第五章 机电控制工程中的传感器选择文档格式.docx

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时间零漂：

在规定的时间内，在温度不变的条件下，零输出的变化。

温度漂移：

当温度发生变化时，其输出特性的变化，通常用零点输出变化值表示，也可以用它与满量程的比值来表示。

（2）动态响应特性

在被测量的物理量随时间变化的情况下，传感器的输出能否很好地追随输入量的变化是一个很重要的问题。

有的传感器尽管其静态持性非常好，但由于不能很好追随输入量的快速变化而导致严重误差，这种动态误差若不注意加以控制，可以高达百分之几十其至百分之百。

这就要求我们要认真注意传感器的动态响应持性。

频率响应特性、幅颠特性、相频特性、阶跃响应特件、时间常数、上升时间、过冲量（超调量）、固有频率、阻尼比（对数减缩）

二、传感器的选择原则

1、分析受控对象被测物理量：

确定受控对象的被测物理量（位移、速度、压力、温度、位置）以便选用传感器的类型。

2、分析受控对象的使用环境：

分析受控对象的使用环境以便选择某类传感器中的不同类型的传感器以适应环境需要。

3、分析传感器的特性及参数：

将传感器的特性与受控对象被测物理量的性质、受控对象的使用环境以及受控对象的技术参数进行综合匹配。

4、选择传感器的生产厂家：

选择传感器生产厂家的售前和售后服务。

第三节传感器的分类（按被测物理量分类）

一、位移传感器

1、电位器

电位器分为直线型和旋转型。

a、直线型电位器

特点：

结构简单，性能稳定。

缺点：

分辨率不高，易磨损。

b、旋转型电位器

结构简单，体积小，动态范围宽，输出信号大（一般不用放大），抗干扰能力强，精度较高。

测量精度较低，转速较高时转轴与衬套会出现“卡死”现象。

主要生产厂家：

2、感应同步器

感应同步器分为直线式和圆盘式。

精度高，测量长度不受限制，对环境的适应较高，维护简单，寿命长，抗干扰能力强，工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。

