第1章 傳感器的特性

第1章檢測技術1.檢測技術概述2傳感器的組成及基本特性檢測技術概述：檢測技術是自動化學科的重要組成部分，是以現(xiàn)代自動化系統(tǒng)中的應用為主要目的，圍繞參數(shù)測量和測量信號分析等信息獲取處理技術進行研究開發(fā)與應用的綜合性學科。為了監(jiān)督和控制某個生產過程或運動對象的狀態(tài)，掌握其發(fā)展規(guī)律，使它們處于所選工況的最佳狀態(tài)或使該過程（對象）在我們的控制之中。就必須掌握他們特性的各種參數(shù)。這就要求我們檢測這些參數(shù)的大小、變化趨勢、變化速度等。通常，把含有檢查、測量和測試等比較寬廣意義的參數(shù)叫做檢測。為了實現(xiàn)參數(shù)檢測組建的系統(tǒng)或者裝置叫做測控系統(tǒng)或檢測裝置。檢測裝置是測控系統(tǒng)的最前端，通過獲取被測對象信號并進行處理，然后將有用信息輸出給自動控制系統(tǒng)或者操作者；這些參數(shù)的獲取需要以傳感器檢測作為基礎。為了測量各種微觀或宏觀的物理、化學或生物等參數(shù)量值；為了檢驗產品質量，為了進行計量標準的傳遞和控制，也需要傳感器檢測技術作為基礎。隨著科學技術的迅速發(fā)展，特別是微電子、計算機和通訊技術的發(fā)展，以及新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，使得檢測技術在建立檢測理論的基礎上不斷向著數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化的方向發(fā)展。如何提高檢測裝置的分辨率、準確度、穩(wěn)定性和可靠性，研究新的檢測方向，開發(fā)現(xiàn)代化的測控系統(tǒng)是本門課程研究的方向。測控系統(tǒng)的基本任務是獲取有用的信息，尤其是從干擾中提取出有用信息，這就需要利用傳感器對信號進行獲取。測控系統(tǒng)是采用專門的傳感器、測量儀器或測量系統(tǒng)，通過合理的實驗與信號處理及分析方法，由測的的信號求取與研究對象有關信息量值，并將結果輸出與顯示的過程。在現(xiàn)代化裝備和制造業(yè)中，檢測及測量測試的工作已經(jīng)占據(jù)首要位置。它是保證整個生產過程達到性能指標和正常工作的重要手段。在現(xiàn)今新的工業(yè)革命（第四次）即將到來，傳感器檢測技術顯得尤為重要2.傳感器的組成及分類

2.1傳感器的組成傳感器的定義（我國對傳感器的定義標準）是能夠感受和響應規(guī)定的被測量（非電量或電量），并按一定規(guī)律將其轉換成有用輸出的期間或裝置，特別是完成非電量到電量的轉換。定義中包含了三部分：①傳感器是一個測量裝置，能夠完成檢測任務；②在規(guī)定的條件下感受被測量，如物理量，化學量或生物量；③按一定規(guī)律轉換成易傳輸?shù)碾娦盘?。傳感器的組成，并無嚴格的規(guī)定。一般說來，可以把傳感器看作由敏感元件（有時又稱為預變換器）和變換元件（有時又稱為變換器）兩部分組成，見圖1.1。圖1.1傳感器的一般組成1.敏感元件在具體實現(xiàn)非電量到電量間的變換時，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有的技術手段直接變換為電量，而必須進行預變換，即先將待測的非電量變?yōu)橐子谵D換成電量的另一種非電量。這種能完成預變換的器件稱之為敏感元件。2.變換器能將感受到的非電量變換為電量的器件稱為變換器。例如，可以將位移量直接變換為電容、電阻及電感的電容變換器、電阻及電感變換器；能直接把溫度變換為電勢的熱電偶變換器。顯然，變換器是傳感器不可缺少的重要組成部分。在實際情況中,由于有一些敏感元件直接就可以輸出變換后的電信號,而一些傳感器又不包括敏感元件在內,故常常無法將敏感元件與變換器嚴格加以區(qū)別。傳感器輸入信號主要是被測的物理量（如長度、力）等時,必然還會有一些難以避免的干擾信號（如溫度、電磁信號）等混入。嚴格地說,傳感器的輸出信號可能為上述各種輸入信號的復雜函數(shù)。就傳感器設計來說,希望盡可能做到輸出信號僅僅是（或分別是）某一被測信號的確定性單值函數(shù),且最好呈線性關系。對使用者來說,則要選擇合適的傳感器及相應的電路,保證整個測量設備的輸出信號能惟一、正確地反映某一被測量的大小,而對其它干擾信號能加以抑制或對不良影響能設法加以修正。傳感器可以做得很簡單,也可以做得很復雜；可以是無源的網(wǎng)絡,也可以是有源的系統(tǒng)；可以是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng),也可以是不帶反饋的開環(huán)系統(tǒng)；一般情況下只具有變換的功能,但也可能包含變換后信號的處理及傳輸電路甚至包括微處理器CPU。因此,傳感器的組成將隨不同情況而異。2.2傳感器的分類用于測量和控制的傳感器種類繁多，其分類方法很多,國內外尚無統(tǒng)一的分類方法。同一個被測量，可以用不同種類的傳感器，如溫度測量可以用熱電偶測量，可以用熱電阻測量，還可以用光纖傳感器測量等；同一原理的傳感器，又可以用于多種非電量測量。一般按如下幾種方法進行分類。1.按輸入被測量分類這種方法是根據(jù)輸入物理量的性質進行分類。表1.1給出了傳感器輸入的基本被測量和由此派生的其它量。表1.1傳感器輸入被測量

