機(jī)電一體化單元三

1、單元三單元三 機(jī)電一體化傳感檢測(cè)技術(shù)機(jī)電一體化傳感檢測(cè)技術(shù) A教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) B引言引言 3.1傳感器組成與分類傳感器組成與分類 3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 3. 3傳感器的選擇方法傳感器的選擇方法 3. 4傳感器數(shù)據(jù)采集及其與計(jì)算機(jī)接口傳感器數(shù)據(jù)采集及其與計(jì)算機(jī)接口 小結(jié)小結(jié)A教學(xué)目標(biāo)1.掌握傳感器組成及工作原理2.熟悉傳感器的分類3.掌握常用傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用4.掌握開關(guān)量、數(shù)字量、模擬量傳感器輸出信號(hào)處理方法下一頁 返回B 引言 人類為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和改造自然, 依靠自身的感覺器官顯得很不夠用。于是, 一系列代替、 補(bǔ)充、 延伸人的感覺器官功能的各種手段就應(yīng)運(yùn)而生, 從而出現(xiàn)

2、了各種用途的傳感器。隨著電子設(shè)備水平不斷提高以及功能不斷加強(qiáng), 傳感器也越來越顯得重要。一切現(xiàn)代化儀器、設(shè)備幾乎都離不開傳感器。隨著武器裝備和國(guó)防科技的發(fā)展，對(duì)傳感器的配套需求不斷增加，對(duì)傳感器的技術(shù)水平和質(zhì)量提出了更高的要求，世界各國(guó)都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù), 傳感器技術(shù)已成為高新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的核心技術(shù)之一, 并且發(fā)展十分迅速。從市場(chǎng)來看，力、壓力、加速度、物位、溫度、濕度、水分等傳感器應(yīng)用更為廣泛。 上一頁 下一頁 返回3.1傳感器組成與分類傳感器組成與分類 傳感器傳感器( sensor)是能夠檢測(cè)出自然界中的各種物理量是能夠檢測(cè)出自然界中的各種物理量(或者化或者化學(xué)量學(xué)量)，并轉(zhuǎn)

3、換成相應(yīng)非電量或電量的裝置，又稱為變送器、，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)非電量或電量的裝置，又稱為變送器、換能器或探測(cè)器。目前，傳感器在所有領(lǐng)域的工業(yè)制品中已換能器或探測(cè)器。目前，傳感器在所有領(lǐng)域的工業(yè)制品中已經(jīng)是不可缺少的重要部件。經(jīng)是不可缺少的重要部件。 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，被測(cè)量主要指各種物理量。機(jī)電一在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，被測(cè)量主要指各種物理量。機(jī)電一體化中涉及的重要物理量主要有體化中涉及的重要物理量主要有:位置位置(位移位移)、速度、加速度、速度、加速度、角度、轉(zhuǎn)速，以及溫度、濕度、光量、電量、流量、磁場(chǎng)、角度、轉(zhuǎn)速，以及溫度、濕度、光量、電量、流量、磁場(chǎng)、AE、超聲波、紅外線等。、超聲波、紅外線等。

4、上一頁 下一頁 返回3.1傳感器組成與分類傳感器組成與分類3.1.1傳感器的組成傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助部件組成，如傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助部件組成，如圖圖3-1所示。所示。 (1)敏感元件是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的物理量的敏感元件是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的物理量的預(yù)變換裝置，而輸入、輸出間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系預(yù)變換裝置，而輸入、輸出間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系(最好為線最好為線性性)。如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。 (2)傳感元件是將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳感元件是將敏感元件輸出

5、的非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(如電阻、電感、電容等如電阻、電感、電容等)形式。例如將溫度轉(zhuǎn)換成電阻變化，形式。例如將溫度轉(zhuǎn)換成電阻變化，位移轉(zhuǎn)換為電感或電容等傳感元件狀態(tài)的變化。位移轉(zhuǎn)換為電感或電容等傳感元件狀態(tài)的變化。上一頁 下一頁 返回3.1傳感器組成與分類傳感器組成與分類 (3)基本轉(zhuǎn)換電路是將電信號(hào)量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量，如電基本轉(zhuǎn)換電路是將電信號(hào)量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量，如電壓、電流、頻率等。壓、電流、頻率等。有些傳感器有些傳感器(如熱電偶如熱電偶)只有敏感元件，感受被測(cè)量時(shí)直接輸只有敏感元件，感受被測(cè)量時(shí)直接輸出電動(dòng)勢(shì)。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，無需基出電動(dòng)勢(shì)。有些傳感器由敏感

6、元件和轉(zhuǎn)換元件組成，無需基本轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器。還有些傳感器由敏感本轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器。還有些傳感器由敏感元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成，如電容式位移傳感器。有些傳感元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成，如電容式位移傳感器。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換才能輸出電量。器，轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換才能輸出電量。大多數(shù)傳感器是開環(huán)系統(tǒng)，但也有個(gè)別的是帶反饋的閉環(huán)系大多數(shù)傳感器是開環(huán)系統(tǒng)，但也有個(gè)別的是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。統(tǒng)。上一頁 下一頁 返回3.1傳感器組成與分類傳感器組成與分類3. 1. 2傳感器的分類傳感器的分類傳感器分類方法很多，概括起來可按以下幾方面分類。傳感器

7、分類方法很多，概括起來可按以下幾方面分類。(1)按工作的物理原理分為機(jī)械式、電氣式、輻射式、流體式按工作的物理原理分為機(jī)械式、電氣式、輻射式、流體式傳感器等。傳感器等。(2)按信號(hào)的變換特征分為物性型和結(jié)構(gòu)型傳感器。按信號(hào)的變換特征分為物性型和結(jié)構(gòu)型傳感器。 結(jié)構(gòu)型傳感器主要通過機(jī)械結(jié)構(gòu)幾何形狀或尺寸的變化將外結(jié)構(gòu)型傳感器主要通過機(jī)械結(jié)構(gòu)幾何形狀或尺寸的變化將外界被測(cè)量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，界被測(cè)量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測(cè)出被測(cè)量信號(hào)。目前應(yīng)用最為普遍。從而檢測(cè)出被測(cè)量信號(hào)。目前應(yīng)用最為普遍。 物性型傳感器利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實(shí)現(xiàn)測(cè)

8、物性型傳感器利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)等作為敏感材料的固態(tài)器件。量。它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)等作為敏感材料的固態(tài)器件。上一頁 下一頁 返回3.1傳感器組成與分類傳感器組成與分類 (3)按傳感器輸出信號(hào)類型分為模擬型、開關(guān)型和數(shù)字型傳感按傳感器輸出信號(hào)類型分為模擬型、開關(guān)型和數(shù)字型傳感器器 開關(guān)型傳感器只有開關(guān)型傳感器只有“1”和和“0”兩個(gè)值，或開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。兩個(gè)值，或開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。如行程控制時(shí)使用的限位開關(guān)就是開關(guān)量輸出信號(hào)。如行程控制時(shí)使用的限位開關(guān)就是開關(guān)量輸出信號(hào)。 數(shù)字型傳感器分為計(jì)數(shù)型和代碼型。計(jì)數(shù)型常用于檢測(cè)通數(shù)字型傳感器分為計(jì)數(shù)型和代碼型。計(jì)

