机电一体化第三章检测传感器原理与应用.ppt
第三章 检测传感器原理与应用,第一节 传感器的基础知识第二节 角位移检测传感器第三节 线位移检测传感器笫四节 压力检测传感器,下一页,第五节 温度检测传感器第六节 转速检测传感器第七节 其他信号检测传感器习题与思考题,下一页,上一页,第一节 传感器的基础知识,传感器技术是机电一体化系统设计、现代检测技术和自动化控制技术的重要单元之一。它已广泛地应用到人类生活中的各个领域。上到宇宙探测，下到海洋开发，大到现代化生产线的自动化控制中，小到人们的日常生活中所用的家电产品，几乎每一项现代科学技术的发展，都离不开传感器。可以说，自动化的程度愈高，控制系统对所用传感器的要求越高。在航空、航天、兵器工业、民用工业的发展中，传感器技术对机电系统设计的多功能起着决定性的作用。所以，传感器技术也是现代技术中的三大技术（传感器技术、通讯技术、计算机技术）之一。传感器技术的发展，大大地推动了科学技术的发展。新系统、新产品的开发研究，又推动了传感器技术的发展。当今传感器技术的发展方向主要有两个：一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料、新工艺、新方法；二是结合工程需要重点研究微型化、智能化、高精度、多功能式的各种传感器。结合机电系统中的检测系统设计需要，本章介绍各种信号检测传感器原理、性能、特点及应用选用原则。,上一页,下一页,一、传感器的基本用途,1.生产过程中的信号测量与控制在工农业生产过程中，对温度、压力、流量、位移、液位和气体成分等物理信号进行检测，从而实现对工作状态的测量与控制。2.安全报警与环境保护利用传感器可对高温、放射性污染以及粉尘弥漫等恶劣工作条件下的过程参量进行远距离测量与控制，并可实现安全生产。可用于温控、防灾、防盗等方面的报警系统。在环境保护方面可用于对大气与水质污染的监测，放射性和噪声的测量等。3.自动化设备和机器人传感器可提供各种物理信号检测信息，当传感器与计算机结合，使设备的自动化程度大大提高。在现代机器人设计中大量使用多种传感器检测多种物理信号，其中包括力、扭矩、力矩、压力、位移、转速和射线等多种传感器。,上一页,下一页,4.交通运输和资源探测传感器可用于交通工具、道路和桥梁的监测管理，以保证提高运输的效率，防止事故的发生。还可用于陆地与海底资源探测以及空间环境、气象等方面的测量。5.医疗卫生和家用电器利用传感器可实现对病患者的自动监测与监护，可进行微量元素的测定，食品卫生检疫等，尤其是作为离子敏感器件的各种生物电极，已成为生物工程理论研究的重要测试装置。传感器在民用设备中的应用，例如B超检测仪、胃镜检测仪、变频空调机、自动洗衣机、加湿器等，为病因检测和家庭生活提供了使用方便。为机电产品性能安全、可靠及节省能源提供了最佳检测单元。,上一页,下一页,二、传感器的组成与分类,1.传感器的组成人们通常把能够按照一定规律将被测物理量变换为与之相对应的另一种物理量的装置叫做传感器，也叫变换器，又称为探测器。作用是将各种非电量转换成其他量，由接口电路转换输出电压量。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路组成，如图3-1所示。(1)敏感元件:直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量，如弹性敏感元件将应力信号转换为位移或应变量输出。(2)转换元件:将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变等）转换成其他参数如电阻、电感、电容、电荷量变化量或电压量。(3)基本转换电路:将电路参数转换成便于测量的电量如电压、电流、频率等。,上一页,下一页,图3-1 传感器组成框图,上一页,下一页,2.传感器分类目前采用的传感器分类方法主要有：(1)按被测物理量分类。这种方法明确表明了传感器的作用，便于使用者选择，如位移传感器用于测位移，压力传感器用于测量压力等。(2)按传感器工作原理分类。这种方法表明了传感器工作原理，有利于传感器设计和应用，如应变式传感器、压阻式传感器、压电式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式、热电式、半导体式传感器等。(3)按传感器转换能量的方式分类。能量转换型又称发电型，不需外加电源而将被测量转换成电能输出，这类传感器有压电式、热电偶、光电池式等。能量控制型又称参量型，需外加电源才能输出测试电压量。