機械電子工程原理第七章傳感器與轉(zhuǎn)換器

機械電子工程原理第七章傳感器與轉(zhuǎn)換器7.1概述在許多丈量系統(tǒng)中，傳感器和轉(zhuǎn)換器都是用來獲取系統(tǒng)形狀信息的。本書采用以下定義，但在運用時通常不做嚴厲區(qū)分。傳感器──在丈量系統(tǒng)中，對所測(特定)物理參數(shù)發(fā)生呼應(yīng)的器件。轉(zhuǎn)換器──把能量和信息從系統(tǒng)某一部分傳送到系統(tǒng)另一部分的器件。在傳送過程的同時，能量方式也能夠發(fā)生變化。2數(shù)據(jù)丈量時的預(yù)處置和后處置除了傳感器和轉(zhuǎn)換器，丈量系統(tǒng)還包括一個預(yù)處置級和后處置級預(yù)處置級是在信號與傳感器接觸之前提取信號特征，然后對輸入信號檢測、呼應(yīng)并將輸入信號提供應(yīng)傳感器。從傳感器輸出的信號經(jīng)過后處置級的處置后得到最終輸出信號。3一個實例——轉(zhuǎn)速丈量系統(tǒng)從光源發(fā)出的光經(jīng)過帶有狹縫的圓盤(稱為編碼盤)后產(chǎn)生一系列的脈沖，換能器接納這些脈沖并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖。后處置級對一定時間間隔內(nèi)發(fā)生的脈沖進展計數(shù)，并計算出編碼盤的旋轉(zhuǎn)速度。4可用于信息傳送的能量方式傳感器傳送信息的物理根底是能量轉(zhuǎn)化。有六種能量方式可用于信息傳送。輻射能──包括一切的電磁波譜。主要參數(shù)有：頻率、相位、強度和極化方向等。機械能──主要參數(shù)有：間隔、速度、尺寸和力等。熱能──可以利用多種溫度效應(yīng)和熱效應(yīng)。主要參數(shù)有熱容、潛熱和相變特性等。電能──主要參數(shù)有電流、電壓、電阻、電容和電感等。磁能──包括磁場參數(shù)，如磁場強度和磁通密度等?；瘜W(xué)能──涉及到物質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造和行為，主要參數(shù)有：濃度、晶體構(gòu)造和凝聚形狀等。5無源和有源傳感器根據(jù)能源利用情況，傳感器可分為無源(直接式)傳感器和有源(間接式)傳感器。無源傳感器在轉(zhuǎn)換中不需求外界附加能量。光電轉(zhuǎn)換安裝和熱電偶等直接式傳感器就是直接把輸入能量轉(zhuǎn)換成電能輸出的。有源傳感器在轉(zhuǎn)換中需求外界附加能量。應(yīng)變片和霍爾器件等間接式傳感器那么需求附加能量以產(chǎn)生電信號。6傳感器和轉(zhuǎn)換器的分類根據(jù)功能分類，典型的被丈量如下位移——線位移和角位移。速度——線速度、角速度和流速等。加速度──振動。幾何量──位置、長度、面積、厚度、體積、外表粗糙度等。質(zhì)量——重力、負載、密度。力——靜力、動力、壓差、力矩、功率。其它──硬度、粘度。7傳感器和轉(zhuǎn)換器的分類根據(jù)性能分類性能可以用精度、穩(wěn)定性、線性度、靈敏度、量程等靜態(tài)性能和呼應(yīng)特性的動態(tài)目的來評價。根據(jù)輸出信號分類模擬量輸出——產(chǎn)生一個延續(xù)的輸出信號，信號的某些性質(zhì)直接與被丈量大小有關(guān)。數(shù)字量輸出——產(chǎn)生一個串行的或并行的數(shù)字信號，信息可以在一些固定的時間間隔上提取，也可以按要求提取。頻率輸出——產(chǎn)生的信號頻率是被丈量的函數(shù)，輸出是延續(xù)波形或脈沖波形，可以用計數(shù)器和定時器將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字方式。編碼輸出——可以產(chǎn)生各種不同的編碼信號，包括：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制和脈沖位置調(diào)制。8傳感器的普通要求足夠的容量——傳感器的任務(wù)范圍或量程足夠大；具有一定的過載才干。靈敏度高，精度適當(dāng)——即要求其輸出信號與被測信號成確定的關(guān)系〔通常為線性〕，且比值要大；傳感器的靜態(tài)呼應(yīng)與動態(tài)呼應(yīng)的準確度能滿足要求。呼應(yīng)速度快，任務(wù)穩(wěn)定，可靠性好。運用性和順應(yīng)性強——體積小，分量輕，動作能量小，對被測對象的形狀影響??；內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或規(guī)范方式，以便與系統(tǒng)對接。運用經(jīng)濟——本錢低，壽命長，且便于運用、維修和校準。9傳感器技術(shù)的開展傳感器技術(shù)的開展主要有：半導(dǎo)體硅資料傳感器、采用光纖的光學(xué)系統(tǒng)、壓電器件、超聲器件等等。集成化智能傳感器簡圖10智能傳感器的功能自補償才干自校準功能自診斷功能自動定時丈量自動量程轉(zhuǎn)換雙向通訊功能含義：兩種結(jié)合方式：傳統(tǒng)的傳感器和微處置器〔含采集單元〕獨立的，可組合在一同，運用維護改換相對方便把微處置器嵌入到傳感器中，半導(dǎo)體類傳感器與微處置器集成在同一塊芯片上，如用于地震勘探的加速度傳感器。