3、光栅

4、光电编码器

分为绝对式编码器和增量式编码器。

a、绝对式编码器

使用寿命长，可靠性高，其精度和分辨率取决于光码盘的精度和分辨率。

结构较复杂，光源寿命较短。

b、增量式编码器

寿命长，功耗低，耐振动。

5、超声波传感器

6、电涡流传感器

结构简单，频率响应宽，灵敏度高，测量线性范围大，抗干扰能力强，体积小。

7、光纤传感器

灵敏度高，精度高，体积小，耐高温，抗腐蚀。

类型

工作特点

电阻值

滑线式，线位移（分压式）角位移

分辨率较高，可用于静态或动态测量，接触元件易磨损

变阻式，线位移角位移

结构牢固，寿命长，但分辨力较差，电噪声大

应变式

非粘贴式

粘贴式

半导体式

不牢固

牢固，使用方便，要做温度补偿输出幅值大，温度灵敏度高

电感式

自感式变气隙式

螺管式

差动变压器式

适用于微小体温表移测量

使用简便可靠，动态性能较差

分辨率好，需屏蔽消除杂磁场干扰

电涡流式

分辨率好，被测手体必须是导体

同步电机

微动同步器

旋转变压器

能在1200r/min转速下工作，工作可靠，对测试和温度不敏感

非线性误差与变压比和测量范围有关

电容式

变面积型

变极距型

介电常数受环境温度，温度影响较大

分辨率很好，测量范围很小，在较小的极距内保持线性

霍尔元件式

结构简单，动脉性能好

感应同步器

直线式

旋转式

模拟和数字混合测量系统，数字显示（直线感应同步器的分辨率可达1μm）

计量光栅

长光栅

圆光栅

同上（长光栅分辨率0.1~1μm）

激光干涉仪

测量精度高、操作简便，能精确测得位移值及其方向

磁栅

长磁栅

圆磁栅

测量工作速度可达12m/min

编码器

接触式

光电式

分辨率好，可靠性高

光纤式

纤维光学位

移传感器

分辨率高，约0.25μm，抗环境干扰能力强

二、速度传感器

1、测速发电机

分为直流和交流两种。

线性度好，灵敏度高，结构简单、紧凑,低速精确度高,输出斜率大,可靠性好,寿命长。

2、光纤多普勒速度计

3、霍尔式转速传感器

体积小,结构简单,无触点,启动力矩小等特点,使用寿命长,可靠性高,频率特

4、电容式转速传感器

5、光电式转速传感器

特点：

精度高、体积小、重量轻。

6、电涡流式转速传感器

测速范围宽（0～600,000），抗磁场干扰，安装方便，具有自保护功能（指接线错误），结构坚固,防潮,防尘,耐腐蚀。

7、空间滤波器

三、加速度传感器

1、电压式加速度传感器

2、倾斜镜式光纤加速计

构思巧妙、结构精亮、灵敏度高，测量范围大、抗干扰强。

四、力和力矩传感器

1、电阻应变式传感器

精度较高、体积小、重量轻、测量范围广、适应性强、固有频率高可测量变化快的压力。

缺点：

受温度影响较大。

3、固态压阻式传感器

体积小、结构简单、灵敏度高、动态响应好。

4、变面积式电容传感器

5、变间隙式电容传感器

结构坚实、灵敏度高、精度高、过载能力大、测量范围较大。

6、压电式传感器

体积小、结构简单、工作可靠、频率响应高、测量范围交大、精度高。

输出阻抗高、需要特殊的信号传输导线、温度效应较大。

7、弹性式压力计

机构简单、坚固耐用、指示明显、价格便宜、精度较高、测量范围宽、维护方便。

8、频振式压力计

9、集成式压力传感器

五、视觉传感器

1、CCD传感器

尺寸小、工作电压低、寿命长、坚固耐冲击、信息处理容易。

2、人工视觉系统

六、物位传感器

1、浮子式液位仪计

2、浮筒式液位计

3、电容式物位检测仪

4、电阻式液位计

5、超声波物位计

6、核辐射式物位计

8、物位开关

检测液位方式

检测液位种类

基本工作原理

适用范围

接

触

式

液

体

传

感

器

差压式

差压式传感器是利用液体的压强原理，在液体底部检测液底压强和标准大气压的压差，用固态压阻传感器作为检测差压的核心部件

适用于液体密度均匀、底部固定条件下的液位检测

浮体式

浮体式传感器主要分为浮筒式与浮子式。

一般情况下，浮体与某个测量机构相连，如重锺或内置若干个干簧继电器的不锈钢管，浮体的运动被重锺或对应位置上的干簧继电器转换为相应的液位

适用于清洁液体的连续式检测与位开关式的液位检测

电容液位式传感器是利用液位的变化会引起其导电率的变化，从而转换成电容值发生变化的检测装置

适用于腐蚀性液体、沉淀性液体和其他化工工艺液体液位检测

直流电极式

其检测原理是利用液体的导电特性，将导电液体的液面升高转换为电路的开关闭合，该开关信号直接或经由一个简单电路传给后续处理电路

适用于导电液体的液位测量

光纤液位式

光导纤维式传感器根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行检测

