大大增加，,形成光电流,。,光电流随入射光,照度,的变化而变动，光敏二极管就实现了把,光信号,转换成,电信号,的功能。,如果把普通晶体管的,基极集电极,制成,光敏二极管,，则该晶体管就成为,光敏三极管,。,在,光敏三极管内，光敏二极管的,光电流,成为,基极电流,，在三极管内放大，形成集电极电流。,由于光敏三极管的基极电流由其基极集电极结的光电流供给，因而许多光敏三极管,不再设基极引线,。,与光电池、光敏二极管相比，光敏三极管,输出信号大,，产生光电流部分与放大部分集中在一起，具有较好的,抗噪声,等优点；但其,响应速度稍低,。,四、光敏传感器的应用,1.,零件表面缺陷的检测,如果零件表面有缺陷（非圆、粗糙、波纹、裂纹等，会引起光束的偏转或散射，这些光被硅光电池接收，即可转换成电信号输出。,2.,光电转速计,在电动机的旋转轴上涂上,黑白,两种颜色。当电动机转动时，光电元件收到强弱,交变,的反射信号，转换成电信号。再经过放大整形电路，输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电动机的转速。,3.,混浊度检测,把被测物放在光学通路中，光源的部分光通量由被测物吸收，剩余的光通量投射到光电元件上。,因被吸收的光通量与被测物的,透明度,有关，故光电元件收到的光通量也与被测物的透明度有关。所以，通过这种方式可以测量物体的,混浊度,。,4.,表面粗糙度检测,当光源发出的光投射到被测物上时，被测物把,部分光通量,反射到光电元件上。,反射的光通量取决于反射表面的,性质、状态,和与光源之间的距离。利用这个原理可以制成,表面粗糙度测试仪,。,5.,物体位移量检测,当光源发出的光通量被不透光的被测物,遮挡,了一部分时，使投射到光电元件上的光通量,减弱,。,光通量,减弱的程度,与被测物在光学通路中的,位置,有关，由光通量减弱的程度可以准确判断被测物在光学通路中的位置。因此，利用这个原理可以制成,位移计,。,6.,温度检测,当被测物是,光辐射源,时，,被测物发出的光,可以投射到光电元件上。,辐射体的温度不同则其发出的光,波长,和,颜色,就不同。利用这个原理可以制成,光电比色,高温计和,红外,测温仪。,红外测温仪,使用红外测温仪注意目标的,尺寸,（,距离系数,L/d,）！,7.,光电编码器,光电编码器一般用于轴的,角位移,的测量。,转轴,光 电编码器,脉冲,（增量式光电编码器）,编码,（绝对式光电编码器）,（,1,）增量式光电编码器,增量式光电编码器把转轴的,角位移,（转角）变为,脉冲,信号输出，其输出为“,脉冲,/,转,”，最高精度的增量式光电编码器可达到,5000,脉冲,/,转（有些资料上介绍，最高可达到,900000,脉冲,/,转,),。,注意,：,正、反转,！,零位,！,（,2,）绝对式光电编码器,绝对式光电编码器把转轴的,角位移,（转角）变为,二进制编码,输出，最高精度的绝对式光电编码器可输出,13,位,二进制编码（,0,360,转角对应,0,8192,的编码）。,增量式光电编码器的主要缺点是可能出现,累计误差,；并且易受,电磁干扰,。,绝对式光电编码器的主要缺点是检测,超过,360,后难于直接累计。,问题：,检测,超过,360,后能否累计？,第六节 其它常用传感器,一、固态图像传感器,固态图像传感器的功能是把传感器,受光面,的,光像,分解成许多,像元,，并将它们转换为电信号，然后顺序地输送出去。,大部分固态图像传感器的核心部分是,CCD,（,Charge Couple Device,，,电荷耦合器），其原理如下图所示。,CCD,作为,读出移位寄存器,，,顺序地将电信号在输出端,串行输出,。,根据光敏二极管的排列方式，,CCD,可分为：,线阵,CCD 和,面阵,CCD。,目前，在应用中：,线阵 CCD 已能达到,4096,像素；,面阵 CCD 已能达到,1.9,G,像素。,由于光敏二极管排列整齐、尺寸和位置精确，每个光敏二极管的光电荷量不仅含有,光照度,的信息，而且还含有,位置,信息。,固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好和寿命高等优点，并且以光为媒介进行,非接触测量,，可以达到危险地点，因而得到广泛应用。其主要用途为：,（1）,物位、尺寸、形状、表面质量、表面温度等；,（2）作为,光学信息处理的输入环节,，例如电视摄像、传真、扫描仪、数字化的复印机等。,棒材直径在线检测,连铸坯断面尺寸在线检测,钢板表面缺陷检测,1.,半导体热电阻,半导体热电阻是由金属氧化物（,NiO、MnO,2,、CuO、TiO,2,等）的粉末按一定的比例,混合烧结而成的半导体,。,热敏电阻具有,负的电阻温度系数,，其阻值随温度上升而下降。,热敏电阻主要有以下优点：,（1）直径可小到 0.2 mm，热惯性小，响应速度快；,（2）阻值可在 3,700 k, 之间选择，适于远距离测量；,（3）在50350,C 范围内有较好的稳定度。,二、热电阻式温度传感器,外壳,半导体热电阻,导线,半导体热电阻,的主要缺点：,（1）随温度,变化,，其阻值非线性变化；,（2）对环境温度敏感，测量时易受干扰。,2.,铂热电阻,铂热电阻用高纯铂丝制作，一般适用于,0,650,的温度测量。,典型的铂热电阻,PT100,：,t,0,时，,R,100,t,100,时，,R,138.5,3.,热电阻的测量电路,热电阻温度传感器的测量电路一般采用,平衡电桥,方式。,三、超声波物位传感器,超声波物位传感器是利用超声波在气体、液体或固体介质中传播的,回声测距,的原理检测物位。,超声波物位传感器一般由,超声波发生器,、,接收装置,和,计时器,组成。,超声波发生器是通过对压电晶片施加,交变电压,，产生超声波。,测量时，检测,从超声波发生器发出超声波到接收装置收到回声的时间,，根据介质的情况，推算出被测物的距离。,超声波物位传感器使用时应注意：,（,1,）在近距离有,盲区,，测远距离需较大的发射能量；,盲区,（,2,）超声波发射时有,发射角,（大约,6,），远距离测量时声波反射面积较大，测得的距离可能是反射面积中最近点。,
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