11傳感器技術(shù)的開展固態(tài)轉(zhuǎn)換器光電轉(zhuǎn)換器壓電轉(zhuǎn)換器超聲轉(zhuǎn)換器超聲轉(zhuǎn)換器為非接觸式丈量手段。與接觸式丈量相比，非接觸式丈量有以下優(yōu)點：減少了接觸爆炸性、放射性、毒性、腐蝕性或易燃物質(zhì)的危險性。防止了對藥物或食物等被測物的接觸污染。簡化了對傳感器和轉(zhuǎn)換器的維護。127.2電阻型傳感器電位器：最簡單的電阻型傳感器電位器有旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種方式，它們可以用來丈量直線位移或角位移。在任何情況下，只需改動電位器的有效分壓比，就可以得到不同的輸出電壓。構(gòu)成電位器的主要部分是大量緊繞的電阻線圈和一個滑動觸頭。因此，線圈式電位器的分辨率是單位長度繞圈數(shù)的倒數(shù)。要提高電位器的分辨率，可以運用金屬陶瓷電阻或?qū)щ娝芰媳∧ぁ?3電位器與負載阻抗當(dāng)把丈量儀表銜接入輸出端時，相當(dāng)于給輸出加了一個負載，將會產(chǎn)生丈量誤差。當(dāng)RL>>R2時，Ro≈R2。因此，為了保證丈量精度，通常次級〔無論是丈量儀表還是信號處置電路〕的輸入阻抗越大越好。a)無負載b)有負載14應(yīng)變片假設(shè)將某種導(dǎo)體或半導(dǎo)體資料沿軸向拉伸，那么它的長度將沿加載方向發(fā)生變化，其電阻值也將隨之變化。典型的電阻應(yīng)變片由一些電阻型金屬薄膜和基襯組成，基襯用來將所加載荷傳給應(yīng)變片。假設(shè)沿應(yīng)變片的軸向加載，那么將產(chǎn)生一個應(yīng)變，使得應(yīng)變片的有效長度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻變化。軸向加載的拉伸試樣電阻應(yīng)變片15橋式丈量電路應(yīng)變式電阻傳感器常用來丈量力、轉(zhuǎn)矩、壓力、加速度等物理量。電阻的變化〔即應(yīng)變〕通常是由橋式電路丈量的。由應(yīng)變產(chǎn)生的不平衡電位為對于電阻變化較小的情況：16應(yīng)變片的溫度補償溫度的變化也會引起應(yīng)變片電阻的變化，因此在橋路上安裝帶補償?shù)膽?yīng)變片與丈量的應(yīng)變片具有一樣的溫度特性，以消除溫度的影響，補償應(yīng)變片應(yīng)安裝在離丈量應(yīng)變片最近的地方，這就需求將兩個應(yīng)變片以適當(dāng)角度安裝在被測件上。17電阻式溫度傳感器金屬圈的熱慣量導(dǎo)致了其靈敏性較低、對溫度變化呼應(yīng)速度慢等特點，因此它常用來丈量穩(wěn)態(tài)溫度。在如下圖的典型運用中，使電阻溫度計成為電橋的一個臂。由于熱電阻的阻值很小，而由溫度變化引起的阻值變化也非常小，所以由導(dǎo)線電阻和接觸電阻引入的誤差就不能忽略，電阻溫度計是阻性溫度轉(zhuǎn)換器的根底，它包括由一段鉑絲做成的小軸心，軸心被空心軸包圍。18三線電橋電阻溫度計電路因此改用如下圖的三線銜接。圖中，電阻溫度計為Rt，導(dǎo)線電阻為r1、r2、r3，普通R1=R2=R為兩橋臂電阻，R3是調(diào)整電橋的精細電阻。通常，銜接在a、b端的丈量儀表的內(nèi)阻很大，故流過r3的電流近似于零。當(dāng)ua=ub時，電橋平衡，流過r3的電流為零，流過r1的電流也要流過r2，抵消其電壓降，假設(shè)讓r1=r2，并調(diào)整R3=Rt，即可以消除由導(dǎo)線電阻和接觸電阻引起的誤差。19半導(dǎo)體熱敏元件半導(dǎo)體熱敏元件是一種半導(dǎo)體電阻元件，其熱性能知，通常用來丈量范圍在-30℃～200℃的溫度。由于它體積小、熱慣量小，所以通常用來丈量動態(tài)溫度。必需留意，在運用半導(dǎo)體熱敏元件時，由于熱敏元件本身的發(fā)熱會帶來誤差。半導(dǎo)體熱敏元件的主要缺陷是它的非線性特性，這限制了它的運用范圍。但是，由于丈量系統(tǒng)運用微處置機，這種固有的非線性可以用軟件來抑制，使得半導(dǎo)體熱敏元件的運用范圍大大添加。20217.3電容式傳感器平行板電容器的電容量ε0為真空形狀的介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m，普通運算中將枯燥空氣的介電常數(shù)取為真空形狀的介電常數(shù)ε0；εr為絕緣資料的相對介電系數(shù)；A為平行板的有效正對面積；δ為兩平行板之間的間隔。22電容式傳感器的分類根據(jù)其改動參數(shù)不同，可將電容式傳感器分為下三種：改動極板之間隔〔間隙δ)的極距型傳感器;改動極板遮蓋面積〔A〕的面積型傳感器；改動電介質(zhì)之介電常數(shù)〔εr〕的介質(zhì)型傳感器電容式傳感器假設(shè)按極板的外形來分，可分為平板形和圓柱形兩種。圓柱型電容器的電容量23電容傳感器的非線性電容量C與兩極板間隙δ呈非線性關(guān)系。24變極距型電容傳感器

