常見傳感器原理及應(yīng)用演示文稿

常見傳感器原理及應(yīng)用演示文稿當(dāng)前第1頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)3.3常見傳感器原理及應(yīng)用電阻式傳感器光電式傳感器壓電式傳感器電感式傳感器電容式傳感器半導(dǎo)體式傳感器熱電偶式傳感器當(dāng)前第2頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)3.3.1電阻式傳感器Resistivetransducer電阻元件被測量電阻變化將被測量變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。位移、力、壓力、加速度、扭矩等當(dāng)前第3頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)當(dāng)前第4頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)3.3.1.1電位器式傳感器Potentiometrictransducer利用加激勵(lì)的電阻體上可動(dòng)觸點(diǎn)位置的變化，將被測量變化轉(zhuǎn)換成電壓比變化的傳感器。由電阻元件、電刷、骨架等組成。當(dāng)前第5頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)繞線式電位器線性線繞式電位器示意圖Ui為工作電壓，U0為RL兩端的輸出電壓，x為線繞式電位器電刷移動(dòng)長度，L為其總長度，對應(yīng)于電刷移動(dòng)量x的阻值為Rx。當(dāng)前第6頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)繞線式電位器的結(jié)構(gòu)線繞式電位器當(dāng)前第7頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)電位器式傳感器的應(yīng)用航空飛行高度傳感器當(dāng)前第8頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)

在測量比較小的位移時(shí)，可將線位移變換成角位移。測小位移傳感器示意圖電位器式傳感器的應(yīng)用測小位移當(dāng)前第9頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)電位器式傳感器的應(yīng)用測加速度慣性質(zhì)量塊在被測加速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測加速度的位移，從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動(dòng)，輸出一與加速度成比例的電壓信號。電位器式加速度傳感器示意圖當(dāng)前第10頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)基于電位器的線性/角位移傳感器模型若

，則傳感器可線性化；

其中：

是線性位移。將上式中的

和

換成角度值后，可以用于角度測量。當(dāng)前第11頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)3.3.1.2應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片被測量電阻變化

電阻應(yīng)變傳感器是一種利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。任何非電量能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變量當(dāng)前第12頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)應(yīng)變片當(dāng)受到外力時(shí)，導(dǎo)體變長變細(xì)，電阻增加，R->R+△R當(dāng)前第13頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片和測量電路組成。傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測量物理量作用在彈性元件上時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。當(dāng)前第14頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)常見電阻應(yīng)變片（a）金屬線（b）金屬箔（c）半導(dǎo)體

電阻應(yīng)變片是應(yīng)變測量的關(guān)鍵元件，為適應(yīng)各種領(lǐng)域測量的需要，可供選擇的電阻應(yīng)變片的種類很多，常用的有絲式、箔式和半導(dǎo)體式。當(dāng)前第15頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用1.應(yīng)變式力傳感器FF當(dāng)前第16頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用

電子天平的精度可達(dá)十萬分之一。2.電子天平當(dāng)前第17頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)吊鉤秤當(dāng)前第18頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)3.3.2電容式傳感器Capacitivetransducer將被測量變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。

可以應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等參數(shù)的測量中。當(dāng)前第19頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)電容傳感器的理想公式為——極板間距離；——極板面積；——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)——相對介電常數(shù)——電容式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)形式

，真空的介電常數(shù)。當(dāng)前第20頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)1．變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器原理動(dòng)畫演示

設(shè)ε和A不變，初始狀極距為d0時(shí)，電容器容量為C0。若動(dòng)極板有位移，使極板間距離減小x，則電容則增大到

cx。當(dāng)前第21頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)2．變面積式電容式傳感器當(dāng)前第22頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)3．變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動(dòng)畫演示當(dāng)前第23頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)電容傳感器的應(yīng)用

電容傳感器聲波測量動(dòng)畫演示1．聲波測量當(dāng)前第24頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖2．壓力測量當(dāng)前第25頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器外形圖3．?dāng)?shù)字無損耗信號傳輸利用單晶硅諧振傳感器，采用微電子表面加工技術(shù)，保證±0.2%的測量精度，可實(shí)現(xiàn)抵制靜壓、溫飄對其影響。當(dāng)前第26頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)電容傳感器加速度測量動(dòng)畫演示4．加速度測量當(dāng)前第27頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)硅微加工電容加速度傳感器