这类传感器有电阻、电感、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等，均需外加工作电源才能实现各种物理量测量。,上一页,下一页,(4)按传感器工作机理分类:结构型。被测参数变化引起传感器的结构变化,使输出电量变化,利用物理学中的定律和运动定律等构成,如电感式、电容式传感器等。物性型。利用某些物质的某种性质随被测参数变化的原理构成。传感器的性能与材料密切相关，如压电传感器、光电传感器、各种半导体传感器等。(5)按传感器输出信号的形式分类:模拟式。传感器输出为模拟电压量。数字式。传感器输出为数字量，如编码器式传感器。习惯上，常把工作原理和用途结合起来命名传感器，如电阻应变式位移传感器、压阻式压力传感器、应变式力传感器、压电式加速度传感器等，有利于设计检测系统选择。,上一页,下一页,三、传感器技术的发展,随着科学技术、微电子技术和计算机技术的发展，促进了传感器技术的发展，使传感器性能、功能和可靠性得到提高。传感器技术的发展是：开展基础研究，采用新原理，开发新材料，采用新工艺，与现代微电子技术、信息处理技术有机结合，扩大传感器的功能与应用范围。1.开发新型传感器利用物理现象、化学反应和生物效应等各种传感器的基本原理，启发人们进一步去发现新现象与新效应，结合新开发的材料和新工艺，并以此研制出具有新原理、新型物理型传感器,这是发展高性能、多功能传感器的重要途径。2.传感器的集成化集成化是指在同一芯片上或将众多同一类型的单个传感器集成为一维、二维阵列型传感器，或将传感器与调整、补偿等电路集成一体化。,上一页,下一页,3.传感器的多功能化多功能化就是使传感器能同时具有多种检测功能。多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向，即在一个芯片上集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感元件，如复合压阻传感器，一个芯片可同时检测压力和温度。4.传感器的智能化智能化的传感器是一种带微型计算机兼有检测、放大、信息处理、人机交互、自诊断和保护等功能的传感器。例如:智能式PPT压力传感器、智能式加速度传感器等。5.开发仿生传感器大自然是生物传感器的优秀设计师。它通过漫长的岁月，不仅造就了集各种感官于一体的人类本身，而且还设计了许多功能奇特、性能高超的生物传感器，且这些功能与性能是人类本身的感官能力远远比不上的或缺少的,上一页,下一页,四、机电一体化系统设计应用传感器选择,在机电一体化系统设计中，信号的检测显示与检测控制是系统设计的重要部分，所选用的传感器工作条件差，工作时间长。传感器的优劣，一般通过主要性能指标来表示。1.传感器的选择要求(1)体积小、质量轻、配套性和适应性好。(2)线性度高、灵敏度高、响应快、信噪比高、稳定性好。(3)安全可靠、寿命长。(4)传感器便于与二次仪表匹配组合。(5)不易受被测对象的影响，也不影响其他单元的正常工作。(6)对环境条件适应能力强（抗电场、磁场、辐射干扰等）。(7)现场使用方便，操作性能好。(8)动态特性好。(9)价格便宜。,上一页,下一页,2.传感器的选择原则在机电系统设计中，可检测的物理量各种各样，可采用的传感器品种很多，为了满足工程实际设计使用要求，对传感器的选择就显得更加重要。对于同一种的被测物理量，可选择各种不同的传感器。具体选择原则是：(1)传感器的量程应大于测试信号最大值的1.21.5倍。(2)传感器的固有频率应大于测试信号频率的510倍。(3)传感器的准确度小于系统总不确定度的1/3倍。(4)传感器的结构尺寸满足总体安装使用要求。(5)传感器工作温度大于传感器测量温度的2倍。(6)长期使用重复性误差小于0.02。(7)传感器安装使用方便，抗干扰性好，可靠性好。(8)价格低廉。,上一页,下一页,五、传感器性能的评价方法,传感器性能分为静态性能指标，动态性能指标。常采用的评价方法是静态标定方法，动态标定方法。根据国家计量规程要求，在传感器出厂前或者是在使用前都必须进行标定。对于不同类型的传感器采用不同的标定或校准方法，确保传感器在使用中可靠性好、安全性好、准确度应满足检测使用要求。1.传感器的标定标定是指利用标准设备产生已知非电量（标准量），或用基准量来确定传感器输出电量与非电输入量之间关系的过程。(1)标定系统的组成。一般由被测非电量的标准发生器，被测非电量的标准测试系统，待标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等组成。(2)静态标定方法。