a)、b)變極式c)差動變極式

1—固定極板2—可動極板3—被測物體

25變面積型電容傳感器

a)平板平移式b)半可調(diào)式c)筒式d)差動筒式

1、3—固定極2—可動極

26變介電常數(shù)型電容傳感器

a)測厚度b)測位移c)測液量d)測容量

27實例——丈量液面高度用變介質(zhì)式的圓柱電容器丈量液面高度當(dāng)液面高度變化時，會引起極間不同介質(zhì)ε0和εr的界面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容的變化，且輸出電容與液面高度的數(shù)學(xué)表達式是一個線性關(guān)系。287.4電感式傳感器電感式傳感器的優(yōu)點：構(gòu)造簡單(由于沒有活動電觸點，所以任務(wù)可靠)丈量范圍寬(可達幾百毫米)靈敏度高(微米級)反復(fù)性好29電感式位移傳感器電感式位移傳感器具有無滑動觸點，任務(wù)時不受灰塵等非金屬要素的影響，并且低功耗，長壽命，可運用在各種惡劣條件下。線性可調(diào)差動變壓器線性可調(diào)電感傳感器感應(yīng)同步器30線性可調(diào)電感傳感器這種傳感器運用線圈擾流器進展任務(wù)。在100Hz或更高頻率下對線圈激磁，這時擾流器中感生的渦流會改動線圈的有效電感，且此電感是關(guān)于擾流器位置的函數(shù)。由于這種轉(zhuǎn)換器沒有用磁性資料，因此與其它電感轉(zhuǎn)換器相比，它受雜散磁場的影響較小，且消除了磁滯及磁場非線性，丈量位移的范圍可達220mm。a)內(nèi)置式擾流器b)外置式擾流器31感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器包括一個固定導(dǎo)軌〔可達幾米長〕和一個滑塊。兩者由厚度為0.1～0.15mm的空氣隔開，它們之間存在磁耦合?；瑝K上裝有一對繞組，兩繞組的相對間隔成1/4節(jié)距，即90°電角度。當(dāng)在滑軌線圈上加一正弦信號時〔頻率達幾千赫〕，滑塊繞組上將產(chǎn)生兩個電壓，兩個電壓的相位差是90°，且電壓的大小隨滑塊位置的改動而改動，由于繞組間的耦合是變化的，這種傳感器的輸出電壓，在一定條件下是呈正弦變化的。在幾毫米的間隔內(nèi)，其分辨才干可達2～3μm。32直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器33電感式速度傳感器永久磁鐵相對于線圈挪動，而線圈的感生電動勢是磁鐵運動速度及線圈尺寸的函數(shù)。當(dāng)需求丈量旋轉(zhuǎn)速度時可以采用直流或交流轉(zhuǎn)速表，其輸出電壓即直接與所測角速度成正比。34電感式傳感器的運用357.5熱電傳感器常用的熱電傳感器有熱電阻與熱電偶。當(dāng)導(dǎo)體所處的環(huán)境溫度發(fā)生變化時，導(dǎo)體的電阻值也會隨著溫度的變化而變化，熱電阻傳感器就是根據(jù)這一特性來丈量溫度的。在工業(yè)運用中，熱電阻傳感器常被用來丈量-200℃～500℃范圍的溫度。溫度傳感器是實現(xiàn)溫度檢測和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是運用最廣泛、開展最快的傳感器之一。36377.6光電傳感器從紅外到紫外的譜范圍內(nèi)，都能用光轉(zhuǎn)換器進展丈量，在大多數(shù)情況下其丈量都是非接觸式的，并且能在惡劣的環(huán)境〔諸如超高溫暖電磁干擾嚴重的場所〕中任務(wù)。電磁波譜38光電丈量系統(tǒng)由光電傳感器構(gòu)成的光電丈量系統(tǒng)的主要組成部分有將其他能量轉(zhuǎn)換為光的光源、光傳輸介質(zhì)、可以將輸入物理量的能量轉(zhuǎn)換為對光能特性進展修正的轉(zhuǎn)換器、監(jiān)測轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的光能特性變化的檢測器。39光電探測器光電探測器的實際根底是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)可分為三種不同的類型。