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1、第三章第三章 传感器和转换器传感器和转换器 机电一体传感器和转换器课件机电一体传感器和转换器课件 31 概 述 在许多测量系统中，传感器和转换器都是用来提供系统状态信息的。国际上对“传感器”和“转换器”采用不同的定义,但在有些情况下它们的定义可以互换。本课程采用后续定义：机电一体传感器和转换器课件传感器、转换器定义传感器传感器在测量系统中，对所测(特定)物理参数发生响应的器件。 转换器转换器把能量和信息从系统某一部分传送到系统另一部分的器件。在传送过程的同时，能量形式也可能发生变化。在使用时通常不做严格区分。在使用时通常不做严格区分。 机电一体传感器和转换器课件数据测量时的前处理和后处理除了传
2、感器和转换器外，测量系统还包括一个预处理级和后处理级，如图所示。预处理预处理级是在信号与传感器接触之前提取信号特征，然后对输入信号检测、响应并将输入信号提供给传感器。传感器输出的信号经过后处理级的处理后得到最终输出信号。 机电一体传感器和转换器课件例：用码盘、光敏传感器测量 图所示的转速测量系统可以表示各级之间的关系。图中，从光源发出的光经过带有狭缝的圆盘(称为编码盘)后产生一系列的脉冲，换能器接收这些脉冲并将其转换成电脉冲。后处理级对一定时间间隔内发生的脉冲进行计数，并计算出编码圆盘的旋转速度。机电一体传感器和转换器课件传感器传递信息的物理基础是能量转化。有6种能量形式可用于信息传递。其中，
3、电能在机电一体化系统中最为重要，这是因为电信号易于处理。当然其他能量形式也能转换为电信号。 辐射能辐射能辐射能辐射能包括所有的电磁波谱，包括所有的电磁波谱，主要参数为：频率、相位、强度主要参数为：频率、相位、强度和极化方向等。和极化方向等。机械能机械能机械能机械能主要参数是：距离、速主要参数是：距离、速度、尺寸和力等。度、尺寸和力等。热能热能热能热能有多种温度效应和热效应有多种温度效应和热效应可以利用，主要参数有热容、潜可以利用，主要参数有热容、潜热和相变特性等。热和相变特性等。电能电能电能电能主要参数为：电流、电压、主要参数为：电流、电压、电阻、电容和电感等。电阻、电容和电感等。磁能磁能磁能
4、磁能包括磁场参数，如磁场强包括磁场参数，如磁场强度和磁通密度等。度和磁通密度等。化学能化学能化学能化学能涉及物质内部的结构和涉及物质内部的结构和行为，主要参数为：浓度、晶体行为，主要参数为：浓度、晶体结构和凝聚状态等。结构和凝聚状态等。机电一体传感器和转换器课件无源和有源传感器根据能源利用情况，传感器可分为：在转换中不需要外界附加能量的无源无源(直接式）直接式）感器和在转换中需要外界附加能量的有源有源(间接间接式式)传感器。光电转换装置光电转换装置和热电偶热电偶等直接式传感器就是直接把输入能量转换成电能输出的。应变片应变片和霍尔器件霍尔器件等间接式传感器则需要附加能量以产生电信号。传感器所需的
5、附加能量必须属于上述6种能量形式。 机电一体传感器和转换器课件3.1.1传感器和转换器的分类 1根据功能分 2根据性能分3根据输出信号分机电一体传感器和转换器课件312传感器技术的发展传感器技术发展，主要表现为：半导体硅材料传感器、传感器技术发展，主要表现为：半导体硅材料传感器、采用光纤的光学系统、压电器件、超声器件等等。采用光纤的光学系统、压电器件、超声器件等等。各种器件都和日益增强各种器件都和日益增强的信号处理技术相结合，的信号处理技术相结合，特别是把现场信号处理特别是把现场信号处理电路与敏感元件做在一电路与敏感元件做在一个芯片上，并由这一做个芯片上，并由这一做法提出了法提出了智能化传感器
