传感器与检测技术教案17.docx
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传感器与检测技术教案17
传感器与检测技术
传感器与检测技术
第一章概述
传感器：
是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
1.1机电一体化系统常用传感器
1.1.1传感器的组成
传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。
①敏感元件：
是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力、力矩转换为位移或应变输出）。
②转换元件：
是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（电阻、电感、电容）及电流或电压等电信号。
③基本转换电路：
是将该电信号转换成便于传输，处理的电量。
大多数传感器为开环系统，也有带反馈的闭环系统。
1.1.2传感器的分类
1．按被测量对象分类：
（1）内部信息传感器：
主要检测系统内部的位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化。
（2）外部信息传感器：
主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式（触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器）和非接触式（视觉传感器、超声测距、激光测距）。
2．传感器按工作机理：
（1）物性型传感器:
利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的（主要有：
光电式传感器、压电式传感器）。
（2）结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的（主要有电感式传感器、电容式传感器、光栅式传感器）。
3．按被测物理量分类
如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度。
4.按工作原理分类
可分为电阻式、电感式、电容式、光电式、磁电式、压电式、热电式、陀螺式、机械式、流体式。
有利于传感器的设计和应用：
5.按传感器能量源分类：
（1）无源型：
不需外加电源，而是将被测量的相关能量转换成电量输出（主要有：
压电式、磁电感应式、热电式、光电式）又称能量转换型；
（2）有源型：
需要外加电源才能输出电量，又称能量控制型（主要有：
电阻式、电容式、电感式、霍尔式）。
电阻式包括光敏电阻、热敏电阻、湿敏电阻等形式。
6.按输出信号的性质分类：
（1）开关型（二值型）：
是“1”和“0”或开（ON）和关（OFF）；
（2）模拟型：
输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量，其输入/输出可线性，也可非线性；
（3）数字型：
①计数型：
又称脉冲数字型，它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器可对输入量进行计数；②代码型（又称编码型）：
输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。
其代码“1”为高电平，“0”为低电平。
①开关型（二值型）：
包括接触型（微动开关、行程开关、接触开关）、非接触型（光电开关、接近开关）；
②模拟型：
包括电阻型（电位器、电阻应变片）、电压\电流型（热电偶、光电电池）、电容\电感型（电容、电感式位置传感器）；
③数字型：
包括计数型（脉冲或方波信号+计数器）、代码型（回转编码器、礠尺）。
传感器分类
转换原理
传感器名称
典型应用
转换
形式
中间
参量
电
参
数
电
阻
移动电位器触点改变电阻
电位器传感器
位移
改变电阻丝或电阻片的尺寸
电阻丝应变传感器、半导体应变传感器
微应变、力、负荷
利用电阻的温度效应（电阻温度系数）
热丝传感器
气流速度、液体流量
电阻温度传感器
温度、热辐射
热敏电阻传感器
温度
利用电阻的光敏效应
光敏电阻传感器
光强
利用电阻的湿度效应
湿敏电阻
湿度
电
容
改变电容的几何尺寸
电容传感器
力、压力、负荷、位移
改变电容的介电常数
液位、厚度、含水量
电
感
改变磁路的几何尺寸、导磁体位置
电感传感器
位移
涡流去磁效应
涡流传感器
位移、厚度、硬度
利用压磁效应
压磁传感器
力、压力、扭矩
电
参
数
电
感
改变互感
差动变压器
位移
自整角机
位移
旋转变压器
位移
频
率
改变谐振回路中的固有参数
振弦式传感器
压力、力
振筒式传感器
气压
石英谐振传感器
力、温度等
计
数
利用莫尔条纹
光栅
大角位移、大直线位移
改变互感
感应同步器
利用拾磁信号
磁栅
数字
利用数字编码
角度编码器
大角位移
电
量
电
动
势
温差电动势
热电偶
温度、热流
霍尔效应
霍尔传感器
磁通、电流、压力
电磁感应
磁电传感器