指输入已知标准非电量，测出传感器的输出电压，给出标定曲线，求标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞后性、重复性等传感器的静态性能指标。,上一页,下一页,(3)动态标定方法:用于确定传感器动态性能指标。通过确定其线性工作范围（用同一频率不同幅值的正弦信号输入传感器，测量其输出），频率响应函数，幅频特性和相频特性。2.传感器的校准传感器需定期检测其基本参数，判定是否可继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正。确保传感器的测量准确度的过程，称之为传感器的校准。校准与标定的内容是基本相同的,应用的场合不同和要求不同。,上一页,返回,第二节 角位移检测传感器,一、电阻式角位移传感器1.线绕电位器式角位移传感器原理结构电位器式角位移传感器的工作原理如图3-2所示，结构如图3-3所示。传感器的转轴与待测角度的转轴相连，当待测物体的转轴转过一个角度时，电刷在电位器上转过一个相应的角位移，于是在输出端产生一个跟角度成正比的输出电压U。图中Ui是电位器工作电压。2.性能和用途线绕电位器式角位移传感器性能指标：动态范围 10165 工作温度-50 120 线性度 0.15%3%工作寿命 104 次电位器全电阻102104 这种传感器具有结构简单、体积小、动态范围宽、输出信号大、抗干扰强和准确度较高等特点，已广泛用于检测各种回转角度和角位移量。其缺点是环形各段曲率不一致会产生“曲率误差”，转速较高时会产生动态误差，适用转速较低的角位移测量。,上一页,下一页,图3-2 电位器角位移传感器工作原理图,上一页,下一页,图3-3 电位器角位移传感器结构图,上一页,下一页,二、光电电位器式角位移传感器,光电电位器式角位移传感器的工作原理如图3-4所示，结构如图3-5所示。这种传感器在基体上沉积一层Cds或Cdsa光电导体后，再沉积一定薄膜电阻带。集电极是一条平行电阻带的导电层。电阻带与集电极之间有很窄的缝隙，光电刷的光束可照射在该窄缝上。因为光导材料的暗电阻与光电阻之比可达105108，因此，当窄缝上有光照射时，可看成集电极和电阻带导通，输出端有电压输出，无光照射时，集电极和电阻带之间的窄缝可看成断路。所以，固定在待测角度上的转轴上的光电刷，当随轴在窄缝移动时，输出端输出与角度成正比的电信号。光电电位器式角位移传感器没有金属丝电刷造成的摩擦力矩，它有分辨率高、寿命长、扫描速度快等优点。其缺点是接触电阻较大，输出信号要经过阻抗匹配变换器才能用。主要性能指标：测量范围0150。,线性度0.1%0.5%,分辨率0.01,上一页,下一页,图3-4 光电式角位移传感器的工作原理图,上一页,下一页,图3-5 光电式角位,上一页,下一页,三、电感式角位移传感器,旋转变压器式角位移传感器工作原理：旋转变压器实际上是有次级旋转绕组的变压器，当转子转动时，定子激磁绕组与转子输出绕组之间的耦合发生变化，从而使输出电压按正弦、余弦或线性函数关系变化。旋转变压器的工作原理跟普通变压器的原理相似。普通变压器的输入、输出绕组相对固定，其输出电压与输入电压之比是常数。旋转变压器的激磁绕组和输出绕组分别装在定子和转子上，故输出电压随转子位置而定，如图3-6所示为正余弦旋转变压器工作原理。当D3D4绕组开路，在激磁绕组D1、D2上加交流激磁电压US1时，激磁绕组中有电流IS1，在气隙中建立一个与转子位置无关的交变磁通。若在气隙按正弦分布，则输出绕组Z1、Z2和Z3、Z4上感应电压与角度之间的关系如下：主要性能指标：测量范围 0360 线性度0.1%0.3%分辨率 0.005,上一页,返回,第三节 线位移检测传感器,一、电阻式线位移传感器1.电位器式线位移传感器电位器式线位移传感器有滑线位移式和线绕位移式两种。前者的结构原理如图3-8所示（Ui是电阻丝端电压），当拉杆随待测物体往返运动时，电刷在电阻丝上亦往返滑动，从而使输出端输出与位移量成正比的电压Uo。后者的结构原理如图3-9所示，当电刷随待测物体往返运动时，电刷在电阻丝上亦往返滑动，从而使输出端输出与位移量成正比的电压Uo。电位器式位移传感器的优点是：结构简单、性能稳定。其缺点是分辨率不高，易磨损。主要性能指标：测量范围 1500 mm 线性度0.11 分辨率 0.01 mm,上一页,下一页,图3-8 滑线位移传感器结构原理图,上一页,下一页,图3-9 线绕位移式传感器结构原理图,上一页,下一页,2.电阻应变计式线位移传感器电阻应变计式线位移传感器的结构原理如图3-10所示。其中悬臂梁是等强度的弹性元件。