第五章 機(jī)電控制工程中的傳感器選擇

1、第五章 機(jī)電控制工程中的傳感器選擇本章要點(diǎn)和要求1、 知道傳感器的選擇的原則2、 按所測(cè)物理量總結(jié)傳感器的特點(diǎn)3、 掌握傳感器的使用 第一節(jié) 傳感器的定義與組成一、傳感器的定義傳感器是一種以一定的精確度將被測(cè)量(如位移、力、加速度等)轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測(cè)量的某種物理量(如電量)的測(cè)量部件或裝置。二、傳感器的組成    傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、電子線路等組成。    1、 敏感元件：直接感受被測(cè)量、并以確定關(guān)系輸出  物理量。如彈性敏元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。   

2、 2、 轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量(如位移、應(yīng)變、光強(qiáng)等)轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)(如電阻、電感、電容等)等。    3 、基本轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量，如電壓、電流、頻率等。 第二節(jié) 傳感器的特性和選用原則一、傳感器的特性傳感器比較常用的性能指標(biāo)有以下幾種1、輸入量的特性a、量程或測(cè)量范圍：傳感器預(yù)期要測(cè)量的被測(cè)量值，一般用傳感器允許測(cè)量的上下極限值來表示，其中上限值也稱為滿量程FS。b、過載能力：傳感器允許承受的最大輸入量(被測(cè)量)2、響應(yīng)特性（1）靜態(tài)響應(yīng)特性a、精度：表示測(cè)量結(jié)果與被測(cè)的“真值”的接近程度。一般用“極限誤差”或極限誤差與滿

3、量程的比值按百分?jǐn)?shù)給出。b、重復(fù)性反映傳感器在工作條件不變的情況下，重復(fù)地輸入某一相同的輸入值，其輸出值的一致性，其意義與精度類似。c、線性度也稱非線性，表示傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系曲線與選定的工作曲線的靠近程度，采用工作直線與實(shí)際工作曲線之間的最大偏差值與滿量程輸出之比來表示。d、靈敏度傳感器輸入增量與輸出增量之比。e、穩(wěn)定性(溫度漂移，時(shí)間零漂)時(shí)間零漂：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在溫度不變的條件下，零輸出的變化。溫度漂移：當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，其輸出特性的變化，通常用零點(diǎn)輸出變化值表示，也可以用它與滿量程的比值來表示。（2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性在被測(cè)量的物理量隨時(shí)間變化的情況下，傳感器的輸出能否很好地追隨輸

4、入量的變化是一個(gè)很重要的問題。有的傳感器盡管其靜態(tài)持性非常好，但由于不能很好追隨輸入量的快速變化而導(dǎo)致嚴(yán)重誤差，這種動(dòng)態(tài)誤差若不注意加以控制，可以高達(dá)百分之幾十其至百分之百。這就要求我們要認(rèn)真注意傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)持性。  頻率響應(yīng)特性、幅顛特性、相頻特性、階躍響應(yīng)特件、時(shí)間常數(shù)、上升時(shí)間、過沖量(超調(diào)量)、固有頻率、阻尼比(對(duì)數(shù)減縮)二、傳感器的選擇原則1、分析受控對(duì)象被測(cè)物理量：確定受控對(duì)象的被測(cè)物理量（位移、速度、壓力、溫度、位置）以便選用傳感器的類型。2、分析受控對(duì)象的使用環(huán)境：分析受控對(duì)象的使用環(huán)境以便選擇某類傳感器中的不同類型的傳感器以適應(yīng)環(huán)境需要。3、分析傳感器的特性及參

5、數(shù)：將傳感器的特性與受控對(duì)象被測(cè)物理量的性質(zhì)、受控對(duì)象的使用環(huán)境以及受控對(duì)象的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行綜合匹配。4、選擇傳感器的生產(chǎn)廠家：選擇傳感器生產(chǎn)廠家的售前和售后服務(wù)。第三節(jié) 傳感器的分類（按被測(cè)物理量分類）一、位移傳感器1、 電位器電位器分為直線型和旋轉(zhuǎn)型。a、 直線型電位器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)：分辨率不高，易磨損。b、旋轉(zhuǎn)型電位器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，動(dòng)態(tài)范圍寬，輸出信號(hào)大（一般不用放大），抗干擾能力強(qiáng)，精度較高。缺點(diǎn)：測(cè)量精度較低，轉(zhuǎn)速較高時(shí)轉(zhuǎn)軸與襯套會(huì)出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。 主要生產(chǎn)廠家：2、 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器分為直線式和圓盤式。特點(diǎn)：精度高，測(cè)量長(zhǎng)度不受限制，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)較高，