9、數(shù)型常用于檢測(cè)通過傳送帶上產(chǎn)品的個(gè)數(shù)，又稱為脈沖數(shù)字型過傳送帶上產(chǎn)品的個(gè)數(shù)，又稱為脈沖數(shù)字型;代碼型傳感器又代碼型傳感器又稱為編碼器，輸出的信號(hào)為數(shù)字代碼。稱為編碼器，輸出的信號(hào)為數(shù)字代碼。 模擬型傳感器輸出信號(hào)為一定范圍的電流或電壓模擬信號(hào)。模擬型傳感器輸出信號(hào)為一定范圍的電流或電壓模擬信號(hào)。對(duì)于熱敏電阻器和應(yīng)變片等傳感器信號(hào)來說，其阻抗值變化對(duì)于熱敏電阻器和應(yīng)變片等傳感器信號(hào)來說，其阻抗值變化而引起的信號(hào)變化是連續(xù)的，因此，這些傳感器信號(hào)是模擬而引起的信號(hào)變化是連續(xù)的，因此，這些傳感器信號(hào)是模擬信號(hào)。信號(hào)。上一頁 下一頁 返回3.1傳感器組成與分類傳感器組成與分類 一般情況下，傳感器信號(hào)需

10、要由控制器來進(jìn)行處理，當(dāng)處理一般情況下，傳感器信號(hào)需要由控制器來進(jìn)行處理，當(dāng)處理傳感器信號(hào)時(shí)，需要把模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)區(qū)別開。因此，傳感器信號(hào)時(shí)，需要把模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)區(qū)別開。因此，必須掌握傳感器信號(hào)的性質(zhì)，才能利用控制器正確完成傳感必須掌握傳感器信號(hào)的性質(zhì)，才能利用控制器正確完成傳感器信號(hào)的處理器信號(hào)的處理 (4)按與被測(cè)量間關(guān)系分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型。按與被測(cè)量間關(guān)系分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型。 (5)市場(chǎng)上銷售的傳感器的類型主要按被測(cè)物理量來分類。市場(chǎng)上銷售的傳感器的類型主要按被測(cè)物理量來分類。一般分為位移傳感器、位置傳感器、速度傳感器、加速度傳一般分為位移傳感器、位置傳感器、速度

11、傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。感器、力傳感器、溫度傳感器等。表表3-1列出部分傳感器的工列出部分傳感器的工作原理和主要用途供讀者參考。作原理和主要用途供讀者參考。上一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器在本節(jié)中，根據(jù)被測(cè)物理量的不同分別介紹幾類常用的傳感在本節(jié)中，根據(jù)被測(cè)物理量的不同分別介紹幾類常用的傳感器。器。3. 2.1位置傳感器位置傳感器目前，工廠設(shè)備若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無人化管理，位置傳感器目前，工廠設(shè)備若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無人化管理，位置傳感器必不可少，特別是對(duì)必不可少，特別是對(duì)CNC機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制時(shí)，位機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制時(shí)，位置傳感器起著非常重要的作

12、用。置傳感器起著非常重要的作用。按照是否為接觸檢測(cè)，位置傳感器可分為接觸式開關(guān)、非接按照是否為接觸檢測(cè)，位置傳感器可分為接觸式開關(guān)、非接觸式開關(guān)等。接觸式開關(guān)包含封入式、微動(dòng)開關(guān)、精密式等觸式開關(guān)等。接觸式開關(guān)包含封入式、微動(dòng)開關(guān)、精密式等極限開關(guān)極限開關(guān);非接觸式又分為接近開關(guān)和光電開關(guān)。近年來，非非接觸式又分為接近開關(guān)和光電開關(guān)。近年來，非接觸式的接近傳感器和光電傳感器獲得了極為廣泛的應(yīng)用。接觸式的接近傳感器和光電傳感器獲得了極為廣泛的應(yīng)用。下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 1.極限開關(guān)極限開關(guān)(微動(dòng)開關(guān)微動(dòng)開關(guān)) 接觸式極限開關(guān)主要用于極限位置的檢測(cè)，當(dāng)機(jī)械擋塊撞接觸式極

13、限開關(guān)主要用于極限位置的檢測(cè)，當(dāng)機(jī)械擋塊撞擊到極限開關(guān)滾輪上時(shí)，極限開關(guān)動(dòng)作。極限開關(guān)的外觀和擊到極限開關(guān)滾輪上時(shí)，極限開關(guān)動(dòng)作。極限開關(guān)的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖圖3-2所示。所示。 這種極限開關(guān)具有以下特點(diǎn)。這種極限開關(guān)具有以下特點(diǎn)。 能夠?qū)崿F(xiàn)大容量能夠?qū)崿F(xiàn)大容量(10 A , 250 V AC)的開閉的開閉 壽命長(zhǎng)機(jī)械壽命壽命長(zhǎng)機(jī)械壽命2 000萬次以上，電氣壽命萬次以上，電氣壽命50萬次以上萬次以上(10 A , 250 V AC ) 具有優(yōu)良的動(dòng)作位置精度。動(dòng)作位置精度可達(dá)具有優(yōu)良的動(dòng)作位置精度。動(dòng)作位置精度可達(dá)1 0. 4 mm 取得各國(guó)安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證取得各國(guó)安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證(UL,

14、 CSA, SEMKO ) 圖圖3-3所示為利用極限開關(guān)對(duì)所示為利用極限開關(guān)對(duì)CNC機(jī)床的進(jìn)給平臺(tái)進(jìn)行位置機(jī)床的進(jìn)給平臺(tái)進(jìn)行位置控制時(shí)的一個(gè)實(shí)例?？刂茣r(shí)的一個(gè)實(shí)例。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 接觸式極限開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是接觸式極限開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是:可以制成各種大小和形狀來適應(yīng)安可以制成各種大小和形狀來適應(yīng)安裝環(huán)境，以供使用者選擇，同時(shí)，價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)主要有裝環(huán)境，以供使用者選擇，同時(shí)，價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)主要有兩點(diǎn)兩點(diǎn):一是由于是接觸式，使用時(shí)故障率較高一是由于是接觸式，使用時(shí)故障率較高;二是會(huì)產(chǎn)生電二是會(huì)產(chǎn)生電氣噪聲，需要采取措施來防止噪聲。氣噪聲，需要采取措施來防止噪聲。