在光的照射下，物體的電阻〔或電導(dǎo)〕發(fā)生變化的景象被稱為電導(dǎo)效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)，相應(yīng)的元件有光敏電阻；在光的照射下，電子逸出物質(zhì)外表的景象被稱為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)，此類器件有光電管、光電倍增管等；在光的照射下，半導(dǎo)體PN結(jié)產(chǎn)生電動勢或光電流添加的景象被稱為光伏效應(yīng)，光電池、光敏二極管和光敏三極管都屬于光伏效應(yīng)的器件。40光電探測器熱敏光電探測器經(jīng)過監(jiān)測入射的輻射熱在探測器中所產(chǎn)生的熱進展任務(wù)。典型的安裝〔例如電阻式輻射熱丈量計或熱電偶〕呼應(yīng)波長范圍為0.3～30μm，但其靈敏性較差、呼應(yīng)時間長。量子光電探測器利用入射光在探測器中產(chǎn)生電子空穴對來進展任務(wù)。硅資料的量子光電探測器利用光電效應(yīng)或光導(dǎo)效應(yīng)任務(wù)。光電效應(yīng)是在PN結(jié)上產(chǎn)生一個電壓，而光敏效應(yīng)那么是利用入射能來改動資料的導(dǎo)電性能。41光電效應(yīng)探測器當(dāng)適當(dāng)波長的光線照射到如圖a)所示的PN結(jié)的耗盡層上時，會在PN結(jié)上產(chǎn)生一個正比于光強的電位差。a)受光照的PN結(jié)b)光電特性42光敏電阻當(dāng)光線照射N型資料時，其導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化，這可以經(jīng)過電橋來檢測。對于一定波長的光線來說，在一層二氧化硅〔SiO2〕上加上特殊的資料就構(gòu)成了光敏電阻。常用的資料有銻化銦〔InSb〕〔適宜于波長為7μm的光線〕和硫化鎘〔CdS〕〔適宜于波長為0.7μm的光線〕。a)構(gòu)造b)用光敏電阻構(gòu)成的電橋43光電池光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的光電元件，許多資料都能制成光電池，但硅光電池由于其一系列的優(yōu)點用得最多。硅光電池價錢廉價，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02％)、壽命短，適于接納可見光(呼應(yīng)峰值波長0.56μm)，最適宜制造照度計。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜呼應(yīng)特性那么與太陽光譜最吻合。且任務(wù)溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它主要用于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源。硅光電池是在一塊N型硅片上，用分散的方法摻入一些P型雜質(zhì)，構(gòu)成一個大面積的PN結(jié)，當(dāng)PN結(jié)遭到的照射光到達一定光強時，就會在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一定的電壓，即光生電動勢。44光電二極管光電二極管普通處于反向任務(wù)形狀，在沒有光照射的時候，光電二極管的反向電阻很大、反向電流很小。而當(dāng)光線照射到反向偏置PN結(jié)的耗盡層或耗盡層的附近時，耗盡層中會產(chǎn)生電子空穴對，偏置電壓和內(nèi)電場使電子和空穴運動而構(gòu)成光電流。a)構(gòu)造b)運用45光電三極管〔光敏晶體管〕光電三極管可以看成是一個光敏二級管與一個晶體管組成，兩管共用一個基極。光電二極管產(chǎn)生的反向電流成為三級管的基極電流，三級管將其相應(yīng)地放大。光電三級管由于有了放大功能，因此其靈敏性得到了提高。