電容式硅微加速度傳感器是一種重要的慣性傳感器，是慣性測量組合系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件之一。它與傳統(tǒng)的加速度計(jì)相比具有重量輕,成本低,功耗小,體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前第28頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)5．電容式指紋傳感器當(dāng)前第29頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)3.3.3接近開關(guān)

接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。

當(dāng)前第30頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)接近開關(guān)外形當(dāng)前第31頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)接近開關(guān)外形（續(xù)）當(dāng)前第32頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)接近開關(guān)分類只對導(dǎo)磁物體起作用對接地的金屬起作用只對導(dǎo)電良好的金屬起作用對磁性物體起作用當(dāng)前第33頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)接近開關(guān)的特點(diǎn)接近開關(guān)與被測物不接觸、不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應(yīng)快、無觸點(diǎn)、無火花、無噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便。

缺點(diǎn)是觸點(diǎn)容量較小、輸出短路時(shí)易燒毀。當(dāng)前第34頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)3.3.4差動(dòng)變壓器線圈和磁芯—完全線性—便宜—耐用—有“中心位置”用于執(zhí)行器—通常嵌入使用—低非線性—大位移當(dāng)前第35頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)LVDT結(jié)構(gòu)示意圖和電原理圖LVDTLVDT是線性可變差動(dòng)變壓器(LinearVariable DifferentialTransformer)。LVDT位移傳感器的工作原理簡單地說是鐵芯

可動(dòng)變壓器。次級線圈1初級線圈次級線圈2鐵芯（有色金屬棒）兩個(gè)次級線圈間的輸出電壓輸入初級線圈的恒定交流電壓從中心位置移動(dòng)當(dāng)前第36頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復(fù)性好，性能價(jià)格比高。2.精度：最高精度可達(dá)0.05%，一般為0.25%、0.5%。3.絕對誤差：最高可達(dá)0.1μm。4.重復(fù)性：好，最高可達(dá)0.1μm。5.靈敏度：高，一般每mm位移輸出為數(shù)百mv,最高可達(dá)幾伏。6.分辨率：高，一般為0.1μm，最高可達(dá)10--4μm。7.測量范圍：寬，±0.1mm～±500mm甚至更大。8.工作溫度范圍：大，一般為-55℃～+150℃可擴(kuò)展到+300℃，傳感器或變送器分為三級：

商業(yè)級：0℃～+70℃

工業(yè)級：-40℃～+85℃

軍級：-55℃～+125℃

9.時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)特性好，頻帶寬一般為200HZ（5ms）最高可

500HZ（2ms）。LVDT特點(diǎn)當(dāng)前第37頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)5.體積小，價(jià)格低，性能價(jià)格比高。1.動(dòng)態(tài)特性好，可用于高速在線檢測，進(jìn)行自動(dòng)測量，自

動(dòng)控制。光柵、磁柵等測量速度一般為1.5m/s以內(nèi)，只

能用于靜態(tài)測量。LVDT特點(diǎn)LVDT與光柵、磁柵等高精度測長儀器相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：3.可以做成在特殊條件下工作的傳感器，如耐高壓，高溫，

耐輻射全密封在水下工作。4.可靠性非常好，能承受沖擊1000g/11ms，振動(dòng)：頻率

2000HZ，加速度20g。2.LVDT可在強(qiáng)磁場，大電流，潮濕，粉塵等惡劣環(huán)境下使

用。當(dāng)前第38頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)編碼器是將直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)變換為數(shù)字信號進(jìn)行測量的一種傳感器。它通過光電原理或電磁原理將一個(gè)機(jī)械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子信號（電子脈沖信號或者數(shù)據(jù)串）。這種電子信號通常需要連接到控制系統(tǒng)(e.g.PLC、高速計(jì)數(shù)模塊、變頻器等),控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算便可以得到測量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一步工作。編碼器一般應(yīng)用于機(jī)械角度、速度、位置的測量。3.3.5編碼器Coder當(dāng)前第39頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)編碼器的分類（工作原理）

增量編碼器絕對值編碼器一般用來測試速度與方向也可以用角度測量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí)位置信息丟失傳送在一轉(zhuǎn)中每一步的唯一的位置信息位置信息一直可用,即使在掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí)一般用于角度測量、往復(fù)運(yùn)動(dòng)當(dāng)前第40頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)編碼器的一般特性當(dāng)前第41頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)編碼器外形拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)前第42頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)（1）信號性質(zhì)00000000122.50010451111337.5