15、由于接觸式極限開關(guān)和微動(dòng)開關(guān)存在上述不足之處，近年來由于接觸式極限開關(guān)和微動(dòng)開關(guān)存在上述不足之處，近年來普遍使用噪聲較小的非接觸式位置傳感器。非接觸式位置傳普遍使用噪聲較小的非接觸式位置傳感器。非接觸式位置傳感器主要有接近傳感器和光電傳感器等。有代表性的接近傳感器主要有接近傳感器和光電傳感器等。有代表性的接近傳感器主要有舌簧傳感器感器主要有舌簧傳感器;有代表性的光電傳感器主要有光電開有代表性的光電傳感器主要有光電開關(guān)等。關(guān)等。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 2.接近傳感器接近傳感器 接近傳感器是一種非接觸式位置傳感器，能夠感知物體的接近傳感器是一種非接觸式位置傳感器，

16、能夠感知物體的靠近，利用位移傳感器對(duì)接近物體所具有的敏感特性，達(dá)到靠近，利用位移傳感器對(duì)接近物體所具有的敏感特性，達(dá)到識(shí)別物體靠近、并輸出開關(guān)信號(hào)的目的。它具有速度快、頻識(shí)別物體靠近、并輸出開關(guān)信號(hào)的目的。它具有速度快、頻率高等特點(diǎn)。其代表舌簧傳感器結(jié)構(gòu)如率高等特點(diǎn)。其代表舌簧傳感器結(jié)構(gòu)如圖圖3-4所示。舌簧傳感所示。舌簧傳感器由兩個(gè)簧片組成，在常態(tài)下處于斷開狀態(tài)，當(dāng)與磁塊接近器由兩個(gè)簧片組成，在常態(tài)下處于斷開狀態(tài)，當(dāng)與磁塊接近時(shí)，簧片被磁化結(jié)合，轉(zhuǎn)為接通狀態(tài)，發(fā)出信號(hào)表明物體的時(shí)，簧片被磁化結(jié)合，轉(zhuǎn)為接通狀態(tài)，發(fā)出信號(hào)表明物體的靠近，當(dāng)用于自動(dòng)生產(chǎn)線時(shí)，可用于檢測(cè)物體的有無。其位靠近，當(dāng)用于

17、自動(dòng)生產(chǎn)線時(shí)，可用于檢測(cè)物體的有無。其位置控制方法如置控制方法如圖圖3 -5所示。所示。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 3.光電傳感器光電傳感器 光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器，光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器，又稱為光電開關(guān)。光電二極管是最常見的光電傳感器。光電又稱為光電開關(guān)。光電二極管是最常見的光電傳感器。光電二極管外形與一般二極管一樣，在管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃二極管外形與一般二極管一樣，在管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便光線射入，為增加受光面積，的窗口，以便光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得結(jié)的面積做得較大，光電二極管

18、工作在反向偏置工作狀態(tài)，并與負(fù)載電阻較大，光電二極管工作在反向偏置工作狀態(tài)，并與負(fù)載電阻串聯(lián)。當(dāng)有光照時(shí)，在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化串聯(lián)。當(dāng)有光照時(shí)，在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。而變化的電信號(hào)。 上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器光敏三極管除了具有光電二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光敏三極管除了具有光電二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三極管的外形與一功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三極管的外形與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極發(fā)射極發(fā)射極和集電極，

19、基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。在物理上，由光引起的效應(yīng)主要有在物理上，由光引起的效應(yīng)主要有3種類型，見種類型，見表表3-2。光電傳感器一般由發(fā)光元件光電傳感器一般由發(fā)光元件(發(fā)光二極管，即發(fā)光二極管，即LE D)和受光元和受光元件件(光敏三極管光敏三極管)組合構(gòu)成。其原理如組合構(gòu)成。其原理如圖圖3-6所示。其中發(fā)光元所示。其中發(fā)光元件將電信號(hào)變換成光信號(hào)，而受光元件則把光信號(hào)重新變換件將電信號(hào)變換成光信號(hào)，而受光元件則把光信號(hào)重新變換為電信號(hào)。為電

20、信號(hào)。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器圖圖(a)所示傳感器可檢測(cè)出物體是否從兩元件間通過，稱為透所示傳感器可檢測(cè)出物體是否從兩元件間通過，稱為透過型光電傳感器。圖過型光電傳感器。圖(b)所示傳感器則將光投向物體，然后檢所示傳感器則將光投向物體，然后檢測(cè)其反射光，稱為反射型光電傳感器。測(cè)其反射光，稱為反射型光電傳感器。3. 2. 2位移傳感器位移傳感器按照運(yùn)動(dòng)形態(tài)，位移傳感器可分為直線位移傳感器和角位移按照運(yùn)動(dòng)形態(tài)，位移傳感器可分為直線位移傳感器和角位移傳感器。直線式位移傳感器主要有差動(dòng)變壓器、電位器、光傳感器。直線式位移傳感器主要有差動(dòng)變壓器、電位器、光柵尺、光學(xué)式位移

21、測(cè)定裝置等。角位移傳感器主要有旋轉(zhuǎn)編柵尺、光學(xué)式位移測(cè)定裝置等。角位移傳感器主要有旋轉(zhuǎn)編碼器等。碼器等。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器位移傳感器還可以分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器，模擬位移傳感器還可以分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器，模擬式傳感器輸出是以幅值形式表示輸入位移的大小，如電容式式傳感器輸出是以幅值形式表示輸入位移的大小，如電容式傳感器、電感式傳感器等傳感器、電感式傳感器等; ;數(shù)字式傳感器的輸出是以脈沖數(shù)量數(shù)字式傳感器的輸出是以脈沖數(shù)量的多少表示位移的大小，如光柵傳感器、磁柵傳感器、感應(yīng)的多少表示位移的大小，如光柵傳感器、磁柵傳感器、感應(yīng)同步器等。光電編碼

22、盤的輸出是一組不同的編碼代表不同的同步器等。光電編碼盤的輸出是一組不同的編碼代表不同的角度位置。下面分別介紹模擬式位移傳感器、數(shù)字式傳感器角度位置。下面分別介紹模擬式位移傳感器、數(shù)字式傳感器的原理。的原理。1.1.模擬式位移傳感器模擬式位移傳感器由于電容式、電感式傳感器在原理上有相似之處，所以下面由于電容式、電感式傳感器在原理上有相似之處，所以下面以電感式傳感器為例來介紹模擬式傳感器測(cè)量位移的原理。以電感式傳感器為例來介紹模擬式傳感器測(cè)量位移的原理。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，將被