当悬臂梁自由端承受待测物体的作用力F而产生位移时，粘贴在悬臂梁上的应变片产生跟位移成正比的电阻相对变化（R/R）。通过检测电路将电阻相对变化转换成电压和电流输出，结构简单、性能稳定。即可检测物体的位移量。这种传感器的优点是：精度高、结构简单、性能稳定。不足之处是动态范围窄。主要性能指标：测量范围 1100 mm 线性度 0.11 分辨率 0.01 m,上一页,下一页,图3-10 电阻应变计式线位移传感器的结构原理图,上一页,下一页,二、电感式线位移传感器,电感式线位移传感器的用途仅次于前述电阻应变计式线性位移传感器。下面主要介绍应用最为广泛的差动电感式和差动变压器式线位移传感器。1.差动电感式线位移传感器差动电感式线位移传感器的结构原理如图3CD*211所示，两个螺旋形线圈跟电桥的两臂相连，并对接在同一圆柱形线圈筒上。磁芯能在不锈钢的导向管中自由移动，磁芯和套筒均由导磁材料构成，二者形成磁回路。当磁芯受待测物体位移产生的力作用时，由于磁芯在导向管中移动切割磁力线产生电动势使电桥失去平衡，其电桥式检测电路输出与待测物体位移成正比的电压信号。这种传感器具有动态范围宽和线性度好的优点，其缺点是有残余电压。主要性能指标：测量范围 1 mm200 mm500 mm1 000 mm(WYAC系列)线性度 0.10.05 输出灵敏度1550 mV/mm 分辨率 L0.01 m 工作电压(AC)5V/1 kHz,上一页,下一页,图3-11差动电感式线位移传感器的结构原理图,上一页,下一页,图3-13 差劲变压器式线位移传感器电路图,上一页,下一页,2.差动变压器式线位移传感器 差动变压器式线位移传感器是将被测量转化为线圈的互感变化，其结构原理图，如图3-12所示，初级线圈（L1）由交流电源励磁，交流电的频率称为励磁频率。两个次级线圈（L2,L3）接成差动式，如图3-13所示。它们反向串接，输出电压U是两次级线圈的感应电压差值，故称差动变压器。当磁芯处于整个线圈中心位置时，两个次级线圈的磁阻相等，当磁芯移动时，将产生与位移成线性关系的感应电压U。这种传感器具有分辨率高、线性度好等优点，其缺点是残余电势较大。主要性能指标：测量范围 1 mm500 mm1 000 mm 线性度 0.10.05(LVDT系列)分辨率L0.01 m,上一页,下一页,三、电容式线位移传感器,平板电容器的电容（C）决定于极板的工作面积（S）、极板间介质的介电常数（）和极板间的距离（），这些参数之间有如下关系 C=S/显然，位移使电容器的S、三个参数中的任意一个发生变化，均会引起电容量的变化。通过检测电路将电容量的变化转换为电压信号输出，这样即可确定位移量的大小和方向。电容式线位移传感器具有结构简单、动态性能好、灵敏度和分辨率高等特点。它可用于无接触检测，并可在恶劣环境下工作。可广泛应用于检测位移、振动、角度、速度、加速度、压力等参数。主要性能指标：测量范围 1100 mm 线性度 0.11 分辨率L0.01 m,上一页,下一页,四、光栅式线位移传感器,光栅式线位移传感器的结构原理如图3-14所示。主光栅上面均匀地刻上许多线纹，形成明暗交错的线条。两块光栅平行安装，并使它们的刻线互相倾斜一个很小的角度，在平分线方向移动，主光栅移动方向改变，莫尔条纹也相应改变移动方向。设光栅的栅距为W，由图3-15可知，相邻两莫尔条纹的间距为：B=W/(2sin/2)=W/若用计数器记录下光栅上的移动通过的条纹数，即可测试主光栅移动的距离。主要性能指标：测量范围 101 000 mm 分辨率 0.110 m响应速度 300 mm/s 线性度 0.2%,上一页,下一页,图3-14光栅式线位移传感器的结构原理图,上一页,下一页,图3-15 莫尔条纹,上一页,下一页,五、激光式线位移传感器,激光式线位移传感器主要装置是迈克尔逊干涉仪，其工作原理如图3-16所示。图中A是激光器，它产生的激光通过透镜组成的准直系统F0，投射到分束器C上。一部分激光透过C入射到反射镜M2上（D是M2的虚像），并被M2反射后，经C再次反射，投射到光电接受器B上。另一部分光反射到反射镜M1上，再被M1反射后也入射到B上。因此，投射到B上的两束光产生干涉，由光电接收器检测到最大峰值的干涉条纹被B转换为电脉冲信号。当固定在待测物体上的M2移动时，干涉条纹产生位移，光电接收器检测到的光强度发生变化。根据计数系统计数，即可确定相应的位移变化。这种传感器动态范围宽、精度高、可用于非接触检测。其缺点是装置复杂、使用调试不方便、价格高。