速度、加速度
光电效应
光电池
光强
电
荷
辐射电离
电离室
离子计数、放射性强度
压电效应
压电传感器
动态力、加速度
1.1.3传感器的特性及主要性能指标
1.传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，有静态特性和动态特性。
2.传感器的静态特性
是当传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系，叫静态特性，简称静特性。
表征传感器静态特性的指标有线性度、灵敏度、重复性等。
3.传感器的动态特性
是指传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性，简称动特性。
取决于传感器的本身及输入信号的形式。
传感器按其传递、转换信息的形式可分为①接触式环节；②模拟环节；③数字环节，其中最薄弱环节的动态特性即为该传感器的动态特性。
评定其动态特性的输入信号：
正弦周期信号、阶跃信号。
4.传感器的主要性能要求：
1）高精度、低成本。
2）高灵敏度。
3）工作可靠。
4）稳定性好，应长期工作稳定，抗腐蚀性好；
5）抗干扰能力强；
6）动态性能良好。
7）结构简单、小巧，使用维护方便，通用性强，功耗低等。
1.2传感检测技术的地位和作用
1.地位
传感检测技术是一种随着现代科学技术的发展而迅猛发展的技术，是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一。
2.作用
能够进行信息获取、信息转换、信息传递及信息处理等功能。
应用：
仪器设备、家用电器、计算机集成制造系统（CIMS）、柔性制造系统（FMS）、加工中心（MC）、CNC机床、计算机辅助制造系统（CAM）。
1.3基本特性的评价指标与选用原则
1．测量范围：
是指传感器在允许误差限内，其被测量值的范围；
量程：
是指传感器在测量范围内上限值和下限值之差。
过载能力：
一般情况下，在不引起传感器的规定性能指标永久改变条件下，传感器允许超过其测量范围的能力。
过载能力通常用允许超过测量上限或下限的被测量值与量程的百分比表示。
2.灵敏度：
是指传感器输出量的变化量
与引起此变化的输入量的变化
之比。
系统总灵敏度
等于各环节灵敏度
的乘积，
。
灵敏度表示传感器或传感检测系统对被测物理量变化的反应能力。
灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，传感器所能感知的变化量越小，即被测量稍有微小变化，传感器就有较大输出。
K值越大，对外界反应越强。
过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。
放大噪声，信噪比要好。
灵敏度的量纲，灵敏度是否为常数；
灵敏度的方向性，交叉耦合灵敏度越小越好。
3.线性度：
反映非线性误差的程度是线性度。
线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，用其不一致的最大偏差△Lmax与理论量程输出值Y（=ymax—ymin）的百分比进行计算。
4.重复性：
是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度的指标；（分散范围小，重复性越好）
5.稳定性
在相同条件，相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力，影响传感器稳定性的因素是时间和环境。
电阻应变式传感器，湿度会影响其绝缘性；温度影响其零漂，零漂是指还没输入时，输出值随时间变化而变化。
长期使用会产生蠕变现象。
6、精确度：
简称精度，它表示传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。
7.分辨力是指传感器能检出被测量的最小变化量。
8、动态特性：
反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性。
传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失真测量条件，时间延迟越小越好。
一般地，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，响应时间快，工作频率范围宽。
结构型传感器，固有频率低。
在动态测量中，响应特性对测试结果有直接影响。
频域内，采用正弦输入信号分析传感器检测系统的频率响应，包括幅频特性和相频特性；时域内，采用系统对阶跃信号的瞬态响应的超调量、响应时间、上升时间等来分析系统的动态特性。
9.环境参数
指传感器允许使用的工作温度范围以及环境压力、环境振动和冲击等引起的环境压力误差、环境振动误差和冲击误差。
1.4传感器的标定与校准
1、标定（计量学称之为定度）是指在明确传感器输入/输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量（或其它标准量）输入，确定其输出电量与其输入量之间的过程。