23、測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種結(jié)構(gòu)型傳感器。按其轉(zhuǎn)換方式的不同，可分感量變化的一種結(jié)構(gòu)型傳感器。按其轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感型和互感型兩種，自感型電感傳感器又分為可變磁阻為自感型和互感型兩種，自感型電感傳感器又分為可變磁阻式和渦流式?；ジ行陀址Q為差動(dòng)變壓器式。式和渦流式?；ジ行陀址Q為差動(dòng)變壓器式。 (1)可變磁阻式電感傳感器。典型的可變磁阻式電感傳感器可變磁阻式電感傳感器。典型的可變磁阻式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如的結(jié)構(gòu)如圖圖3-7所示，主要由線圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵所組成。所示，主要由線圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵所組成。在鐵心和活動(dòng)銜鐵之間保持一定的空氣隙在鐵心和活動(dòng)銜鐵之間保持一定的空氣隙8，被測(cè)位移構(gòu)件與

24、，被測(cè)位移構(gòu)件與活動(dòng)銜鐵相連，當(dāng)被測(cè)構(gòu)件產(chǎn)生位移時(shí)，活動(dòng)銜鐵隨著移動(dòng)，活動(dòng)銜鐵相連，當(dāng)被測(cè)構(gòu)件產(chǎn)生位移時(shí)，活動(dòng)銜鐵隨著移動(dòng)，空氣隙空氣隙8發(fā)生變化，引起磁阻變化，從而使線圈的電感值發(fā)生發(fā)生變化，引起磁阻變化，從而使線圈的電感值發(fā)生變化。變化。 上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器該傳感器的靈敏度與空氣隙該傳感器的靈敏度與空氣隙8的平方成反比，的平方成反比， 愈小，靈敏度愈小，靈敏度愈高，但該傳感器會(huì)出現(xiàn)非線性誤差。為了減小非線性誤差，愈高，但該傳感器會(huì)出現(xiàn)非線性誤差。為了減小非線性誤差，通常規(guī)定傳感器應(yīng)在較小間隙的變化范圍內(nèi)工作。在實(shí)際應(yīng)通常規(guī)定傳感器應(yīng)在較小間隙的變化范圍

25、內(nèi)工作。在實(shí)際應(yīng)用中，可取用中，可取 。這種傳感器適用于較小位移的測(cè)。這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般為量，一般為0. 001-1mm。 (2)差動(dòng)變壓器式電感傳感器?；ジ行碗姼袀鞲衅魇抢没ジ胁顒?dòng)變壓器式電感傳感器?；ジ行碗姼袀鞲衅魇抢没ジ蠱的變化來反映被測(cè)量的變化。這種傳感器實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸出的變化來反映被測(cè)量的變化。這種傳感器實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸出電壓的變壓器。當(dāng)變壓器初級(jí)線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次電壓的變壓器。當(dāng)變壓器初級(jí)線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級(jí)線圈便產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出，該電壓隨被測(cè)量的變化而變化。級(jí)線圈便產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出，該電壓隨被測(cè)量的變化而變化。上一頁 下一頁 返回1 . 0/3.

26、2典型常用傳感器典型常用傳感器 差動(dòng)變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器，其結(jié)構(gòu)形差動(dòng)變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器，其結(jié)構(gòu)形式有多種，以螺管形應(yīng)用較為普遍，其結(jié)構(gòu)及工作原理如式有多種，以螺管形應(yīng)用較為普遍，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖圖3-8 (a), (b)所示。傳感器主要由線圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵三個(gè)部所示。傳感器主要由線圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵三個(gè)部分組成。線圈包括一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)反接的次級(jí)線圈，當(dāng)分組成。線圈包括一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)反接的次級(jí)線圈，當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級(jí)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級(jí)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和和e2。由于兩個(gè)次級(jí)線圈極性反接，

27、因此傳感器的輸出電壓。由于兩個(gè)次級(jí)線圈極性反接，因此傳感器的輸出電壓為兩者之差，即為兩者之差，即ey= e1-e2?；顒?dòng)銜鐵能改變線圈之間的藕合程。活動(dòng)銜鐵能改變線圈之間的藕合程度。輸出度。輸出ey的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，即置居中時(shí)，即e1 =e2, ey =0;當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，即當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，即e1 e2, ey 0;當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移時(shí)，即當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移時(shí)，即e1 e2, ey 0。活動(dòng)銜鐵的位置往?；顒?dòng)銜鐵的位置往復(fù)變化，其輸出電壓復(fù)變化，其輸出電壓ey也隨之變化，輸出特性如圖也隨之變化，輸出特性如圖3-8(

28、c)所示。所示。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 值得注意的是值得注意的是:首先，差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流首先，差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流電壓，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵心位移的電壓，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵心位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的極性大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的極性;其次，交流電壓輸出存在一定其次，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)的零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分

29、布電容等原因所形成。所以，即使活動(dòng)銜鐵位于中間位置分布電容等原因所形成。所以，即使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零。鑒于這些原因，差動(dòng)變壓器的后接電路時(shí)，輸出也不為零。鑒于這些原因，差動(dòng)變壓器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵心位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵心位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。動(dòng)直流輸出電路。 上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器2.數(shù)字式位移傳感器數(shù)字式位移傳感器 數(shù)字式位移傳感器有光柵、磁柵、感應(yīng)同步器等，它們的數(shù)字式位移傳感器有光柵、磁柵、感應(yīng)同步器等，它們的共同特點(diǎn)是利用自身的物理特征，制成直線形和圓形結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是

30、利用自身的物理特征，制成直線形和圓形結(jié)構(gòu)的位移傳感器，輸出信號(hào)都是脈沖信號(hào)，每一個(gè)脈沖代表輸入位移傳感器，輸出信號(hào)都是脈沖信號(hào)，每一個(gè)脈沖代表輸入的位移當(dāng)量，通過計(jì)數(shù)脈沖就可以統(tǒng)計(jì)位移的尺寸。下面主的位移當(dāng)量，通過計(jì)數(shù)脈沖就可以統(tǒng)計(jì)位移的尺寸。下面主要以光柵傳感器和感應(yīng)同步器來介紹數(shù)字式傳感器的工作原要以光柵傳感器和感應(yīng)同步器來介紹數(shù)字式傳感器的工作原理。理。 (1)光柵位移傳感器。光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，有光柵位移傳感器。光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，有圓光柵和直線光柵兩種它的特點(diǎn)是測(cè)量精確高圓光柵和直線光柵兩種它的特點(diǎn)是測(cè)量精確高(可達(dá)可達(dá)1m )、響應(yīng)速度快和量程范圍大響應(yīng)速度快和

31、量程范圍大(一般為一般為12 m，連接使用可達(dá)到，連接使用可達(dá)到10m)等。等。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成，兩者的光刻密度相同，但光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成，兩者的光刻密度相同，但體長(zhǎng)相差很多，其結(jié)構(gòu)如體長(zhǎng)相差很多，其結(jié)構(gòu)如圖圖3-9所示所示 光柵條紋密度一般為每毫米光柵條紋密度一般為每毫米25, 50, 100, 250條等。把指示光條等。把指示光柵平行地放在標(biāo)尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一柵平行地放在標(biāo)尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一個(gè)很小的角度個(gè)很小的角度 ，這時(shí)在指示光柵上就出現(xiàn)幾條較粗的明暗，這時(shí)在指示光柵上