a)構(gòu)造b)運用46增量式直線編碼器增量式直線編碼器通常利用莫爾條紋干涉帶進展任務(wù)。在一塊長條型的光學(xué)玻璃上均勻地刻上明暗相間、寬度相等的線條，就構(gòu)成了一條光柵。光柵相對來說比較廉價，且分辨率能到達微米數(shù)量級。把兩個一樣的光柵疊在一同，并使它們以一個角度θ相交，那么會產(chǎn)生一個明暗相間的條紋，即莫爾條紋。利用光柵具有莫爾條紋的特性，可以經(jīng)過丈量莫爾條紋的挪動數(shù)來丈量兩個光柵的相對挪動。指示光柵和標尺光柵組成光柵副。固定后者，前者安裝在運動部件上47位置式(絕對式)編碼器位置式編碼器不像增量式編碼器，它不需求任何外部參照。在需求隨時了解物體確切位置的場所下，常用這種編碼器。但是，當(dāng)編碼器用于轉(zhuǎn)數(shù)超越一周時，就需求一個記錄轉(zhuǎn)數(shù)的計數(shù)器。如圖a)所示為一個典型的采用雷格編碼〔反射碼〕的8位旋轉(zhuǎn)式位置編碼器，它比圖b)所示的二進制編碼器更為優(yōu)越，由于二進制編碼在任何變化時只需一位發(fā)生變化，這就有能夠在變化時因錯讀位而產(chǎn)生誤差。

48實踐編碼器的碼盤增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