主要性能指标：测量范围 02 m 分辨率 0.11 m 线性度 0.10.5%.,上一页,下一页,图3-16 迈克尔逊干涉仪的工作原理图,上一页,返回,第四节 压力检测传感器,压力参数检测是工业生产、科学研究、国防科技、生物医疗等各个领域经常需要测量的重要参数，也是日常生活中经常遇到的最基本、最重要的检测参数。一、压力传感器分类1.按传感器的工作原理分类按压力传感器的工作原理可分为电阻应变式、压阻式、压电式、电感式、电容式等。2.按传感器的测量范围分类按压力传感器的测量压力范围可分为绝压式、低压式、中压式、高压式等。例如：常用的大气参数测量是绝压式及低压测量，从负压到正压范围内测量，可用压阻式传感器。高炮膛压测量从4001 000 MPa等，可用压电式、压阻式高压传感器测量。中压测量从0.3530 MPa。3.按传感器的应用环境分类按压力传感器的检测工作环境温度分为常温式、中温式、高温式等。,上一页,下一页,二、压力检测方法,压力检测应用十分广泛，检测量大小不同，检测目的要求精度不同，选择相应检测方法，根据检测压力原理，可分为如下几种压力检测方法：1.弹性变形原理检测法根据弹性元件受力变形原理，将压力转换成位移，如弹簧管压力表等。2.塑性变形原理检测法根据材料受力压缩变形原理，将压力转换成压缩量，如铜柱、铜球测压器3.液体压力平衡原理检测法通过液体产生或传递压力使其与被测压力相平衡，从而得到测量压力，例如：活塞压力计和液柱式压力计。4.利用敏感元件的物理效应原理检测法利用电阻应变式压力传感器、压电式压力传感器、压阻式压力传感器等。,上一页,下一页,三、电阻应变式压力传感器,1.电阻应变式压力传感器工作原理电阻应变式压力传感器根据弹性敏感元件结构不同，最常用的有垂链膜片应变筒式、平膜片式、椭圆管式、扁平管式等几种。它们由弹性敏感元件、应变片、壳体、接线柱组成。图3-17是应变式压力传感器的原理示意图。它主要是由弹性敏感元件、贴在弹性体上的应变片及传力膜片组成。当弹性敏感元件受压力作用产生弹性变形时，贴在上面的应变片也随着发生相应的变形，从而使应变片阻值也随之变化。将应变片接入电桥电路中，就可将电阻值的变化转变成电压或电流的变化，实现了压力信号的测量。,上一页,下一页,图3-17 应变式压力传感器示意图,上一页,下一页,2.常用应变式压力传感器电阻应变式压力传感器类型很多，本节只介绍测量中常用的一种UYYCD1型压力传感器的结构、性能、特点，供使用选择时参考。此传感器结构弹性敏感元件是周边固定的平板圆膜片，其上粘贴一圆形组合式应变片，其中4个应变片组成一个全桥电路。箔式组合应变片的图形是根据膜片应变分布来设计的。3.电阻应变式压力传感器特点(1)准确度高：0.50.05(2)测量范围宽：0.001200 MPa(4)耐高温性好：02 500(3)动态特性好：060 kHz(5)对环境条件适应能力强：抗振动、冲击、干扰性好4.电阻应变式压力传感器性能如表3-1,上一页,下一页,表3-1 压力传感器性能参数,上一页,下一页,四、压阻式压力传感器,压阻式压力传感器是以单晶硅膜片作为敏感元件，在硅膜片上采用不同的工艺制作成四个电阻并组成惠斯登电桥，当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电阻阻值发生变化，使电桥有电压信号输出，利用这种原理制成的压力传感器称为压阻式压力传感器。随着计算机技术、半导体技术的迅速发展，这种类型的压力传感器在国内外受到普遍的重视。已有多家公司研制生产出各种型号、各种量程的压力传感器。根据结构不同，压阻式压力传感器可以用来测量绝压、压差、压力、加速度等。1.压阻式压力传感器的工作原理压阻式压力传感器是由平面应变式传感器发展起来的一种新型传感器 2.压阻式压力传感器的类型压阻式压力传感器包括许多型号的产品，可根据性能、工作方式和封装三个方面加以分类，以便实际设计系统应用时选择。(1)按压阻式压力传感器性能分类。压阻式压力传感器有六种形式，即基本的无补偿型、温度补偿和零点校正型、带放大式、多功能型、智能型、高输入阻抗型。,上一页,下一页,(2)按压力传感器工作方式分类。XT、MPX系列压力传感器分为三种压力信号测量，即绝压测量、差压和表压测量。(3)按压力传感器测试介质分类。压阻式压力传感器根据测量介质分为气体介质式、液体介质式两种形式。在测量压力是气体介质时，可选择任何型号的压阻式压力传感器。(4)按压力传感器使用温度条件分类。压阻式压力传感器使用温度条件分为低温式、常温式、高温式三种形式。在测量压力时应根据测试对象的实际温度范围进行选择。,上一页,下一页,3.压阻式压力传感器的特点(1)结构简单，可微型化，集成化。(2)固有频率高。