32、就出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條紋。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的條紋，稱為莫爾條紋。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列，如方向排列，如圖圖3-10所示。所示。 光柵莫爾條紋的特點(diǎn)是起放大作用，用光柵莫爾條紋的特點(diǎn)是起放大作用，用W表示條紋寬度，表示條紋寬度，P表示柵距，表示柵距， 表示光柵條紋間的夾角，則有表示光柵條紋間的夾角，則有上一頁 下一頁 返回/PW 3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 若若P = 0. 01 mm，把莫爾條紋的寬度調(diào)成，把莫爾條紋的寬度調(diào)成10 mm，則放大倍，則放大倍數(shù)相當(dāng)于數(shù)相當(dāng)于1 000倍，即利用光的干涉現(xiàn)象把光柵間距放大倍，即利用光的干涉現(xiàn)象

33、把光柵間距放大1 000倍，因而大大減輕了電子線路的負(fù)擔(dān)。倍，因而大大減輕了電子線路的負(fù)擔(dān)。 光柵可分為透射和反射光柵兩種。透射光柵的線條刻制在光柵可分為透射和反射光柵兩種。透射光柵的線條刻制在透明的光學(xué)玻璃上，反射光柵的線條刻制在具有強(qiáng)反射能力透明的光學(xué)玻璃上，反射光柵的線條刻制在具有強(qiáng)反射能力的金屬板上，一般用不銹鋼。的金屬板上，一般用不銹鋼。 光柵測(cè)量系統(tǒng)的基本構(gòu)成如光柵測(cè)量系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖圖3-11所示。光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生所示。光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋明暗信號(hào)可以用光電元件接受，圖的莫爾條紋明暗信號(hào)可以用光電元件接受，圖3-11中的中的a, b，c，d是四塊光電池產(chǎn)生的信號(hào)，相位彼此差是

34、四塊光電池產(chǎn)生的信號(hào)，相位彼此差90o，對(duì)這些信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，即可變成光柵位移量的測(cè)量脈沖。進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，即可變成光柵位移量的測(cè)量脈沖。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 (2)感應(yīng)同步器。感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制造的感應(yīng)同步器。感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制造的高精度檢測(cè)元件，有直線和圓盤式兩種，分別用作檢測(cè)直線高精度檢測(cè)元件，有直線和圓盤式兩種，分別用作檢測(cè)直線位移和轉(zhuǎn)角直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。定位移和轉(zhuǎn)角直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。定尺較長(zhǎng)尺較長(zhǎng)(200 mm以上，可根據(jù)測(cè)量行程的長(zhǎng)度選擇不同規(guī)格以上，可根

35、據(jù)測(cè)量行程的長(zhǎng)度選擇不同規(guī)格長(zhǎng)度長(zhǎng)度)，上面刻有均勻節(jié)距的繞組，上面刻有均勻節(jié)距的繞組;滑尺表面刻有兩個(gè)繞組，滑尺表面刻有兩個(gè)繞組，即正弦繞組和余弦繞組，見即正弦繞組和余弦繞組，見圖圖3-12。當(dāng)余弦繞組與定子繞組。當(dāng)余弦繞組與定子繞組相位相同時(shí)，正弦繞組與定子繞組錯(cuò)開相位相同時(shí)，正弦繞組與定子繞組錯(cuò)開1/4節(jié)距。滑尺在通有節(jié)距?；咴谕ㄓ须娏鞯亩ǔ弑砻嫦鄬?duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。電流的定尺表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。 圓盤式感應(yīng)同步器，如圓盤式感應(yīng)同步器，如圖圖3-13所示，其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感所示，其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的滑尺，定子相當(dāng)于定尺，而且定子繞組中的兩個(gè)應(yīng)同步器的滑尺，定子相當(dāng)于定

36、尺，而且定子繞組中的兩個(gè)繞組也錯(cuò)開繞組也錯(cuò)開1/4節(jié)距。節(jié)距。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器3. 2. 3速度和加速度傳感器速度和加速度傳感器 速度、加速度測(cè)試有許多方法，可以使用直流測(cè)速機(jī)直接速度、加速度測(cè)試有許多方法，可以使用直流測(cè)速機(jī)直接測(cè)量速度，也可以通過檢測(cè)位移換算出速度和加速度，還可測(cè)量速度，也可以通過檢測(cè)位移換算出速度和加速度，還可以通過測(cè)試慣性力換算出加速度等。下面介紹幾種典型的測(cè)以通過測(cè)試慣性力換算出加速度等。下面介紹幾種典型的測(cè)試方法。試方法。 1.直流測(cè)速機(jī)速度檢測(cè)直流測(cè)速機(jī)速度檢測(cè) 直流測(cè)速機(jī)是一種測(cè)速元件，實(shí)際上它就是一臺(tái)微型的直直流測(cè)速機(jī)是

37、一種測(cè)速元件，實(shí)際上它就是一臺(tái)微型的直流發(fā)電機(jī)。根據(jù)定子磁極激磁方式的不同，直流測(cè)速機(jī)可分流發(fā)電機(jī)。根據(jù)定子磁極激磁方式的不同，直流測(cè)速機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。如以電樞的結(jié)構(gòu)不同來分，可分為為電磁式和永磁式兩種。如以電樞的結(jié)構(gòu)不同來分，可分為無槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞和圓盤電樞等。近年來，無槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞和圓盤電樞等。近年來，又出現(xiàn)了永磁式直線測(cè)速機(jī)。常用的為永磁式測(cè)速機(jī)。又出現(xiàn)了永磁式直線測(cè)速機(jī)。常用的為永磁式測(cè)速機(jī)。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 測(cè)速機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。測(cè)速機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖圖3-14所示為永磁所

38、示為永磁式測(cè)速機(jī)原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)式測(cè)速機(jī)原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢(shì)。轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢(shì)。 直流測(cè)速機(jī)的輸出特性曲線，如直流測(cè)速機(jī)的輸出特性曲線，如圖圖3-15所示。從圖中可以所示。從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載電阻看出，當(dāng)負(fù)載電阻 時(shí)其輸出電壓時(shí)其輸出電壓V0與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n成正成正比。隨著負(fù)載電阻比。隨著負(fù)載電阻RL變小，其輸出電壓下降，而且輸出電壓變小，其輸出電壓下降，而且輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不能嚴(yán)格保持線

