第五章 機電控制工程中的傳感器選擇

1、第五章 機電控制工程中的傳感器選擇本章要點和要求1、 知道傳感器的選擇的原則2、 按所測物理量總結(jié)傳感器的特點3、 掌握傳感器的使用 第一節(jié) 傳感器的定義與組成一、傳感器的定義傳感器是一種以一定的精確度將被測量(如位移、力、加速度等)轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系的、易于精確處理和測量的某種物理量(如電量)的測量部件或裝置。二、傳感器的組成    傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、電子線路等組成。    1、 敏感元件：直接感受被測量、并以確定關(guān)系輸出  物理量。如彈性敏元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應變輸出。   

2、 2、 轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量(如位移、應變、光強等)轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)(如電阻、電感、電容等)等。    3 、基本轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)量轉(zhuǎn)換成便于測量的電量，如電壓、電流、頻率等。 第二節(jié) 傳感器的特性和選用原則一、傳感器的特性傳感器比較常用的性能指標有以下幾種1、輸入量的特性a、量程或測量范圍：傳感器預期要測量的被測量值，一般用傳感器允許測量的上下極限值來表示，其中上限值也稱為滿量程FS。b、過載能力：傳感器允許承受的最大輸入量(被測量)2、響應特性（1）靜態(tài)響應特性a、精度：表示測量結(jié)果與被測的“真值”的接近程度。一般用“極限誤差”或極限誤差與滿

3、量程的比值按百分數(shù)給出。b、重復性反映傳感器在工作條件不變的情況下，重復地輸入某一相同的輸入值，其輸出值的一致性，其意義與精度類似。c、線性度也稱非線性，表示傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系曲線與選定的工作曲線的靠近程度，采用工作直線與實際工作曲線之間的最大偏差值與滿量程輸出之比來表示。d、靈敏度傳感器輸入增量與輸出增量之比。e、穩(wěn)定性(溫度漂移，時間零漂)時間零漂：在規(guī)定的時間內(nèi)，在溫度不變的條件下，零輸出的變化。溫度漂移：當溫度發(fā)生變化時，其輸出特性的變化，通常用零點輸出變化值表示，也可以用它與滿量程的比值來表示。（2）動態(tài)響應特性在被測量的物理量隨時間變化的情況下，傳感器的輸出能否很好地追隨輸

4、入量的變化是一個很重要的問題。有的傳感器盡管其靜態(tài)持性非常好，但由于不能很好追隨輸入量的快速變化而導致嚴重誤差，這種動態(tài)誤差若不注意加以控制，可以高達百分之幾十其至百分之百。這就要求我們要認真注意傳感器的動態(tài)響應持性。  頻率響應特性、幅顛特性、相頻特性、階躍響應特件、時間常數(shù)、上升時間、過沖量(超調(diào)量)、固有頻率、阻尼比(對數(shù)減縮)二、傳感器的選擇原則1、分析受控對象被測物理量：確定受控對象的被測物理量（位移、速度、壓力、溫度、位置）以便選用傳感器的類型。2、分析受控對象的使用環(huán)境：分析受控對象的使用環(huán)境以便選擇某類傳感器中的不同類型的傳感器以適應環(huán)境需要。3、分析傳感器的特性及參

5、數(shù)：將傳感器的特性與受控對象被測物理量的性質(zhì)、受控對象的使用環(huán)境以及受控對象的技術(shù)參數(shù)進行綜合匹配。4、選擇傳感器的生產(chǎn)廠家：選擇傳感器生產(chǎn)廠家的售前和售后服務。第三節(jié) 傳感器的分類（按被測物理量分類）一、位移傳感器1、 電位器電位器分為直線型和旋轉(zhuǎn)型。a、 直線型電位器特點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定。缺點：分辨率不高，易磨損。b、旋轉(zhuǎn)型電位器特點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，動態(tài)范圍寬，輸出信號大（一般不用放大），抗干擾能力強，精度較高。缺點：測量精度較低，轉(zhuǎn)速較高時轉(zhuǎn)軸與襯套會出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。 主要生產(chǎn)廠家：2、 感應同步器感應同步器分為直線式和圓盤式。特點：精度高，測量長度不受限制，對環(huán)境的適應較高，