可适用于任何液体液位高度的检测与控制，特别适用于易燃、易爆、腐蚀性液体的检测

非

超声波

超声波传感器先向液位面发射声波，计量声波从发射后到达液面再反射回来所需时间，利用该时间与液位高度成比例的原理进行检测。

超专用波传感器必须用于能充分反射声波且传播专用波的介质

适用于多种液体液位的检测

核辐射

核辐射检测是利用放射性同位素来进行测量的，根据被测物质对射线的吸收、反射或射线对被测物质的电离激发作用而进行检测

因放射性物质对人类有害，只用在部分特殊场合

七、色彩传感器

1、双结型彩色传感器

八、光电传感器

1、光敏电阻

2、光电二级管和光电三级管

3、红外传感器

九、温度传感器

1、金属热电阻

温度性好、互换性好、准确度高、适宜测低温

2、热敏电阻：

灵敏度高、体积小、适于远距离测量、寿命长、廉价

3、热电偶

结构简单、准确度较高、稳定性好、重复性好、响应时间短。

测温范围宽，可以远传。

4、集成温度传感器

5、辐射测温仪

6、光纤温度传感器

特点：

灵敏度高、电绝缘性好、抗电磁干扰和辐射、体积小、重量轻、可弯曲。

测温方式

温度计种类

测温范围/℃

优点

缺点

测

温

仪

表

膨胀式

玻璃液体

-50~600

结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉

测量上限和精度常驻玻璃质量限制，不能记录和远传

双金属

-80~600

结构简单紧凑，牢固可靠

精度低，量程和使用范围有限

压力式

液体

-30~600

抗振、坚固、防爆，价格低廉

精度低，测温距离短滞后大

气体

-20~350

蒸气

0~250

热电偶

铂铑-铂

0~1600

测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制

需冷端温度补偿，低温段测量精度较低

镍铬-镍铝

0~900

镍铬-考铜

0~600

热电阻

铂电阻

-200~500

测量精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制

不能测量高温，需注意环境温度的影响

铜电阻

-50~150

热敏电阻

-50~300

辐射式

400~2000

测温时不破坏被测温度场

低温段测量不准确，环境条件会影响测量准确度

光学式

700~3200

比色式

900~1700

红外线

热敏探测

-50~3200

测温时不破坏被测温度场，响应快，测温范围大，适合测量温度分布

容易受外界干扰，标定困难

光电探测

0~3500

热电探测

200~2000

十、气敏、湿敏传感器

1、QM－N5半导体气敏元件

适应微量低浓度、寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强，结构简单，成本低，可靠性高、不需要复杂的处理设备

2、半导体陶瓷湿敏元件

质地坚硬、在水中不膨胀、不溶解、耐高温

导体陶瓷湿敏元件高、二耐老化和抗污染必半导体陶瓷湿敏元件低。

十一、接近开关传感器

1、机械式接近开关

2、电感式接近开关

3、电容式接近开关

4、霍尔接近开关

5、光电式接近开关

6、热释电式接近开关

7、其它型式的接近开关

常用接近开关特点简介

近开关类型

特点

电感式接近开关

被测物必须是导体

电容式接近开关

被测物不限于导体，可以是绝缘的液体或粉状物

霍尔接近开关

被测物必须是磁性物

光电式接近开关

对环境要求严格，无粉尘，被测物对光的反射能力强

热释电式接近开关

被测物体的温度必须和环境温度有差异

十二、流量传感器

检测方式

检测种类

检测流量基本工作原理

适用检测流量范围

流

量

电磁式

电磁流量式传感器的原理是在磁感应强度均匀的磁场中，垂直于磁场方向放一个不导磁管道，当导电液体在管道中以一定流速流动时，导电液体就切割磁力线。

在管道截面上垂直于磁场的管道两端安装一对电极，则电极上会产生感应电动势，且感应电动势与流体流量成正比

适用于具有自由表面的下水排入领域，并提高该领域的测量精确度

热线式

热敏元件是利用热平衡原理来测量流体速度的。

热线用电流进行加热，它的温度高于周围介质湿度。

当周围介质流动时，就会有热量的传递。

在稳定状态下，电流对热线的加热热量等于周围介质的散热量

适用于环境保护和工业大中型管道的流量

涡轮式

当被测流体流经涡轮式传感器时，传感器内的叶轮借助于液体的动能而产生旋转，叶轮即周期性地改变磁电感应系统中的磁电阻，使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号