39、性關(guān)系。由此可見，對(duì)于要求與轉(zhuǎn)速之間并不能嚴(yán)格保持線性關(guān)系。由此可見，對(duì)于要求精度比較高的直流測(cè)速機(jī)，除采取其他措施外，負(fù)載電阻精度比較高的直流測(cè)速機(jī)，除采取其他措施外，負(fù)載電阻RL應(yīng)盡量大。應(yīng)盡量大。上一頁 下一頁 返回LR3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 直流測(cè)速機(jī)的特點(diǎn)是輸出斜率大、線性好，但由于有電刷和直流測(cè)速機(jī)的特點(diǎn)是輸出斜率大、線性好，但由于有電刷和換向器，構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。換向器，構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。 直流測(cè)速機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中，主要用作測(cè)速和校正元件。直流測(cè)速機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中，主要用作測(cè)速和校正元件。在使用中，為了提高檢測(cè)靈敏度，盡可能把它直

40、接連接到電在使用中，為了提高檢測(cè)靈敏度，盡可能把它直接連接到電機(jī)軸上。有的電機(jī)本身就已安裝了測(cè)速機(jī)。機(jī)軸上。有的電機(jī)本身就已安裝了測(cè)速機(jī)。 2.光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器，由裝在被測(cè)軸光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器，由裝在被測(cè)軸(或或與被測(cè)軸相連接的輸入軸與被測(cè)軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成，如和指示縫隙盤組成，如圖圖3-16所示。所示。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器光源發(fā)出的光通過?？p隙圓盤和指示縫隙照射到光電器件上。光源發(fā)出的光通過。縫隙圓盤和指示縫隙照射

41、到光電器件上。當(dāng)縫隙圓盤隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于圓盤上的縫隙間距與指示當(dāng)縫隙圓盤隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的間距相同，因此圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙的間距相同，因此圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)N，則，則可測(cè)出轉(zhuǎn)速為可測(cè)出轉(zhuǎn)速為Z一圓盤上的縫隙數(shù)一圓盤上的縫隙數(shù);n一轉(zhuǎn)速，一轉(zhuǎn)速，r/min ;t一測(cè)量時(shí)間，一測(cè)量時(shí)間，s 一般取一般取Zt=60 x10m(m =0, 1，2,)，利用兩組縫隙間距，利用兩組縫隙間距W相相同，而位置相差同，而位置相差(i/2 + 1 /4 )i

42、W(i=0,1,2,.)的指示縫隙和兩個(gè)光的指示縫隙和兩個(gè)光電器件，則可辨別出圓盤的旋轉(zhuǎn)方向。電器件，則可辨別出圓盤的旋轉(zhuǎn)方向。上一頁 下一頁 返回ZtNn/603. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 3.加速度傳感器加速度傳感器 作為加速度檢測(cè)元件的加速度傳感器有多種形式，它們的作為加速度檢測(cè)元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理都是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成工作原理都是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量，間接度量被測(cè)加速度。的各種物理效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量，間接度量被測(cè)加速度。最常用的有應(yīng)變式、壓電式、電磁感應(yīng)式等。最常用的有應(yīng)變式、

43、壓電式、電磁感應(yīng)式等。 應(yīng)變式傳感器加速度測(cè)試原理如應(yīng)變式傳感器加速度測(cè)試原理如圖圖3-17所示，它是通過測(cè)所示，它是通過測(cè)試慣性力引起彈性敏感元件的變形換算出力的關(guān)系，相關(guān)原試慣性力引起彈性敏感元件的變形換算出力的關(guān)系，相關(guān)原理在后續(xù)內(nèi)容中介紹。電磁感應(yīng)式傳感器是借助彈性元件在理在后續(xù)內(nèi)容中介紹。電磁感應(yīng)式傳感器是借助彈性元件在慣性力的作用下，變形位移引起氣隙的變化導(dǎo)致的電磁特性。慣性力的作用下，變形位移引起氣隙的變化導(dǎo)致的電磁特性。壓電式傳感器是利用某些材料在受力變形的狀態(tài)下產(chǎn)生電的壓電式傳感器是利用某些材料在受力變形的狀態(tài)下產(chǎn)生電的特性的原理，下面重點(diǎn)介紹壓電式傳感器原理及使用方法。特性

44、的原理，下面重點(diǎn)介紹壓電式傳感器原理及使用方法。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 (1)壓電效應(yīng)及壓電材料。當(dāng)某些材料沿某一方向施加壓力或壓電效應(yīng)及壓電材料。當(dāng)某些材料沿某一方向施加壓力或拉力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，并在材料的某一相對(duì)表面產(chǎn)生符號(hào)相拉力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，并在材料的某一相對(duì)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷反的電荷;當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料叫壓電材料。另現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料叫壓電材料。另外，當(dāng)給壓電材料的某一方向施加電場(chǎng)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生相外，當(dāng)給壓電材料的某一

45、方向施加電場(chǎng)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，這是壓電材料的逆壓電效應(yīng)。常見的壓電材料有應(yīng)的變形，這是壓電材料的逆壓電效應(yīng)。常見的壓電材料有單晶體結(jié)構(gòu)的石英晶體和多晶體結(jié)構(gòu)的人造壓電陶瓷單晶體結(jié)構(gòu)的石英晶體和多晶體結(jié)構(gòu)的人造壓電陶瓷(如欽酸如欽酸鋇和錯(cuò)欽酸鉛等鋇和錯(cuò)欽酸鉛等)。 壓電材料的壓電特性只和變形有關(guān)，施加的外力是產(chǎn)生變壓電材料的壓電特性只和變形有關(guān)，施加的外力是產(chǎn)生變形的手段。石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的方向只有形的手段。石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的方向只有x軸方向，其他軸方向，其他方向都不會(huì)產(chǎn)生電荷。方向都不會(huì)產(chǎn)生電荷。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 (2)壓電傳感器結(jié)構(gòu)及

46、特性。壓電傳感器是以電荷或兩極間的壓電傳感器結(jié)構(gòu)及特性。壓電傳感器是以電荷或兩極間的電勢(shì)作為輸出信號(hào)。當(dāng)測(cè)試靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于任何阻抗的電電勢(shì)作為輸出信號(hào)。當(dāng)測(cè)試靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于任何阻抗的電路都會(huì)產(chǎn)生電荷泄漏，因此測(cè)量電勢(shì)的方法誤差很大，只能路都會(huì)產(chǎn)生電荷泄漏，因此測(cè)量電勢(shì)的方法誤差很大，只能采用測(cè)量電荷的方法。當(dāng)給壓電傳感器施加交變的外力，傳采用測(cè)量電荷的方法。當(dāng)給壓電傳感器施加交變的外力，傳感器就會(huì)輸出交變的電勢(shì)，信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因此壓感器就會(huì)輸出交變的電勢(shì)，信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因此壓電式傳感器適合測(cè)試動(dòng)態(tài)信號(hào)，且頻率越高越好。電式傳感器適合測(cè)試動(dòng)態(tài)信號(hào)，且頻率越高越好。 壓電傳感器