(3)灵敏度高。(4)精度高。(5)工作可靠，稳定性好，抗振动冲击性好。(6)使用温度范围小：因半导体电阻温度系数大，常用温度范围是-55 120。压阻式压力传感器主要性能指标如表3-2。,上一页,下一页,表3-2 压阻式压力传感器,上一页,下一页,五、压电式压力传感器,1.压电式压力传感器原理压电式压力传感器工作原理是以某些材料的压电效应为基础的。所谓压电效应是物质在机械力作用下发生变形时，内部产生极化现象，而在其表面上产生电荷，去掉外力时，电荷量立即消失，这种现象称为压电效应。具有压电效应的材料很多，如石英、压电陶瓷、酒石酸钾钠、钛酸钡、锆钛酸铅等材料。2.压电式压力传感器特点（1）体积小、质量轻（2）灵敏度高 150800 Pc/MPa（3）量程范围宽 01 000 MPa（4）固有频率高 0100 kHz（5）精度一般 10.3（6）抗干扰、抗冲击能力差（7）适用于动态压力测量,上一页,下一页,六、压力传感器的选择与应用,压力传感器的种类较多，技术指标有10多项，结构尺寸大小不同，量程范围很宽，应用环境条件各种各样，在实际设计检测系统中，应根据具体的使用场合，环境条件和要求，选择较为适用的压力传感器，做到经济、合理。具体选择的方法是：(1)压力测量范围。最大压力范围是指压力传感器能够长时间承受的最大压力，且不引起输出特性发生变化。(2)压力传感器的频响特性。压力传感器的工作频率应大于实测信号的频率1.2倍。以满足测量压力信号不失真、不衰减为准则。(3)压力传感器的准确度。在机电一体化系统设计中，压力传感器工作时间长，要求稳定性、可靠性很高，在满足以上要求条件下，压力传感器的准确度应小于0.3。(4)压力传感器测量温度。压力传感器的温度范围分为补偿温度和工作温度范围。(5)压力传感器的结构尺寸。根据实测对象结构尺寸的大小，所选传感器的结构尺寸满足安装要求，以不影响被测压力值为准则。,上一页,返回,第五节 温度检测传感器,温度传感器是一种将温度变化转换为电量或电参量变化的传感器。一、热电偶式温度传感器热电偶是由两种不同的导体连接成一闭合回路而制成的传感器。1.热电效应热电效应是热电转化的一种现象。热电效应所产生的电动势叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。(1)接触电势。由于不同导体材料中的自由电子密度不同，所以当把两种导体的一端焊接在一起时，在接触面处将发生电子的扩散，假如导体A的自由电子密度比B大，那么电子就由A扩散到B，于是A将因失去电子而带正电，B则带负电。(2)温差电势。温差电势是由于导体两端温度不同而产生的一种电动势。由此可以得出结论：如果使热电偶的冷端温度保持不变，将另一端与被测物体接触，便可以通过测量热电势来确定温度的数值，即为热电偶的工作原理。,上一页,下一页,2.热电偶的基本定律采用热电偶测温度时，经常要用到以下基本定律。(1)均质导体定律。用均匀导体（即导体成分处处一样）组成闭合回路，则不论此导体是否存在温度梯度，均不产生电动势，即回路中无电流（可见热电偶必须由两种不同的均匀导体组成）；反之，此导体定是非均质的。利用这一定律可以检查热电偶材料的均匀性。,上一页,下一页,上一页,下一页,(2)中间导体定律。在热电偶回路中加入第3种导体材料时，如果两接点的温度相同，则对整个回路的热电势无影响。设热电偶热端温度为t，冷端温度为t0。,（3）中间温度定律。当热电偶冷端处于恒定的中间温度t1时(ttt)，总热电势为,上一页,下一页,（4）标准热电极定律。标准热电极定律也称为相配定律。此定律说明，任意三种导体A、B、C组成AB、AC、CB三种热电偶，在相同测温条件下，AB热电偶产生的热电势等于AC和CB热电偶产生的热电势的代数和。用公式表示为,3.热电偶式温度传感器常用材料常用热电偶传感器材料，标准化文件中对同一型号的热电偶规定了统一的热电偶材料及其化学成分、热电性质和允许误差，同一型号的热电偶具有互换性。按照国际计量委员会规定的标准，规定了几种通用热电偶。下面简单介绍我国常用的几种热电偶：(1)铂铑10-铂热电偶（分度号S）：正极为铂铑合金丝（用90铂和10铑冶炼而成），负极为铂丝。特点是材料性能较稳定，测量准确度高，可做成标准热电偶。(2)镍铬-镍硅热电偶（分度号为K）：正极为镍铬合金，负极为镍硅合金。特点是价格比较便宜，在工业上广泛应用。(3)镍铬-康铜热电偶（分度号为E）：正极为镍铬合金，负极为康铜（铜、镍合金冶炼而成）。这种热电偶也称为镍铬-铜镍合金热电偶。(4)铂铑30-铂铑6热电偶（分度号为B）：正极为铂铑合金（70铂和30铑冶炼而成），负极为铂铑合金（94铂和6铑冶炼而成）。