适用于石油、化工、冶金、科研等领域的液体的流量检测

超声波式

超声波在流动的液体中传播时，就载上液体流速的信息。

因此通过接收到的超声波就可以检测出液体的流速，从而换算成流量

适于检测不易接触的强腐蚀性、非导电生、放射性和易燃易爆介质的流量

第四节传感器选用实例

一、同一控制对象选可用不同的传感器

例1在SFS-II料位仪中，对卸料管中的熟料（物位）的检测，可选用不同传感器的传感器选用，如电容式传感器、压力式传感器、r射线传感器和声音传感器。

例2在印钞废水应急系统中测量液位的方法有：

接触式测量有：

静压式、差压式、浮筒式、电容式等

非接触式测量：

超声波、核辐射等

二、对同一种传感器可在不同的控制对象中应用

在一般工业生产场所，电感式接近开关和电容式接近开关使用较多，因为这两种接近开关对环境的要求条件较低。

当被测对象是导电物体或是可以固定在一块金属物上的物体时，一般都选用电感式接近开关，因为它的响应频率高、抗环境干扰性能好、应用范围广、价格较低。

当被测对象是非金属（或金属）、液位高度、粉状物高度、塑料、烟草等，则应选用电容式接近开关。

这种开关虽然响应频率低，但稳定性好。

另外，在安装时应考虑环境因素的影响。

当被测物为导磁材料，或者为了区别和它一同运动的物体而把磁钢埋在该被测物体内时，应选用霍尔接近开关，它的价格较低。

在环境条件比较好、无粉尘污染的场合，可采用光电接近开关。

光电接近开关工作时对被测对象几乎无任何影响。

因此，在要求较高的传真机上、在烟草机械上都被广泛地使用。

在防盗系统中，自动门通常使用热释电接近开关、超声波接近开关、微波接近开关。

有时为了提高识别的可靠性，上述几种接近开关往往被复合使用。

无论选用哪种接近开关，都应考虑工作电压、负载电流、响应频率、检测距离等各项具体的性能指标。

现以接近开关为例，分析对同一种传感器可在不同物理量检测中应用。

例1生产中测量产品的长度

在生产漆包线、钢丝、钢带及布匹时，可使用如图5—55所示的方法进行产品长度的测量。

测长辊子与齿形盘装在同一个轴上，接近传感器装在齿形盘的侧旁。

如果齿形盘的齿数为N,那么齿形盘每旋转一周，接近传感器就输出N个脉冲。

这时与齿形盘同轴的测长辊子也旋转一周，相当于被测物品被卷过的长度为πD，那么每个脉冲所对应的长度为K=πD／N

被测物的总长度是

L=M·

K式中，D——测长轮的直径；

M——测量脉冲的总和。

例b、生产线工件的计数

图5—56是生产线工件计数装置的示意图。

接近传感器设置在工件传送带的一侧，当传送带运行时，一个个工件经过接近传感器。

当工件接近传感器时，传感器输出脉冲开关信号，该信号可直接送往计数器进行计数。

例c、机械手的限位

在自动生产线上使用着各种各样的机械手，它们不停地从事着搬运工件的工作。

为保证机械手抓取及放置工件位置的准确性，往往采用接近传感器对它们的运动范围进行限位。

图5—57是机械手左右运动限位的控制示意图。

接近传感器设置在机械手臂的左右需要限位的位置，当机械手臂左右运动靠近接近传感器时，传感器感知到手臂接近并在达到规定的检出距离时输出控制信号，经执行机构使机械手停止运行。

例d、生产工件加工定位

在机械加工自动生产线上，也可以使用接近传感器进行零部件的加工定位。

图5—58是这种加工定位的示意图。

当传送机构将加工的零部件运送到靠近传感器位置时，传感器根据规定的检出距离发出控制信号，使传送机构停止运行，此时加工刀具可对零部件进行机械加工。