47、結(jié)構(gòu)一般由兩片或多片壓電晶體粘合而成，由壓電傳感器結(jié)構(gòu)一般由兩片或多片壓電晶體粘合而成，由于壓電晶片有電荷極性，因此接法上分成并聯(lián)和串聯(lián)兩種于壓電晶片有電荷極性，因此接法上分成并聯(lián)和串聯(lián)兩種(如如圖圖3-18)。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器并聯(lián)接法雖然輸出電荷大，但由于本身電容也大，故時(shí)間常并聯(lián)接法雖然輸出電荷大，但由于本身電容也大，故時(shí)間常數(shù)大，可以測(cè)量較慢變化的信號(hào)，并以電荷作為輸出參數(shù)測(cè)數(shù)大，可以測(cè)量較慢變化的信號(hào)，并以電荷作為輸出參數(shù)測(cè)量。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適應(yīng)以電壓輸出的量。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適應(yīng)以電壓輸出的信號(hào)和測(cè)量電路輸出阻

48、抗很高的情況。信號(hào)和測(cè)量電路輸出阻抗很高的情況。 由于壓電傳感器信號(hào)較弱，且是電荷的表現(xiàn)形式，因此測(cè)由于壓電傳感器信號(hào)較弱，且是電荷的表現(xiàn)形式，因此測(cè)量電路必須進(jìn)行信號(hào)放大。目前，壓電傳感器應(yīng)用相當(dāng)普遍，量電路必須進(jìn)行信號(hào)放大。目前，壓電傳感器應(yīng)用相當(dāng)普遍，且生產(chǎn)廠家都專門配備有傳感器處理電路。且生產(chǎn)廠家都專門配備有傳感器處理電路。 (3)壓電傳感器應(yīng)用。壓電傳感器可以用在壓力和加速度檢壓電傳感器應(yīng)用。壓電傳感器可以用在壓力和加速度檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)、超聲波探測(cè)等，還可以應(yīng)用在拾音器、助聽測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)、超聲波探測(cè)等，還可以應(yīng)用在拾音器、助聽器、點(diǎn)火器等產(chǎn)品中。器、點(diǎn)火器等產(chǎn)品中。上一頁 下一頁 返

49、回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 壓電加速度測(cè)試傳感器結(jié)構(gòu)原理如壓電加速度測(cè)試傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖圖3-19所示。圖中所示。圖中1是質(zhì)量是質(zhì)量塊，當(dāng)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力加載在塊，當(dāng)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力加載在2(壓電材料切壓電材料切片片)上，上，3是電荷是電荷(或電勢(shì)或電勢(shì))的輸出端。該壓電傳感器是兩片壓電的輸出端。該壓電傳感器是兩片壓電材料切片組成，下面一片的輸出引線是通過殼體與電極平面材料切片組成，下面一片的輸出引線是通過殼體與電極平面相連。相連。 使用時(shí)，傳感器固定在被測(cè)物體上，感受該物體的振動(dòng)，使用時(shí)，傳感器固定在被測(cè)物體上，感受該物體的振動(dòng)，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使

50、壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳生的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳感器可以做得很小，質(zhì)量很輕，故對(duì)被測(cè)機(jī)構(gòu)的影響就小。感器可以做得很小，質(zhì)量很輕，故對(duì)被測(cè)機(jī)構(gòu)的影響就小。壓電式加速度傳感器的頻率范圍廣、動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度高，壓電式加速度傳感器的頻率范圍廣、動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度高，應(yīng)用較為廣泛。應(yīng)用較為廣泛。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器3. 2. 4溫度傳感器溫度傳感器 無論在家用電器產(chǎn)品中的溫度控制以及化學(xué)工廠中的溫度無論在家用電器產(chǎn)品中的溫度控制以及

51、化學(xué)工廠中的溫度檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合，還是在水位、溫度、流速、壓力等應(yīng)用場(chǎng)檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合，還是在水位、溫度、流速、壓力等應(yīng)用場(chǎng)合的計(jì)量與控制中，都廣泛采用了各種溫度傳感器。按溫度合的計(jì)量與控制中，都廣泛采用了各種溫度傳感器。按溫度測(cè)量方式來分，溫度傳感器可分為接觸式和非接觸式。測(cè)量方式來分，溫度傳感器可分為接觸式和非接觸式。 所謂接觸式，就是溫度傳感器直接接觸被測(cè)物體表面的一所謂接觸式，就是溫度傳感器直接接觸被測(cè)物體表面的一種測(cè)量方式。這種測(cè)量方式應(yīng)用廣泛，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。種測(cè)量方式。這種測(cè)量方式應(yīng)用廣泛，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。有代表性的接觸式溫度傳感器主要有熱敏電阻器、鉑熱電阻有代表性的接觸式溫度傳

52、感器主要有熱敏電阻器、鉑熱電阻器和熱電偶等。而非接觸式溫度傳感器，則是通過測(cè)定從發(fā)器和熱電偶等。而非接觸式溫度傳感器，則是通過測(cè)定從發(fā)熱物體放射出的紅外線，從紅外線的量來間接測(cè)定物體的溫?zé)嵛矬w放射出的紅外線，從紅外線的量來間接測(cè)定物體的溫度。在這種測(cè)定方式下，傳感器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。有代表性度。在這種測(cè)定方式下，傳感器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。有代表性的非接觸式溫度傳感器主要有熱電堆等。的非接觸式溫度傳感器主要有熱電堆等。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 熱敏電阻器是一種有代表性的接觸式溫度傳感器。它是一種熱敏電阻器是一種有代表性的接觸式溫度傳感器。它是一種半導(dǎo)體熱敏元件，其電阻值

53、隨溫度的變化而變化。正是利用半導(dǎo)體熱敏元件，其電阻值隨溫度的變化而變化。正是利用了這一特性，人們制成了熱敏電阻式溫度傳感器。由于熱敏了這一特性，人們制成了熱敏電阻式溫度傳感器。由于熱敏電阻器的特性具有明顯的非線性，使其測(cè)溫精度較低。但是，電阻器的特性具有明顯的非線性，使其測(cè)溫精度較低。但是，熱敏電阻器的靈敏度約為鉑熱電阻器的熱敏電阻器的靈敏度約為鉑熱電阻器的10倍，因此作為溫度倍，因此作為溫度傳感器，目前仍然獲得了廣泛的應(yīng)用。其制作方法是以錳傳感器，目前仍然獲得了廣泛的應(yīng)用。其制作方法是以錳(Mn),鎳鎳(Nib)、鉆、鉆(Co )等金屬氧化物為主要成分的半導(dǎo)體，等金屬氧化物為主要成分的半導(dǎo)體