(5)钨铼热电偶：正极为钨铼合金（95钨和5铼冶炼而成），负极为钨铼合金（80钨和20铼冶炼而成。它是目前测温范围最高的一种热电偶传感器。,上一页,下一页,4.热电偶测温的主要优点用热电偶测温主要有如下优点：(1)结构简单、使用方便、容易制造、热电偶的大小和形状可按照需要自行配置；(2)测量温度范围广，低温用热电偶可达-200，高温用热电偶可达2 500；(3)测量精确度一般；(4)因为它是自发电型传感器，因此，测量时无须外加电源；(5)易于实现远距离传输和测量。,上一页,下一页,5.热电偶温度传感器应用补偿方法(1)补偿导线法：在使用热电偶测温时，必须使热电偶的冷端温度保持恒定，否则在测温时引入的测量误差将是个变量，要影响测温的准确性。当测温仪与测量点距离较远时，为节省热电偶的材料（或采用标准化的热电偶），通常采用补偿导线。这种导线在一定温度范围内（一般为0+100）与所连接的热电偶具有相同的热电性能，起着延长热电偶的作用。补偿导线一般采用多股廉价金属线制造，不同的热电偶采用不同的补偿导线，廉价金属制成的热电偶，可用本身材料作补偿导线。几种常用的热电偶补偿导线如表3-3所示，其中型号头一个字母与热电偶的分度号对应，字母“X”表示延伸型补偿导线，字母“C”表示补偿型补偿导线。,上一页,下一页,表3-3 常用补偿导线,上一页,下一页,(2)冷端补偿法：热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表，其分度都是指热电偶冷端处在0 时的电势值，因此在实际测量中，应使冷端保持在0，如果冷端不是0，则热电偶的热电势为E(t,0)=E(t,tn)+E(tn,0)(3-11)式中t为被测温度，tn为冷端的实际温度。冷端补偿器法。冷端补偿器是用来自动补偿热电偶测量值因冷端温度变化而变化的一种装置。图3-18是国产WBC型冷端补偿器的工作原理图，从图中可知，它的内部电桥不平衡，其输出端与热电偶串联。补偿热电偶法。当有多支热电偶配有一台显示仪表时，为了节省补偿导线以及不用特大的恒温槽，可以采用加装补偿热电偶的方法。补偿热电偶的材料一般与所用热电偶材料相同，有时也用相应的补偿导线代替。补偿热电偶有两种方法：一是将补偿热电偶的测量端置于恒温器，其温度为tn，冷端恒定在t0，通过连接导线接入测量线路中，如图3-19所示。另一种连接方法是将补偿热电偶的测量端温度恒定在t0，冷端置于温度为tn的恒温器内。多点式仪表本身有转换机构，不需带有转换开关。,上一页,下一页,图3-18 WBC型冷端补偿器的工作原理图,上一页,下一页,图3-19 补偿热电偶连接示意图,上一页,下一页,二、热电阻式传感器,多种物质的电阻率都随本身温度的变化而变化，这一物理现象称为热电阻效应。根据电阻与温度之间的函数关系，可以将温度量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。按照热电阻材料不同可分为金属热电阻和半导体热电阻。通常前者简称为热电阻，后者简称为热敏电阻。1.热电阻工作原理多数金属当温度升高1 时，其阻值约增加0.40.6，称它具有正的温度系数；多数半导体当温度升高1 时，阻值减小36，称它具有负的温度系数；也有少数半导体具有正的温度系数。2.常用金属热电阻温度传感器(1)铂电阻式温度传感器。铂具有热电阻材料的一切主要性质，是制造热电阻式温度传感器的最好材料。温度检测与控制系统设计常用的铂电阻温度传感器，可用简单的分度公式来描述其电阻与温度的变化关系。它的使用范围是-200 800，在如此测量的温度范围内，很难用一个数学公式准确表示，为此采用两个温度范围分别表示：在0800 范围内，铂电阻值与温度的变化关系式为 R=R（1+At+Bt）(3-12),上一页,下一页,在-200 0 范围内，铂电阻值与温度的变化关系式为 R=R1+At+Bt+C(t-100)t(3-13)(2)铜电阻温度计。因为铂材料价格昂贵，所以在机电系统设计中多用铜材料制作成温度传感器，其最大优点是价格便宜，容易加工提取，在-50150范围内，温度传感器电阻与测量温度呈良好线性关系，且稳定性好。其缺点是精度不太高，测量范围较小，一般不能超过150，超过后容易氧化，通常使用温度在100 以下。当温度为-50 150 时，铜的电阻值与测量温度的函数表达式为 R=R（t+Btt）(3-14),上一页,下一页,3.金属热电阻式温度传感器的特点电阻式温度传感器与热电偶温度传感器相比，金属热电阻式温度传感器有以下特点：(1)同样温度下输出信号大，易于测量。