輸出n位二進(jìn)制編碼，每一個(gè)編碼對應(yīng)唯一的角度。絕對式測量（ABS）當(dāng)前第43頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)（2）絕對式光電碼盤基本原理LED光敏元件當(dāng)前第44頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)

輸出信號為一串脈沖，每一個(gè)脈沖對應(yīng)一個(gè)分辨角，對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)N，就是對的累加，即，角位移＝N。

如：

＝0.352，脈沖N＝1000，則：

＝0.352×1000＝352增量式測量（INC）（1）信號性質(zhì)當(dāng)前第45頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)（2）增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)碼盤光欄板LED零位標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）光敏元件＝360°／條紋數(shù)＝360°／1024＝0.352°透光條紋當(dāng)前第46頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)（3）辨向90ABAB

光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90相位，用于辨向。當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號超前B信號90；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時(shí)，B信號超前A信號90。當(dāng)前第47頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)（4）辨向信號ABABA超前于B90°，正向A滯后于B90°，反向當(dāng)前第48頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)（5）倍頻（細(xì)分）/4細(xì)分前4細(xì)分后在現(xiàn)有編碼器的條件下，通過細(xì)分技術(shù)能提高編碼器的分辨力。細(xì)分前，編碼器的分辨力只有一個(gè)分辨角的大小。采用4細(xì)分技術(shù)后，計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當(dāng)于將原編碼器的分辨力提高了3倍，測量分辨角是原來的1/4，提高了測量精度。當(dāng)前第49頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)（6）零標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）

一轉(zhuǎn)（360）CC

在碼盤里圈，還有一條狹縫C，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖信號又稱“一轉(zhuǎn)信號”或零標(biāo)志脈沖，作為測量的起始基準(zhǔn)。當(dāng)前第50頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)（7）零標(biāo)志在回參考點(diǎn)中的作用Z軸參考點(diǎn)X軸參考點(diǎn)Y軸參考點(diǎn)回參考點(diǎn)方式SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)工作方式開關(guān)當(dāng)前第51頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)（8）回參考點(diǎn)減速開關(guān)限位開關(guān)參考點(diǎn)減速開關(guān)滑塊當(dāng)前第52頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)（9）回參考點(diǎn)示意圖減速尋找零標(biāo)志零標(biāo)志找到參考點(diǎn)位置速度慢速快速行程碰到參考點(diǎn)減速開關(guān)播放當(dāng)前第53頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)3.3.6光柵式傳感器光柵尺位移傳感器GWC系列光柵位移傳感器當(dāng)前第54頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。光源：鎢絲燈泡；半導(dǎo)體發(fā)光器件光電元件：光電池；光敏二極管光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第55頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖中d－d線區(qū)所示。圖中f－f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。當(dāng)前第56頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)長光柵莫爾條紋播放動(dòng)畫當(dāng)前第57頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)

莫爾條紋亮帶暗帶（1）莫爾條紋移動(dòng)方向與兩光柵相對移動(dòng)方向垂直。（2）莫爾條紋有位移的放大作用。當(dāng)前第58頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)(1)莫爾條紋的移動(dòng)方向：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動(dòng)。查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向。(2)位移的放大作用：當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角θ較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：莫爾條紋測位移具有三個(gè)特點(diǎn)當(dāng)前第59頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)條紋間距與柵距的關(guān)系為：

當(dāng)θ角較小時(shí)，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。

這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測量條紋的移動(dòng)來檢測光柵的位移。從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量。(3)誤差的平均效應(yīng)：莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。當(dāng)前第60頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)動(dòng)態(tài)測量范圍廣（0～1000mm）光柵位移傳感器的應(yīng)用測量精度高（分辨率為0.1μm）在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在量具、數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作母機(jī)的坐標(biāo)測量等方面。容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化可進(jìn)行無接觸測量當(dāng)前第61頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)3.3.7磁柵式傳感器價(jià)格低于光柵、制作簡單、復(fù)制方便；測量范圍寬（從幾十毫米到數(shù)十米）、不需接長；易安裝和調(diào)整、抗干擾能力強(qiáng)。磁柵優(yōu)點(diǎn)磁柵傳感器是由磁柵（磁尺）、磁頭、檢測電路組成。當(dāng)前第62頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)磁尺磁柵外觀圖磁頭當(dāng)前第63頁\共有70頁\編于星期四\23點(diǎn)德國SIKO

磁柵尺當(dāng)前第64頁\共