54、，在高溫下燒結(jié)成陶瓷熱敏電阻器。熱敏電阻器的形狀可制成在高溫下燒結(jié)成陶瓷熱敏電阻器。熱敏電阻器的形狀可制成珠形、片形、圓盤形等。各種不同形狀的熱敏電阻器的外觀珠形、片形、圓盤形等。各種不同形狀的熱敏電阻器的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖圖3-20所示。所示。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 表表3-3列出了常用熱敏電阻器的種類和特性?？梢钥闯?，隨著列出了常用熱敏電阻器的種類和特性?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，有在特定溫度下阻抗急劇增加的溫度的升高，有在特定溫度下阻抗急劇增加的PTC型，有在型，有在特定溫度下阻抗急劇減小的特定溫度下阻抗急劇減小的CTR型，以及阻抗隨溫度按指

55、數(shù)型，以及阻抗隨溫度按指數(shù)規(guī)律減小的規(guī)律減小的NTC型等。型等。PTC型不能在寬廣的溫度范圍內(nèi)作為型不能在寬廣的溫度范圍內(nèi)作為溫度傳感器使用，但是與溫度傳感器使用，但是與NTC型相比較，其溫度系數(shù)高出接型相比較，其溫度系數(shù)高出接近一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此常作為定溫溫度傳感器使用。作為定溫近一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此常作為定溫溫度傳感器使用。作為定溫溫度傳感器使用的還有溫度傳感器使用的還有CTR型，只是其阻抗在特定溫度下不型，只是其阻抗在特定溫度下不是急劇增加，而是急劇減小。由于是急劇增加，而是急劇減小。由于PTC型熱敏電阻器具有特型熱敏電阻器具有特異的阻抗一溫度特性，因此廣泛應(yīng)用于電飯鍋、干燥機(jī)、干異的阻抗一溫

56、度特性，因此廣泛應(yīng)用于電飯鍋、干燥機(jī)、干燥器等很多種工業(yè)制品中，作為溫度傳感器使用。燥器等很多種工業(yè)制品中，作為溫度傳感器使用。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 (1)鉑熱電阻器。通過測(cè)取金屬的電阻來求得溫度的溫度傳感鉑熱電阻器。通過測(cè)取金屬的電阻來求得溫度的溫度傳感器稱為測(cè)溫電阻器，其中廣泛應(yīng)用的是化學(xué)性能穩(wěn)定并容易器稱為測(cè)溫電阻器，其中廣泛應(yīng)用的是化學(xué)性能穩(wěn)定并容易獲得高純度的鉑熱電阻式溫度傳感器。獲得高純度的鉑熱電阻式溫度傳感器。圖圖3-21顯示了具有保顯示了具有保護(hù)管的鉑熱電阻器測(cè)溫元件的外觀、溫度特性以及與熱敏電護(hù)管的鉑熱電阻器測(cè)溫元件的外觀、溫度特性以及與熱

57、敏電阻的比較。一般大多將鉑熱電阻器的細(xì)絲卷繞成線圈狀，與阻的比較。一般大多將鉑熱電阻器的細(xì)絲卷繞成線圈狀，與其他傳感器相比，從外形上看，鉑熱電阻器的尺寸較大，這其他傳感器相比，從外形上看，鉑熱電阻器的尺寸較大，這也是它的一個(gè)缺點(diǎn)。目前，鉑熱電阻器小型化的制品已經(jīng)實(shí)也是它的一個(gè)缺點(diǎn)。目前，鉑熱電阻器小型化的制品已經(jīng)實(shí)用化，如電飯鍋和電熱器的傳感器。用化，如電飯鍋和電熱器的傳感器。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 (2)熱電偶。熱電偶是利用熱電效應(yīng)原理而制成的一種溫度傳熱電偶。熱電偶是利用熱電效應(yīng)原理而制成的一種溫度傳感器。當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)閉合回路時(shí)感器。當(dāng)兩種

58、不同材料的導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)閉合回路時(shí)(參見參見圖圖3-22)，如果兩端結(jié)點(diǎn)的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電，如果兩端結(jié)點(diǎn)的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)，流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)，熱電動(dòng)勢(shì)的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。熱熱電動(dòng)勢(shì)的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)分別稱為測(cè)溫結(jié)點(diǎn)和基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)。當(dāng)采用熱電電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)分別稱為測(cè)溫結(jié)點(diǎn)和基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)。當(dāng)采用熱電偶測(cè)溫時(shí)，實(shí)際上就是測(cè)定測(cè)溫結(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)之間的熱電偶測(cè)溫時(shí)，實(shí)際上就是測(cè)定測(cè)溫結(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)之間的熱電動(dòng)勢(shì)。因此，為了測(cè)得測(cè)溫

59、結(jié)點(diǎn)的溫度，必須使基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)的動(dòng)勢(shì)。因此，為了測(cè)得測(cè)溫結(jié)點(diǎn)的溫度，必須使基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)的溫度保持一定。一般用基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度為零度時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)來溫度保持一定。一般用基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度為零度時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)來定義測(cè)溫結(jié)點(diǎn)的溫度。定義測(cè)溫結(jié)點(diǎn)的溫度。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 熱電偶具有以下優(yōu)點(diǎn)熱電偶具有以下優(yōu)點(diǎn):比較便宜、容易買到，測(cè)量方法簡(jiǎn)單、比較便宜、容易買到，測(cè)量方法簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高，測(cè)量時(shí)間上的滯后小，可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍內(nèi)的測(cè)溫精度高，測(cè)量時(shí)間上的滯后小，可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍內(nèi)的溫度測(cè)量溫度測(cè)量(與熱敏電阻等相比與熱敏電阻等相比)?？梢赃x用與靈敏度和壽命等?？梢赃x用與靈敏度和壽命等狀況

60、相適應(yīng)的熱電偶類型。利用熱電偶可以進(jìn)行小型被測(cè)物狀況相適應(yīng)的熱電偶類型。利用熱電偶可以進(jìn)行小型被測(cè)物和狹窄場(chǎng)所的測(cè)溫，可以進(jìn)行較長(zhǎng)距離和狹窄場(chǎng)所的測(cè)溫，可以進(jìn)行較長(zhǎng)距離(即被測(cè)物體與測(cè)溫儀即被測(cè)物體與測(cè)溫儀表之間的距離較遠(yuǎn)表之間的距離較遠(yuǎn))的溫度測(cè)量，對(duì)于測(cè)量電路到測(cè)溫儀表中的溫度測(cè)量，對(duì)于測(cè)量電路到測(cè)溫儀表中間的電路，即使局部的溫度發(fā)生變化，也基本上不會(huì)對(duì)測(cè)定間的電路，即使局部的溫度發(fā)生變化，也基本上不會(huì)對(duì)測(cè)定值造成影響。值造成影響。圖圖3-23顯示了典型熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)一溫度特顯示了典型熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)一溫度特性。性。上一頁 下一頁 返回3. 2典型常用傳感器典型常用傳感器 (3)非接觸式