6、維護簡單，壽命長，抗干擾能力強，工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產(chǎn)。3、 光柵4、 光電編碼器分為絕對式編碼器和增量式編碼器。a、 絕對式編碼器特點：使用壽命長，可靠性高，其精度和分辨率取決于光碼盤的精度和分辨率。缺點：結(jié)構(gòu)較復雜，光源壽命較短。b、 增量式編碼器特點：壽命長，功耗低，耐振動。5、 超聲波傳感器6、 電渦流傳感器特點：結(jié)構(gòu)簡單，頻率響應寬，靈敏度高，測量線性范圍大，抗干擾能力強，體積小。7、 光纖傳感器特點：靈敏度高，精度高，體積小，耐高溫，抗腐蝕。類 型工作特點電阻值滑線式，線位移（分壓式）角位移分辨率較高，可用于靜態(tài)或動態(tài)測量，接觸元件易磨損變阻式，線位移角位移結(jié)構(gòu)牢固

7、，壽命長，但分辨力較差，電噪聲大應變式非粘貼式粘貼式半導體式不牢固牢固，使用方便，要做溫度補償輸出幅值大，溫度靈敏度高電感式自感式 變氣隙式螺管式差動變壓器式適用于微小體溫表移測量使用簡便可靠，動態(tài)性能較差分辨率好，需屏蔽消除雜磁場干擾電渦流式分辨率好，被測手體必須是導體同步電機微動同步器旋轉(zhuǎn)變壓器能在1200r/min轉(zhuǎn)速下工作，工作可靠，對測試和溫度不敏感非線性誤差與變壓比和測量范圍有關(guān)電容式變面積型變極距型介電常數(shù)受環(huán)境溫度，溫度影響較大分辨率很好，測量范圍很小，在較小的極距內(nèi)保持線性霍爾元件式結(jié)構(gòu)簡單，動脈性能好感應同步器直線式旋轉(zhuǎn)式模擬和數(shù)字混合測量系統(tǒng)，數(shù)字顯示（直線感應同步器的分

8、辨率可達1m）計量光柵長光柵圓光柵同上（長光柵分辨率0.11m）激光干涉儀測量精度高、操作簡便，能精確測得位移值及其方向磁柵長磁柵圓磁柵測量工作速度可達12m/min編碼器接觸式光電式分辨率好，可靠性高光纖式纖維光學位移傳感器分辨率高，約0.25m，抗環(huán)境干擾能力強二、速度傳感器1、 測速發(fā)電機分為直流和交流兩種。特點：線性度好，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,低速精確度高,輸出斜率大,可靠性好,壽命長。2、 光纖多普勒速度計3、 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器特點：體積小,結(jié)構(gòu)簡單,無觸點,啟動力矩小等特點,使用壽命長,可靠性高,頻率特4、 電容式轉(zhuǎn)速傳感器5、 光電式轉(zhuǎn)速傳感器 特點：精度高、體積小、重量輕。

9、6、 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 特點：測速范圍寬（0600,000），抗磁場干擾，安裝方便，具有自保護功能（指接線錯誤），結(jié)構(gòu)堅固,防潮,防塵,耐腐蝕。7、 空間濾波器三、加速度傳感器1、 電壓式加速度傳感器2、 傾斜鏡式光纖加速計特點：構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)精亮、靈敏度高，測量范圍大、抗干擾強。四、力和力矩傳感器1、電阻應變式傳感器 特點：精度較高、體積小、重量輕、測量范圍廣、適應性強、固有頻率高可測量變化快的壓力。 缺點：受溫度影響較大。3、 固態(tài)壓阻式傳感器 特點：體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應好。 缺點：受溫度影響較大。4、 變面積式電容傳感器5、 變間隙式電容傳感器特點：結(jié)構(gòu)堅實、靈敏度高、

10、精度高、過載能力大、測量范圍較大。6、 壓電式傳感器特點：體積小、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、頻率響應高、測量范圍交大、精度高。缺點：輸出阻抗高、需要特殊的信號傳輸導線、溫度效應較大。7、 彈性式壓力計特點：機構(gòu)簡單、堅固耐用、指示明顯、價格便宜、精度較高、測量范圍寬、維護方便。 8、頻振式壓力計 9、集成式壓力傳感器五、視覺傳感器 1、CCD傳感器 特點：尺寸小、工作電壓低、壽命長、堅固耐沖擊、信息處理容易。 2、人工視覺系統(tǒng)六、物位傳感器 1、浮子式液位儀計 2、浮筒式液位計 3、電容式物位檢測儀 4、電阻式液位計 5、超聲波物位計 6、核輻射式物位計8、 物位開關(guān)檢測液位方式檢測液位種類基本工作