2、校准是指传感器在使用前或使用过程中或搁置一段时间再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以确保传感器的测量精度。
3、标定系统的组成：
①被测非电量的标准发生器或被测非电量的标准测试系统；
②待标定传感器；
③它所配接的信号调节显示、记录器等。
4、静态标定是给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给出标定方程和标定常数，计算其灵敏度，线性度，滞差，重复性等传感器的静态指标。
对传感器进行静态标定时，首先要建立静态标定系统。
传感器的静态标定设备有：
力标定设备，压力标定设备，温度标定设备等。
对标定设备要求：
1具有足够的精度，至少应比被标定的传感器高一个精度等级，并且应符合国家计量值传递的规定；
2量程范围应与被标定传感器的量程相适应；
3性能稳定可靠，使用方便，能适应多种环境。
5.动态标定
通过确定其线性工作范围、频率响应函数、幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线，来确定传感器的频率响应范围、幅值误差和相位误差、时间常数、阻尼比、固有频率等。
动态标定的目的是检验测试传感器的动态性能指标。
常用的标准动态激励设备有激振器、激波管、周期与非周期函数压力发生器；（其中激振器可用于位移、速度、加速度、力、压力传感器的动态标定）。
振幅测量法为绝对标定法，精度较高，但所需设备复杂，标定不方便，故常用于高精度传感器与标准传感器的标定。
工程上采用比较法进行标定，俗称背靠背法:
与动态特性已知已知的标准传感器同时测量同一个被测量。
1.5传感器与检测技术的发展方向
1.开发新型传感器。
①利用新材料制作传感器；
②利用新加工技术制作传感器；
③采用新原理制作传感器。
2.传感检测技术的智能化：
传感检测系统目前迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。
功能：
①自动调零和自动校准；②自动量程转换；③自动选择功能；④自动数据处理和误差修正；⑤自动定时测量；⑥自动故障诊断。
3.复合传感器
能同时检测几种物理量具有复合检测功能的传感器。
多信息融合技术。
4.研究生物感官，开发仿生传感器。
目前研究的生物传感器中有酶传感器、微生物传感器等。
生物传感器与微电子技术相结合，将开创人造器官的新时代。
第二章位移检测传感器
1、位移可分为线位移和角位移两种。
测量位移常用的方法有：
机械法，光测法，电测法。
电测法：
是利用各种传感器将位移量变换成电量或电参数。
再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法。
位移测试系统由传感器、变换电器、显示装置或记录仪器三部分组成。
测量位移常用的传感器有：
电阻式、电容式、涡流式、压电式、光电式、感应同步器式、磁栅式等。
2、位移传感器的分类[A]：
（1）参量型位移传感器：
将被测位移转换为电参数,如电阻、电容、电感等；
（2）发电型位移传感器:
将被测位移转换为电源性参量，如电动势、电荷等；
（3）大位移传感器：
2.1参量型位移传感器
2.1.1电阻式位移传感器
电位计：
被测量使L变化
应变片：
被测量使三者均变化
1.电位计
1）工作原理[B]：
由骨架、电阻元件（线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料）、电刷等组成，电刷相对于电阻元件运动（直线运动、转动或螺旋运动），将位移（直线位移、角位移）等转换为电阻。
（1）线性电位计：
电阻与位移呈线性关系
——电阻灵敏度，输出电阻与被测位移之比[A]；
输出空载电压[C]
——电压灵敏度，输出电压与被测位移之比[A]；
理想线性电位计:
、
均为常数，空载输出特性为理想直线；
实际线性电位计：
阶梯特性，存在阶梯误差；属于原理误差，限制了精度和分辨力
（2）非线性电位计：
电阻与位移呈非线性或函数关系
有变骨架式、变节距式、分路电阻式、电位给定式等。
电阻灵敏度：
KR=dR/dx
电压灵敏度：
Ku=dU0/dx。
2）选用[B]：
（1）优点：
结构简单，输出信号大，性能稳定，并容易实现任意函数关系；
（2）缺点：
是要求输入量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，容易磨损，产生噪声干扰。
（3）应用：
用于直线、角位移等测量。
2．电阻应变式位移传感器
工作原理:
被测位移引起应变元件产生应变，经后续电路变换成电信号，从而测出被测位移。
2.1.2电容式位移传感器
1.工作原理[B]
+
-
δ
S
平行板电容器
电力线
被测量（线位移或角位移）使
中任何一个参数变化，都会引起电容式传感器的电容量发生变化，再经过适当的变换电路，将电容量的变化转换为电信号，从而实现被测量的测量。
2.特点：
（1）封闭形式或开放形式下工作；
（2）对输入能量的要求低，动态响应特性好；
（3）介质损耗小，本身发热影响小，而使其能在高频范围内工作；
（4）构件和连接电缆会引起泄露电容，造成测量误差；