6、智能化传感器的概念，如右图所示。的概念，如右图所示。机电一体传感器和转换器课件新型转换器1. 固态转换器 2. 光电转换器3. 压电转换器 4. 超声转换器 机电一体传感器和转换器课件32 电阻型传感器 电位器电位器应变片应变片电阻式温度传感器电阻式温度传感器(电阻温度计、半导体热敏元件)机电一体传感器和转换器课件33 电容式传感器电容式传感器按极板的形状来分，可分为平板形和圆柱形两种。当电容器极板的间隙、极板的面积或极板间介质发生变化时，也就是说改变 r、A、L、a、b或d这些参数时，电容器的电容量就会改变。 机电一体传感器和转换器课件电容的变化量可由图所示的电桥测出，满足 机电一体传感器和
7、转换器课件电容器也可以与一个振荡器组合起来作为一个调谐电路，电容值改变将使振荡频率发生改变，其频率改变量由一对谐振电路的输出电压差测出，如图所示，将两谐振电路分别调到稍微不同的谐振频率即可。这时放大器的输出就是关于参考频率fr的近似线性变量。 变频谐振测试仪 机电一体传感器和转换器课件变间隙式电容传感器可用来测量流体压力或压力差。变间隙式电容传感器可用来测量流体压力或压力差。当流体压力使薄膜产生移动时，电容极板的间隙发生当流体压力使薄膜产生移动时，电容极板的间隙发生变化从而引起电容量的改变，其变化量为变化从而引起电容量的改变，其变化量为需要测量压力差，特别是微小的压力差时，常采用差需要测量压力
8、差，特别是微小的压力差时，常采用差动式结构的电容传感器。如图。此结构灵敏度和线性动式结构的电容传感器。如图。此结构灵敏度和线性度都较高。当有压差时，薄膜会向左或右移动，此时度都较高。当有压差时，薄膜会向左或右移动，此时一个电容量在增加而另一个电容量在减少，电容的变一个电容量在增加而另一个电容量在减少，电容的变化量为化量为 机电一体传感器和转换器课件差动式结构电容传感器应用实例一图示是一个汽缸密图示是一个汽缸密封性能测试系统。封性能测试系统。图中图中5 5是密封性能是密封性能极好的标准容器，极好的标准容器，6 6是从生产线上取是从生产线上取出抽检的被测容器，出抽检的被测容器，因为被测容器要求因为
9、被测容器要求的保压值较高，的保压值较高，一一般情况下密封性能般情况下密封性能也较好，也较好，如选用压如选用压力传感器则很难达力传感器则很难达到测量精度要求，到测量精度要求，因此选择压差传感因此选择压差传感器。器。 在加压过程稳定后，关闭截止在加压过程稳定后，关闭截止阀阀2 2和截止阀和截止阀3 3。在一定时间间。在一定时间间隔之后，如果被测容器的密封隔之后，如果被测容器的密封很好，无泄漏，则传感器输出很好，无泄漏，则传感器输出无偏差；如果有泄漏，则根据无偏差；如果有泄漏，则根据测量系统的读数的大小来判断测量系统的读数的大小来判断产品是否合格。产品是否合格。机电一体传感器和转换器课件差动式结构电
10、容传感器应用实例二用变介质式的圆柱形电容器测量液面高度，如图所示。液面高度变化时，会引起极间不同介质0和r的界面发生变化，从而导致电容的变化，且输出电容与液面高度为线性关系，数学表达式为机电一体传感器和转换器课件34 电感式传感器 电感式传感器具有结构电感式传感器具有结构简单简单( (因为没有活动电因为没有活动电触点，所以工作可靠触点，所以工作可靠) )、测量范围宽测量范围宽( (可达几百可达几百毫米毫米) )、灵敏度高、灵敏度高( (微米微米级级) )、重复性好等一系、重复性好等一系列优点，因而应用较为列优点，因而应用较为广泛。广泛。 线性可调差动变压器线性可调差动变压器 可调线性电感传感器