11、原理適用范圍接觸式液體傳感器差壓式差壓式傳感器是利用液體的壓強原理，在液體底部檢測液底壓強和標準大氣壓的壓差，用固態(tài)壓阻傳感器作為檢測差壓的核心部件適用于液體密度均勻、底部固定條件下的液位檢測浮體式浮體式傳感器主要分為浮筒式與浮子式。一般情況下，浮體與某個測量機構(gòu)相連，如重鍾或內(nèi)置若干個干簧繼電器的不銹鋼管，浮體的運動被重鍾或?qū)恢蒙系母苫衫^電器轉(zhuǎn)換為相應的液位適用于清潔液體的連續(xù)式檢測與位開關(guān)式的液位檢測電容式電容液位式傳感器是利用液位的變化會引起其導電率的變化，從而轉(zhuǎn)換成電容值發(fā)生變化的檢測裝置適用于腐蝕性液體、沉淀性液體和其他化工工藝液體液位檢測直流電極式其檢測原理是利用液體的導電特性

12、，將導電液體的液面升高轉(zhuǎn)換為電路的開關(guān)閉合，該開關(guān)信號直接或經(jīng)由一個簡單電路傳給后續(xù)處理電路適用于導電液體的液位測量光纖液位式光導纖維式傳感器根據(jù)光導纖維中光在不同介質(zhì)中傳輸特性的改變對液位進行檢測可適用于任何液體液位高度的檢測與控制，特別適用于易燃、易爆、腐蝕性液體的檢測非接觸式液體傳感器超聲波超聲波傳感器先向液位面發(fā)射聲波，計量聲波從發(fā)射后到達液面再反射回來所需時間，利用該時間與液位高度成比例的原理進行檢測。超專用波傳感器必須用于能充分反射聲波且傳播專用波的介質(zhì)適用于多種液體液位的檢測核輻射核輻射檢測是利用放射性同位素來進行測量的，根據(jù)被測物質(zhì)對射線的吸收、反射或射線對被測物質(zhì)的電離激發(fā)作

13、用而進行檢測因放射性物質(zhì)對人類有害，只用在部分特殊場合七、色彩傳感器 1、雙結(jié)型彩色傳感器八、光電傳感器 1、光敏電阻 2、光電二級管和光電三級管 3、紅外傳感器九、溫度傳感器 1、金屬熱電阻 特點：溫度性好、互換性好、準確度高、適宜測低溫 2、熱敏電阻： 特點：靈敏度高、體積小、適于遠距離測量、壽命長、廉價 3、熱電偶 特點：結(jié)構(gòu)簡單、準確度較高、穩(wěn)定性好、重復性好、響應時間短。測溫范圍寬，可以遠傳。 4、集成溫度傳感器 5、輻射測溫儀 6、光纖溫度傳感器 特點：靈敏度高、電絕緣性好、抗電磁干擾和輻射、體積小、重量輕、可彎曲。測溫方式溫度計種類測溫范圍/優(yōu)點缺點接觸式測溫儀表膨脹式玻璃液體-

14、50600結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量準確，價格低廉測量上限和精度常駐玻璃質(zhì)量限制，不能記錄和遠傳雙金屬-80600結(jié)構(gòu)簡單緊湊，牢固可靠精度低，量程和使用范圍有限壓力式液體-30600抗振、堅固、防爆，價格低廉精度低，測溫距離短滯后大氣體-20350蒸氣0250熱電偶鉑銠-鉑01600測溫范圍廣，精度高，便于遠距離、多點、集中測量和自動控制需冷端溫度補償，低溫段測量精度較低鎳鉻-鎳鋁0900鎳鉻-考銅0600熱電阻鉑電阻-200500測量精度高，便于遠距離、多點、集中測量和自動控制不能測量高溫，需注意環(huán)境溫度的影響銅電阻-50150熱敏電阻-50300非接觸式測溫儀表輻射式輻射式4002000測

15、溫時不破壞被測溫度場低溫段測量不準確，環(huán)境條件會影響測量準確度光學式7003200比色式9001700紅外線熱敏探測-503200測溫時不破壞被測溫度場，響應快，測溫范圍大，適合測量溫度分布容易受外界干擾，標定困難光電探測03500熱電探測2002000十、氣敏、濕敏傳感器 1、QMN5半導體氣敏元件 特點：適應微量低濃度、壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高、不需要復雜的處理設備2、 半導體陶瓷濕敏元件特點：質(zhì)地堅硬、在水中不膨脹、不溶解、耐高溫導體陶瓷濕敏元件高、二耐老化和抗污染必半導體陶瓷濕敏元件低。十一、接近開關(guān)傳感器1、 機械式接近開關(guān)2、 電感式接近開關(guān)3、 電