3.分类
1）变极距型的电容位移传感器
灵敏度[C]
特点和应用[B]
（1）灵敏度高，但不为常数，即电容与极距变化间为非线性关系；
（2）用于小位移测量：
K近似为常数；
（3）差动电容：
差动连接可改善线性度及提高灵敏度[A]；
2）变极板面积型电容位移传感器
（1）特点和应用[B]
输入输出具有线性特性即灵敏度为常数，常用于较大线位移、角位移的测量；
（2）分类：
圆筒型电容位移传感器
角位移型平板电容位移传感器
3）变介质型电容式传感器[C]
被测量（液位、厚度、湿度、温度、位移等）使电容式传感器的工作介质的介电常数发生变化，从而实现测量。
一般具有较好的线性特性，但也有输入/输出呈非线性关系。
电容式液位计（测量液面高度）
电容式介质厚度传感器
C和介质厚度δ以及介质的介电常数
之间的关系都是非线性的；
4）容栅式电容位移传感器
（1）工作原理：
是在面积型电容位移传感器的基础上发展来的，由固定容栅和可动容栅形成很多对电容，它们相对移动时，每对电容面积发生变化，因而电容值随之变化，从而可测出线位移或角位移。
（2）分类和电容量的计算[C]
长容栅
n—可动容栅的栅极数；
a、b—为栅极的宽度、长度
被测位移使C发生变化；
圆容栅
R、r—栅极外半径和内半径（m），
—每条栅极所对应得圆心角（rad）。
被测位移使重叠角在0~
之间发生变化；
（3）特点：
因多极电容及平均效应，分辨力高，精度高，量程大，对刻划精度和安装精度要求可有所降低，一种很有发展前途的传感器。
可用于大位移测量。
4．电容式位移传感器的绝缘和屏蔽
（1）若绝缘材料性能不佳，绝缘电阻随环境温度和湿度而变化，还会使电容位移传感器的输出产生缓慢的零位漂移；
漏电阻:
电容器本身容抗很大，通常的绝缘电阻只能视为电容位移传感器的旁路电阻，称之。
寄生电容：
电容传感器的极板和周围物体、各种仪器乃至于人体都会发生电容联系，产生附加电容，称之。
（2）绝缘材料应具有高的绝缘电阻、低的膨胀系数、几何尺寸的长期稳定性和低的吸潮性；
（3）通常对电容位移传感器及其引线采取屏蔽措施，即将传感器放在金属壳内；
（4）接地应可靠，可以消除不稳定的寄生电容，还可以消除外界静电场和交变磁场的干扰。
2.1.3电感式位移传感器
将被测物理量位移转化为自感L,互感M的变化，并通过测量电感量的变化确定位移量。
主要类型有自感式、互感式、涡流式和压磁式。
输出功率大，灵敏度高，稳定性好等优点。
1．自感式电感位移传感器
1）工作原理与结构[B]
缠绕在铁心的线圈中通以交变电流i，产生磁通Φm，形成磁通回路。
线圈的自感L计算公式为[B]
工作原理[A]：
被测量（如位移）使线圈的自感L发生变化，于是线圈中的交变电流就会变化。
（1）变气隙型:
变，其余不变；
与
的关系呈非线性；
解决办法：
只用于小位移测量；差动式连接；
（2）变面积型:
变，其余不变；
（2）螺管型:
变，其余不变；
l:
铁心与衔铁的导磁长度（m）；μ：
铁心与衔铁的导磁率（H/m）；S：
铁心与衔铁中的导磁面积（m2）；δ：
气隙厚度（m）；μ0：
真空磁导率（H/m）；S0：
气隙导磁横截面积（m2）。
2）改善其性能考虑的因素
1）损耗问题;
2）气隙边缘效应的影响，
3）温度误差，
4）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题。
2.互感式位移传感器（差动变压器式位移传感器）
1）工作原理和结构
基本结构与常用变压器类似，故称为变压器式位移传感器。
当一次侧通过交变电流i1时，在二次侧上将感生感应电动势E
M—互感系数，与两线圈之间相对位置及周围介质导磁能力等因素有关。
工作原理[A]：
将被测位移量的变化转换成互感系数M的变化
2）差动变压器式位移传感器
常采用差动连接（提高灵敏度，改善线性度），常用螺管型。
特点：
（1）优点:
线性范围大（数百mm），精确度高，分辨力可达0.1
;稳定性好，使用方便。
（2）缺点：
存在零点残压
由于两二次侧线圈结构不对称、一次侧线圈铜损电阻的存在、铁磁材质不均匀、线圈间的分布电容等因素。
零点残压造成测量误差。
可调电阻。
3．涡流式位移传感器
1）工作原理
利用电涡流效应将被测量变换为传感器线圈阻抗Z变化的一种装置。
块状金属置于变化的磁场中或在磁场中运动时，金属体内都要产生感应电流，此电流的流线在金属体内自己闭合，所以称涡流。
涡流的大小与金属体的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t以及线圈与金属体的距离x、线圈的激励电流强度i、角频率ω等有关。
2）分类
（1）高频反射涡流传感器
由传感器线圈和被测导电物组成，线圈使被测导电物体上产生涡流，涡流产生的磁场使传感器线圈的阻抗Z发生变化，Z的变化值与涡流值有关。
（2）低频透射涡流传感器
由发射线圈、接收线圈和位于两线圈之间的被测导电物体组成，被测物体上的涡流使得接受线圈输出的感应电压降低。
涡流越大，接收线圈输出的电压越低。
3）涡流式传感器的特点和应用：
结构简单，易于进行非接触测量，灵敏度高，应用广泛，可测位移、厚度、振动等。