11、可调线性电感传感器感应同步器感应同步器电感式速度传感器电感式速度传感器机电一体传感器和转换器课件35 热电传感器 常用的热电传感器有热电阻与热电偶。当导体所处的环境温度发生变化时，导体的电阻值也会随着温度的变化而变化，热电阻传感器就是根据这一特性来测量温度的。在工业应用中，热电阻传感器常被用来测量在-200500范围的温度。 机电一体传感器和转换器课件 热电偶 图示为热电偶。当两种不同金属导线图示为热电偶。当两种不同金属导线A A与与B B的接触点的接触点处被加热处被加热( (或冷却或冷却) )时，在不接触的两端就会产生电时，在不接触的两端就会产生电动势，此电动势是接触端与非接触端温差动势，此
12、电动势是接触端与非接触端温差T(T=T1-T(T=T1-T0)T0)的函数，且与所用的金属有关。这就是温差电势的函数，且与所用的金属有关。这就是温差电势效应，所产生的电动势为效应，所产生的电动势为对于某些金属构成的热电偶来说，上式中高阶系数对于某些金属构成的热电偶来说，上式中高阶系数很小，因此可得到近似式子很小，因此可得到近似式子如果构成热电偶两个电极的材料相同，那么尽管有如果构成热电偶两个电极的材料相同，那么尽管有温差存在，温差电势为零；如果热电偶两端的温度温差存在，温差电势为零；如果热电偶两端的温度相同，那么尽管相同，那么尽管A A、B B材料不同，温差电势也为零。材料不同，温差电势也为零
13、。 机电一体传感器和转换器课件热电偶的特性通常是相对于一个参考温度热电偶的特性通常是相对于一个参考温度0 0来确定来确定的，在许多应用中，参考触点的温度的，在许多应用中，参考触点的温度T T，被置于被，被置于被控环境中，使其温度保持在一非控环境中，使其温度保持在一非0 0 值上，这就可值上，这就可以利用下式进行修正以利用下式进行修正 e(T e(Tmm，T T0 0)= e(T)= e(Tmm，T Tr r)+ e(T)+ e(Tr r，T T0 0) ) 式中：式中：T Tmm是待测点温度，是待测点温度，T Tr r是参考点温度，是参考点温度，T T0 0=0=0；而；而e e(T(Tmm，
14、T T0 0) )、e(Te(Tmm，T Tr r) )和和e(Te(Tr r，T T0 0) )分别是各温差引起的电分别是各温差引起的电动势。动势。e(Te(Tmm，T Tr r) )是当热电偶工作在是当热电偶工作在T Tmm和和T Tr r，时的实测值，时的实测值，参考点参考点T Tr r，到标准温度，到标准温度0 0 的的e(Te(Tr r,T,T0 0) )可以通过查表得到，可以通过查表得到，求得求得e(Te(Tmm，T T0 0) )后再查表可得到实际温度。后再查表可得到实际温度。热电偶比较简单，可以直接使用，但其灵敏性较差，热电偶比较简单，可以直接使用，但其灵敏性较差，输出信号小，
15、且易受噪声干扰，同时，它的机械负输出信号小，且易受噪声干扰，同时，它的机械负载特性差载特性差( (尤其是当一个热触点拉紧时尤其是当一个热触点拉紧时) )。机电一体传感器和转换器课件36 光电传感器 光转换器在测量中得到了广泛的应用。如图所示的电光转换器在测量中得到了广泛的应用。如图所示的电磁波谱中，从红外到紫外的波谱范围内，都能用光转磁波谱中，从红外到紫外的波谱范围内，都能用光转换器进行测量，在大多数情况下其测量是非接触式的，换器进行测量，在大多数情况下其测量是非接触式的，并且能在恶劣的环境并且能在恶劣的环境( (诸如超高温、电磁干扰严重的诸如超高温、电磁干扰严重的场合场合) )中工作。中工作