(2)热电阻的阻值测量必然借助于外加电源。用电桥将桥臂上阻值的变化转换为电压的输出，热电偶只要两端存在温差，就能输出热电势，可直接进行测量。(3)热电阻和热电偶相比，热电阻的感温体结构复杂、体积较大、热惯性大、不适宜测体积狭小之处的温度，也不适宜测瞬态温度变化，抗机械冲击与振动性能也较差。(4)同类材料的热电阻不如热电偶测温上限高。在0 以下，由于热电偶的输出普遍较小，而热电阻相对反应较灵敏，因而热电阻较适宜测低温。,上一页,下一页,三、集成温度传感器,集成温度传感器的测温范围一般为-50+150，主要用于环境空间温度的检测、控制，以及家用电器中温度检测、控制和补偿。集成温度传感器是一种将感温元件、放大电路、温度补偿电路等功能集成在一块极小芯片上的温度传感器。它是目前温度传感器发展的方向，跟传统的热电阻、热电偶相比，它具有线性度好、灵敏度高、体积小、稳定性好、输出信号大等优点，尤其以线性度好、输出信号大、规范化、标准化等是其他温度传感器无法比拟的。它的输出形式可以分为电压型和电流型两种，其中电压型的灵敏度一般为10 mV/,电流型的灵敏度1A/。,上一页,下一页,表3-4 集成温度传感器性能参数,上一页,下一页,1.电压输出型集成温度传感器这种类型的传感器主要有PC616A/616C，PC3911，LX5600/5700，LM3911，LM135/235/335等类型，它们的优点是具有良好的输出线性度、输出阻抗低、易于和控制电路接口，可用于温度检测控制中，也可用于热电偶的冷端温度补偿和空气温度检PC616是它们的代表产品之一。PC616的应用电路十分简单，图3-20所示是用于测温的两种基本电路。AD590的基本应用电路如图3-23所示。,上一页,下一页,图3-20 PC616基本应用电路,上一页,下一页,2.电流输出型温度传感器其典型代表产品是AD590。这种传感器是利用电路能产生一个与热力学温度成正比的电流作为输出，而作为热力学温度与电流的转换器件。单点调整的方法如图3-21所示，这是一种最简单的方法，只要在外接电阻中串联一个可变电阻RW即可。在25时，调节可变电阻，使电路输出电压值为298.2 mV。由于一点调整仅仅是对某一温度点进行调整，所以在整个温度范围内仍然存在误差。至于这一调整选什么温度值好，要看使用范围来定。双点调整法如图3-22所示，它不仅能调整校正误差的大小，而且还能调整斜率误差，提高测量精度。,上一页,下一页,图3-21 单点调整电路,上一页,下一页,图3-22 双点调整电路,上一页,下一页,图3-23 AD 590基本应用电路原理图,上一页,下一页,四、温度式传感器选用问题,选用温度传感器比选择其他类型的传感器所需要考虑的内容多。首先，必须选择传感器的结构，使敏感元件在规定的测量时间之内达到所测流体或被测表面的温度。温度传感器的输出仅仅是敏感元件测量的温度。实际上，要确保传感器指示的温度即为所测实际的温度，常常是很困难的。在大多数情况下，对温度传感器的选用，需要考虑以下几个方面的问题。(1)被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送。(2)测量温度范围的大小和精度要求。(3)测温传感器的结构尺寸大小是否满足安装要求。(4)在被测温度随时间变化的场合，测温传感器的动态响应能否适应测温要求。(5)被测对象的环境条件对测温传感器的性能是否有损害。(6)价格如何，使用是否方便。,上一页,返回,第六节 转速检测传感器,一、电容式转速传感器电容式转速传感器的结构原理如图3-24所示，当电容极板与齿顶相对时，电容量最大；而电容极板与齿隙相对时，电容量最小。当齿轮旋转时，电容量发生周期性变化，通过电路即可得到脉冲信号，频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z，由计数器得到的频率数计算出测量转速n=60f/z二、电感式转速传感器电感式转速传感器与电容式结构原理相似，当齿轮旋转时，测量方法为每个齿轮接近一次，电感式转速传感器输出一个5 WTBZV方波信号，由测速表记录显示转速大小。设齿数为1，由测速表测的频率计算出测试转速为n=60f 三、光电式转速传感器光电式转速传感器有直射式和反射式两种，前者的结构原理如图3-25所示，输入轴与待测轴相连接，光通过开孔盘和缝隙板照射在光敏元件上。单头反射式光电转速传感器的结构原理如图3-26所示，其工作原理类似上述直射式光电转速传感器，差别仅是光敏元件的受光形式不同。,上一页,下一页,图3-24 电容式转速传