测量范围小，毫米级；分辨力可达
级。
2.2发电型位移传感器-压电位移传感器
1、发电型位移传感器（压电位移传感器）是将被测物理量转换为电源性参量。
如：
电动势、电荷等。
包括：
磁电型、压电型。
2、压电式位移传感器的基本工作原理是：
将位移量转换为力的变化，然后利用压电效应将力的变化转换为电信号。
2.3大位移传感器
2.3.1磁栅式位移传感器
1.类型和用途
根据用途可分为长磁栅和圆磁栅位移传感器，分别用于测量线位移和角位移。
2.工作原理
1）由磁尺和磁头组成，磁尺被录音磁头按长度方向记录一周期信号，磁尺上剩磁的图形排成SN、NS状态。
测量时利用重放磁头将记录信号还原。
2）磁头分动态（速度磁头）和静态（磁通响应式磁头）。
动态磁头：
只有一个绕组，当磁头沿磁尺相对运动时，输出正弦波，在N、N重叠处输出正信号最强，在S、S重叠处负信号最强。
静态磁头：
磁头由励磁绕组和输出绕组组成，在励磁绕组中输入高频励磁电压信号；当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余弦电压信号，其频率仍为励磁电压的频率，其幅值与磁头所处的位置有关。
当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化。
3.特点：
磁栅式位移传感器精度可达±0.01㎜/m，分辨率达1～5μm；磁信号的均匀性和稳定性对磁栅式位移传感器的测量精度影响较大。
2.3.2光栅式位移传感器
1.光栅：
一种在基体（金属或玻璃）上刻制有等间距（栅距
）均匀分布刻线的光学元件。
透射光栅（透明玻璃尺基体，刻线不透光，刻缝透光）、反射光栅（不锈钢带基体，刻线不反射光，刻缝反射光）。
光栅条纹密度有25条/㎜，50条/㎜，100条/㎜或更密；栅线长度6～12㎜.
2.光栅式位移传感器的种类
有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。
3.长光栅位移传感器的工作原理
透射光栅，基于莫尔条纹现象。
（1）标尺光栅（不动，长度由所需量程决定）和指示光栅重叠放置，但它们的刻线间有一微小夹角
。
由于光的干涉效应，在与光栅刻线近似垂直方向上将产生明暗相间的条纹即莫尔条纹。
莫尔条纹的间距
。
（2）当两个光栅沿刻线垂直方向相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距
。
（3）光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变;
（4）光栅条纹的光强度随条纹移动按正弦规律变化。
（5）利用光电元件检测出莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移动的距离和方向，实现位移的检测。
（6）测长精度可达0.5～3μm，分辨率达0.1μm.
4.光学系统
①透射式光路（栅）；②反射式光路（栅）
5.圆光栅
动光栅相对于静光栅转动，将转动的角度量变换成莫尔条纹信号，通过光电转换元件，将莫尔条纹的变化转换成近似于正弦波形的电信号。
用于角度测量，精度可达
，分辨力可达
，甚至更高。
2.3.3感应同步器
1.种类和用途
利用电磁感应原理，将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。
根据用途，可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量：
线位移和角位移。
2.工作原理
直线线感应同步器由定尺绕组和滑尺绕组（两组，相差900）组成，两者平面平行相对，间距为0.05~0.25mm。
当滑尺的两组绕组用交流电激励时，由于电磁感应，在定尺的绕组中会产生与激励电压同频率的交变感应电动势E。
当滑尺相对定尺移动时，改变了通过定尺绕组的磁通，从而改变了定尺绕组中输出的感应电动势E。
E的变化反映了定、滑尺间的相对位移，实现了位移至电量的变换。
旋转式感应同步器的转子、定子绕组可看成由直线式感应同步器的滑尺、定尺绕组围成辐射状而形成，因此可测角位移。
根据对滑尺的正、余弦绕组供给励磁电压方式的不同，又分为鉴相和鉴幅型测试系统。
鉴相：
定尺输出电压的相位
与相对移动位移x成比例；
鉴幅：
定尺输出电压的幅值A相对移动位移x成比例；
3.特点
①精度较高，对环境要求低，可测大位移；
②工作可靠，抗干扰能力强，维护简单，寿命长；
③对局部误差有平均化作用。
2.3.4激光式位移传感器（考纲没有要求）
1.结构
由激光器、光学元件、光电转换元件组成激光测试系统，将被测位移量转化成电信号。
2.特点
精度高，测量范围大、测试时间短、非接触、易数字化、效率高。
3.激光干涉测长技术用途
①精密长度测量（磁尺、感应同步器、光栅检定）；
②精密机床位移检测与校正；
③集成电路制作中的精密定位。
4.常用的激光干涉测长传感器
①单频激光干涉传感器；
②双频激光干涉传感器。
第三章力、扭矩和压力传感器
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