16、。光测量系统主要组成部分有光源、将能量转换为光的光测量系统主要组成部分有光源、将能量转换为光的转换系统、能够对光能的特性进行修正的转换器和监转换系统、能够对光能的特性进行修正的转换器和监测转换器变化的检测器。测转换器变化的检测器。 机电一体传感器和转换器课件3.6.1 光电探测器光电探测器的理论基础是光电效应，光电效应可分为光电探测器的理论基础是光电效应，光电效应可分为三种不同的类型：三种不同的类型：1)1)内光电效应：在光照射下，物体电阻内光电效应：在光照射下，物体电阻( (或电导或电导) )发生发生变化的现象被称为电导效应或内光电效应，相应元件变化的现象被称为电导效应或内光电效应，相应元件
17、有光敏电阻有光敏电阻. .2)2)外光电效应：在光照射下，电子逸出物质表面的现外光电效应：在光照射下，电子逸出物质表面的现象被称为光电发射效应或外光电效应，此类器件有光象被称为光电发射效应或外光电效应，此类器件有光电管、光电倍增管等；电管、光电倍增管等；3)3)光伏效应：在光照射下，半导体光伏效应：在光照射下，半导体PNPN结产生电动势结产生电动势或光电流增加的现象被称为光伏效应，光电池、光敏或光电流增加的现象被称为光伏效应，光电池、光敏二极管和光敏三极管都属于光伏效应的器件。二极管和光敏三极管都属于光伏效应的器件。 热敏光电探测器热敏光电探测器热敏光电探测器热敏光电探测器 量子光电探测器量子
18、光电探测器量子光电探测器量子光电探测器 光电效应探测器光电效应探测器光电效应探测器光电效应探测器 检测器阵列检测器阵列检测器阵列检测器阵列 机电一体传感器和转换器课件3.6.2 光电编码器 光电编码器在机床和机器人制造中得到了广泛光电编码器在机床和机器人制造中得到了广泛应用。在直线或旋转运动中，光电编码器常用来测应用。在直线或旋转运动中，光电编码器常用来测量位置或增量。它是光传感器中使用最早，形式最量位置或增量。它是光传感器中使用最早，形式最简单的一种。简单的一种。 1 1增量式编码器增量式编码器 2 2位置式编码器位置式编码器 机电一体传感器和转换器课件3.7 固体传感器 固体传感器技术的发
19、展使得制造多种固体传感器可固体传感器技术的发展使得制造多种固体传感器可能实现。由于硅对许多物理现象都具有敏感性，因能实现。由于硅对许多物理现象都具有敏感性，因此可做成多种传感器。同样，能够方便地用它做成此可做成多种传感器。同样，能够方便地用它做成各种各样的集成电路。而且硅的机械特性使得它能各种各样的集成电路。而且硅的机械特性使得它能够在一个薄片上做成复杂的立体结构。够在一个薄片上做成复杂的立体结构。硅的敏感性是优点同时也是一个缺点，由于硅对不硅的敏感性是优点同时也是一个缺点，由于硅对不需要测量的物理量也很敏感，因而会在其输出信号需要测量的物理量也很敏感，因而会在其输出信号中混有不需要的信号成分
20、，且很难分离出来。无论中混有不需要的信号成分，且很难分离出来。无论采用模拟技术还是数字技术做信号分析和处理，都采用模拟技术还是数字技术做信号分析和处理，都要结合传感器的设计考虑适当的补偿。要结合传感器的设计考虑适当的补偿。机电一体传感器和转换器课件3.7.1 磁场的测量1霍尔器件2磁敏电阻3磁敏二极管4磁敏三极管机电一体传感器和转换器课件3.7.2 温度的测量1热敏电阻 2热敏二极管 3热敏三极管4温差电势效应5固体高温计 机电一体传感器和转换器课件38 压电传感器和超声换能器 机电一体传感器和转换器课件3.8.1 压电器件某些材料的晶体和某些聚合物在受到外力的作用而变形时，会在一些特定的晶面