16、容式接近開關(guān)4、 霍爾接近開關(guān)5、光電式接近開關(guān)6、熱釋電式接近開關(guān)7、其它型式的接近開關(guān) 常用接近開關(guān)特點簡介近開關(guān)類型 特點電感式接近開關(guān)被測物必須是導體電容式接近開關(guān)被測物不限于導體，可以是絕緣的液體或粉狀物霍爾接近開關(guān)被測物必須是磁性物光電式接近開關(guān)對環(huán)境要求嚴格，無粉塵，被測物對光的反射能力強熱釋電式接近開關(guān)被測物體的溫度必須和環(huán)境溫度有差異十二 、流量傳感器檢測方式檢測種類檢測流量基本工作原理適用檢測流量范圍接觸式流量傳感器電磁式電磁流量式傳感器的原理是在磁感應強度均勻的磁場中，垂直于磁場方向放一個不導磁管道，當導電液體在管道中以一定流速流動時，導電液體就切割磁力線。在管道截面上垂

17、直于磁場的管道兩端安裝一對電極，則電極上會產(chǎn)生感應電動勢，且感應電動勢與流體流量成正比適用于具有自由表面的下水排入領域，并提高該領域的測量精確度熱線式熱敏元件是利用熱平衡原理來測量流體速度的。熱線用電流進行加熱，它的溫度高于周圍介質(zhì)濕度。當周圍介質(zhì)流動時，就會有熱量的傳遞。在穩(wěn)定狀態(tài)下，電流對熱線的加熱熱量等于周圍介質(zhì)的散熱量適用于環(huán)境保護和工業(yè)大中型管道的流量渦輪式當被測流體流經(jīng)渦輪式傳感器時，傳感器內(nèi)的葉輪借助于液體的動能而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，葉輪即周期性地改變磁 電感應系統(tǒng)中的磁 電阻，使通過線圈的磁通量周期性地發(fā)生變化而產(chǎn)生電脈沖信號適用于石油、化工、冶金、科研等領域的液體的流量檢測非接觸式流量

18、傳感器超聲波式超聲波在流動的液體中傳播時，就載上液體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出液體的流速，從而換算成流量適于檢測不易接觸的強腐蝕性、非導電生、放射性和易燃易爆介質(zhì)的流量第四節(jié) 傳感器選用實例一、 同一控制對象選可用不同的傳感器例1 在SFS-II料位儀中，對卸料管中的熟料（物位）的檢測，可選用不同傳感器的傳感器選用，如電容式傳感器、壓力式傳感器、r射線傳感器和聲音傳感器。 例2 在印鈔廢水應急系統(tǒng)中測量液位的方法有： 接觸式測量有：靜壓式、差壓式、浮筒式、電容式等 非接觸式測量：超聲波、核輻射等二、 對同一種傳感器可在不同的控制對象中應用在一般工業(yè)生產(chǎn)場所，電感式接近開關(guān)和

19、電容式接近開關(guān)使用較多，因為這兩種接近開關(guān)對環(huán)境的要求條件較低。當被測對象是導電物體或是可以固定在一塊金屬物上的物體時，一般都選用電感式接近開關(guān)，因為它的響應頻率高、抗環(huán)境干擾性能好、應用范圍廣、價格較低。當被測對象是非金屬（或金屬）、液位高度、粉狀物高度、塑料、煙草等，則應選用電容式接近開關(guān)。這種開關(guān)雖然響應頻率低，但穩(wěn)定性好。另外，在安裝時應考慮環(huán)境因素的影響。當被測物為導磁材料，或者為了區(qū)別和它一同運動的物體而把磁鋼埋在該被測物體內(nèi)時，應選用霍爾接近開關(guān)，它的價格較低。在環(huán)境條件比較好、無粉塵污染的場合，可采用光電接近開關(guān)。光電接近開關(guān)工作時對被測對象幾乎無任何影響。因此，在要求較高的傳真機上、在煙草機械上都被廣泛地使用。在防盜系統(tǒng)中，自動門通常使用熱釋電接近開關(guān)、超聲波接近開關(guān)、微波接近開關(guān)。有時為了提高識別的可靠性，上述幾種接近開關(guān)往往被復合使用。無論選用哪種接近開關(guān)，都應考慮工作電壓、負載電流、響應頻率、檢測距離等各項具體的性能指標?，F(xiàn)以接近開關(guān)為例，分析對同一種傳感器可在不同物理量