2.按工作原理分類 這種分類方法以傳感器的工作原理作為分類依據(jù),見表1.2。表1.2傳感器按工作原理的分類3.按輸出信號形式分類這種分類方法是根據(jù)傳感器輸出信號的不同來進行分類,見表1.3。表1.3傳感器按輸出信號形式的分類論述題試述傳感器的作用、性能及分類（15分）1、傳感器在感受被測量變化的同時，將輸入的被測非電量轉換為與之成單值（或線性）函數(shù)關系的電量輸出，以便于用電測儀表測出非電量的大小。（1分）2、傳感器的性能及分析如下：1）觸點傳感器：觸點傳感器是把被測量直接或間接轉換成觸點的閉合或斷開狀態(tài)的傳感器。它能把模擬量轉換為開關量，用于信號、保護、分組和多級測量系統(tǒng)中。（1分）2）干簧管傳感器：干簧管有兩種驅動方式：一為永磁鐵，二為電磁線圈。前者多用于檢測，后者多用于控制。它可以應用在行程測量、采樣控制盒巡回檢測系統(tǒng)中。（1分）3）電位傳感器：被測量的變化導致電位器阻值變化的元件成為電位傳感器。它具有結構簡單，價格便宜，可靠性較高，輸出功率大燈優(yōu)點。（1分）4）電阻應變傳感器：電阻應變傳感器是將被測的應力（壓力、荷重、扭力等）通過它所產生的金屬彈性變形轉換成電阻變化的檢測元件（1分）5)熱電阻傳感器：利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器稱為熱電阻傳感器?？捎糜跍囟葴y量與控制、溫度補償、穩(wěn)壓穩(wěn)幅、自動增益調整、氣壓測定、氣體和液體分析、過載報警、過負荷保護和紅外探測等。（1分）6）氣敏電阻傳感器：將檢測到氣體（特別是可燃氣體）的成分、濃度等轉換成電信號的傳感器叫做氣敏電阻傳感器。它可檢測乙醚、乙醇、氫氣、一氧化碳以及碳鏈較長的烷烴（如正乙烴）等。（1分）7）電感傳感器：將電感量的變化轉換成電壓或電流的信號，在進行放大的傳感器叫做電感傳感器。它可用來測量位移、壓力、振動等參數(shù)。電感傳感器既可用于靜態(tài)測量、又可用于動態(tài)測量。（1分）8）渦流傳感器：渦流傳感器可在金屬體上產生渦流，其滲透深度與傳感器線圈激勵電流的頻率有關，它分為高頻反射和低頻透射兩種。（1分）9）壓磁傳感器：壓磁傳感器是利用鐵磁材料的彈性效應，將被測力轉換成電信號的傳感器?？捎脕頊y量軋鋼機的軋制力、鋼帶的張力、紙張的張力、切削力、卷揚機的定量自動提升、自動稱重等。（1分）10）電容傳感器：它用于位移、振動、角度、加速度、壓力、料位、成分含量等地精密測量等。（1分）11）光電傳感器：光電傳感器使將光信號轉換為電信號的一種傳感器。光電傳感器具有結構簡單，非接觸，高可靠性，高精度和反應迅速等優(yōu)點。（1分）12）磁電傳感器：利用導體和磁場發(fā)生相對運動而產生電動勢的原理而制成的檢測裝置叫做磁電傳感器。磁電傳感器靈敏度高，可用來測量振動、加速度、轉速、轉角等參數(shù)，可也檢測熱處理后的零件硬度、滲層深度、淬硬層深度等。（1分）13）壓電傳感器：利用某些物質具有壓電效應的原理而制成的檢測裝置叫做壓電傳感器。主要用來測量動態(tài)的力、壓力、加速度等。（1分）14）霍爾傳感器：霍爾傳感器應用較為廣泛。（1分）霍爾傳感器：霍爾傳感器是利用霍爾效應原理實現(xiàn)磁電轉換，從而將被測量轉換為電動勢的傳感器?；魻杺鞲衅骶哂徐`敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小等優(yōu)點。廣泛用于電流、磁場、位移、壓力、轉速等物理量的測量。角度式編碼器：角度式編碼器分為絕對式編碼器和增量式編碼器。是測量角度位置和位移的最直接有效的方法。光柵傳感器：光柵傳感器主要用于長度和角度的精密測量以及數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測等。在坐標式測量儀和數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中有廣泛應用。感應同步器：主要用于測量位移以及與之相關的物理量。它具有測量精度高，受環(huán)境影響小，使用壽命長，維護簡便，抗干擾能力強，工藝性好，成本低等優(yōu)點。被廣泛應用于大型機床和中型機床的定位、數(shù)控和數(shù)顯等。CCD傳感器：CCD固體圖像傳感