21、之间产生电荷，这种现象称为压电效应。这类材料有石英、酒石酸钾钠、锆钛酸铅陶瓷、铌酸钾钠，聚乙二烯等等。反之，如果加上电压，这类晶体也会发生机械运动，即压电效应是可逆的，因此这个现象被称为逆效应。它是许多敏感器件和换能器的基本原理，其应用非常广泛。 机电一体传感器和转换器课件加速度的测量 压电材料很适于做成静力学测量中的多种力变换器。压电材料很适于做成静力学测量中的多种力变换器。也可以做成各种有源微型加速度计。加速度计的两也可以做成各种有源微型加速度计。加速度计的两种典型构造如图所示。种典型构造如图所示。加速度使振动块对压电材料施加一个作用力，压电加速度使振动块对压电材料施加一个作用力，压电材料
22、产生出电荷。这些电荷再由电荷放大器检测出材料产生出电荷。这些电荷再由电荷放大器检测出来。电荷放大器的原理如图来。电荷放大器的原理如图机电一体传感器和转换器课件电荷放大器电荷放大器的突出特点是：输出电压正比于振子的电荷放大器的突出特点是：输出电压正比于振子的加速度，而与传输电缆的长度无关，假定放大器是加速度，而与传输电缆的长度无关，假定放大器是理想的，则有理想的，则有 S Sq q- -加速度计的电荷灵敏度；加速度计的电荷灵敏度； a a加速度；加速度； C Cf f反馈电容。反馈电容。 对于实际的电荷放大器，对于实际的电荷放大器， 还要引入反馈电阻还要引入反馈电阻R Rf f以防以防C Cf
23、f上积累电荷，见图。上积累电荷，见图。机电一体传感器和转换器课件为了提高测量精度，加速度计本身的质量要尽可能为了提高测量精度，加速度计本身的质量要尽可能小，不致给被测物体附加过大的负荷。加速度计对小，不致给被测物体附加过大的负荷。加速度计对被测物的影响近似表示为下列公式被测物的影响近似表示为下列公式a a1 1、a a2 2分别为不安装加速度计和安装加速度计时的加速度分别为不安装加速度计和安装加速度计时的加速度 f f1 1、f f2 2分别为不安装加速度计和安装加速度计时的谐振频率分别为不安装加速度计和安装加速度计时的谐振频率 M Ms s被测物的质量；被测物的质量； m ma a加速度计的
24、质量。加速度计的质量。 通常加速度计的质量不应大于被测物质量的通常加速度计的质量不应大于被测物质量的1/101/10。机电一体传感器和转换器课件湿度的测量 如果用易吸湿的材料包覆在压电晶体振荡器上，振荡器的固有频率就会随吸湿材料所吸附的水分而变化。按下图中的办法，把两只固有频率相等的晶体接至运算放大器的两个输入端，其中一只晶体覆以吸湿材料，另一只置于稳定的环境中，这两只晶体振荡器差频就能反映湿度。 机电一体传感器和转换器课件压电伺服机构 压电陶瓷正越来越多地用作执行机构。它能作出微米级的直线位移，精度达10nm，在电子扫描显微镜、机械切削和光学系统中这类执行机构的使用日益增多；谐振压电器件已相
25、当广泛地用于制造电子设备的微型风扇，驱动自动调焦照相机镜头的压电电机也已开发出来。 机电一体传感器和转换器课件3.8.2 超声系统1超声波源 (1)(1)压电超声源压电超声源 (2)(2)磁致伸缩超声波源磁致伸缩超声波源 (3)(3)机械超声波源机械超声波源 (4)(4)电磁和静电超声源电磁和静电超声源 2超声波的耦合3超声波接收器4超声法测流量机电一体传感器和转换器课件3.8.3 超声法测距离超声测距仪测的是发射脉冲和反射脉冲之间的时间间隔。设媒质的声速为Vs，时间间隔为t，发射处到目标的距离为 反射时为由于声波在各种材料中的传递速度不同，而且随温度变化，所以必须引入适当的补偿以使误差降到最
26、小。用这个原理制成的超声测距仪已用于障碍物探测、液位测量和机器人的定位及控制。机电一体传感器和转换器课件3.9 传感器的线性化 为了保证传感器在整个测量范围内有相同的灵敏度，也为了便于在界面上显示，往往希望传感器输入量与输出量之间有线性关系。但是，许多传感器的输人输出特性不是线性的。除了要在传感器制造工艺上采取一定措施之外，在测量系统中也采用一些技术使传感器输入输出特性尽量接近线性。可采用的技术有模拟和数字两大类。 机电一体传感器和转换器课件3.9.1模拟线性化技术1.开环式校正法 如图所示，在预放之后增加一个校正级，校正级的输入输出特性u=g(u2)应该与传感器输入输出特性u1=f(x)的反
27、函数有关。求解校正的特性可以用解析法，也可以用图解法。机电一体传感器和转换器课件2闭环式反馈校正法 如图所示，反馈校正环节的输入输出特性可以用解析法求出，也可以用图解法求得。无论是开环式校正还是闭环反馈式校正，校正电路的输入输出特性都是非线性的。人为实现这些非线性输入输出特性要用模拟电子线路，这是非线性校正的关键。 机电一体传感器和转换器课件3.9.2数字线性化如果要在A/D转换之后再作非线性校正，可以采用数字化技术。具备现场处理能力和智能化传感器也可以兼备非线性校正的功能。用数字技术实现数据线性化，有以下几种方法。 1 1计算法计算法 2 2查表法查表法 3 3插值法插值法各种数字线性化技术
28、可以用软件实现，也可以做成专用芯片，用硬件实现。机电一体传感器和转换器课件习 题 1 1一大型风力发电机，为了保持风力机在最佳状态下工作，需要测量一大型风力发电机，为了保持风力机在最佳状态下工作，需要测量当前的风速和风向，并进行相应的控制。试设计一个风速风向传感器。当前的风速和风向，并进行相应的控制。试设计一个风速风向传感器。 2 2在某一化工生产的炼油装置中，有一个行程为在某一化工生产的炼油装置中，有一个行程为600mm600mm长的液压缸，长的液压缸，这个液压缸的位置需要根据化工生产过程中的温度、压力等变量不断地这个液压缸的位置需要根据化工生产过程中的温度、压力等变量不断地被调整。考虑化工
29、生产的现场环境，试为该液压缸选用一个合适的传感被调整。考虑化工生产的现场环境，试为该液压缸选用一个合适的传感器，并说明理由。器，并说明理由。 3 3在有较大粉尘和油污，且对安装无特殊要求的现场环境中，如果要在有较大粉尘和油污，且对安装无特殊要求的现场环境中，如果要测量某一旋转机械的转速，应选择哪种传感器测量某一旋转机械的转速，应选择哪种传感器? ? 4 4，为了节省能源，需要根据自然光的亮度来开、关路灯，即只有在夜，为了节省能源，需要根据自然光的亮度来开、关路灯，即只有在夜间或天气很暗的时候才打开路灯，应该用何种器件来控制路灯的开、关间或天气很暗的时候才打开路灯，应该用何种器件来控制路灯的开、
30、关? ? 5 5某炼油场有一个存储产品油的油罐区，每个油罐的直径为某炼油场有一个存储产品油的油罐区，每个油罐的直径为20m20m、高、高为为25m25m，罐内产品油的比重为，罐内产品油的比重为0.80.8，为了对罐内的油进行计量，并使计量，为了对罐内的油进行计量，并使计量误差不大于误差不大于300kg300kg，试选用一种合适的传感器。，试选用一种合适的传感器。 6 6人体形态体能自动测试系统主要用于身高、体重和肺活量的自动测人体形态体能自动测试系统主要用于身高、体重和肺活量的自动测量和数据文档处理，该系统的测量范围和测量精度要求为量和数据文档处理，该系统的测量范围和测量精度要求为身高：身高： 测量范围测量范围140014002200mm2200mm测量精度测量精度0.5mm0.5mm体重：体重： 测量范围测量范围0 0100kg 100kg 测量精度测量精度0.1kg0.1kg肺活量：肺活量： 测量范围测量范围0 09000ml 9000ml 测量精度测量精度100ml100ml选用适当的测量方法和传感器。选用适当的测量方法和传感器。机电一体传感器和转换器课件