6、維護(hù)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。3、 光柵4、 光電編碼器分為絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器。a、 絕對(duì)式編碼器特點(diǎn)：使用壽命長(zhǎng)，可靠性高，其精度和分辨率取決于光碼盤的精度和分辨率。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，光源壽命較短。b、 增量式編碼器特點(diǎn)：壽命長(zhǎng)，功耗低，耐振動(dòng)。5、 超聲波傳感器6、 電渦流傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率響應(yīng)寬，靈敏度高，測(cè)量線性范圍大，抗干擾能力強(qiáng)，體積小。7、 光纖傳感器特點(diǎn)：靈敏度高，精度高，體積小，耐高溫，抗腐蝕。類 型工作特點(diǎn)電阻值滑線式，線位移（分壓式）角位移分辨率較高，可用于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測(cè)量，接觸元件易磨損變阻式，線位移角位移結(jié)構(gòu)牢固

7、，壽命長(zhǎng)，但分辨力較差，電噪聲大應(yīng)變式非粘貼式粘貼式半導(dǎo)體式不牢固牢固，使用方便，要做溫度補(bǔ)償輸出幅值大，溫度靈敏度高電感式自感式 變氣隙式螺管式差動(dòng)變壓器式適用于微小體溫表移測(cè)量使用簡(jiǎn)便可靠，動(dòng)態(tài)性能較差分辨率好，需屏蔽消除雜磁場(chǎng)干擾電渦流式分辨率好，被測(cè)手體必須是導(dǎo)體同步電機(jī)微動(dòng)同步器旋轉(zhuǎn)變壓器能在1200r/min轉(zhuǎn)速下工作，工作可靠，對(duì)測(cè)試和溫度不敏感非線性誤差與變壓比和測(cè)量范圍有關(guān)電容式變面積型變極距型介電常數(shù)受環(huán)境溫度，溫度影響較大分辨率很好，測(cè)量范圍很小，在較小的極距內(nèi)保持線性霍爾元件式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)脈性能好感應(yīng)同步器直線式旋轉(zhuǎn)式模擬和數(shù)字混合測(cè)量系統(tǒng)，數(shù)字顯示（直線感應(yīng)同步器的分

8、辨率可達(dá)1m）計(jì)量光柵長(zhǎng)光柵圓光柵同上（長(zhǎng)光柵分辨率0.11m）激光干涉儀測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便，能精確測(cè)得位移值及其方向磁柵長(zhǎng)磁柵圓磁柵測(cè)量工作速度可達(dá)12m/min編碼器接觸式光電式分辨率好，可靠性高光纖式纖維光學(xué)位移傳感器分辨率高，約0.25m，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)二、速度傳感器1、 測(cè)速發(fā)電機(jī)分為直流和交流兩種。特點(diǎn)：線性度好，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,低速精確度高,輸出斜率大,可靠性好,壽命長(zhǎng)。2、 光纖多普勒速度計(jì)3、 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器特點(diǎn)：體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無觸點(diǎn),啟動(dòng)力矩小等特點(diǎn),使用壽命長(zhǎng),可靠性高,頻率特4、 電容式轉(zhuǎn)速傳感器5、 光電式轉(zhuǎn)速傳感器 特點(diǎn)：精度高、體積小、重量輕。

9、6、 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 特點(diǎn)：測(cè)速范圍寬（0600,000），抗磁場(chǎng)干擾，安裝方便，具有自保護(hù)功能（指接線錯(cuò)誤），結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,防潮,防塵,耐腐蝕。7、 空間濾波器三、加速度傳感器1、 電壓式加速度傳感器2、 傾斜鏡式光纖加速計(jì)特點(diǎn)：構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)精亮、靈敏度高，測(cè)量范圍大、抗干擾強(qiáng)。四、力和力矩傳感器1、電阻應(yīng)變式傳感器 特點(diǎn)：精度較高、體積小、重量輕、測(cè)量范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)、固有頻率高可測(cè)量變化快的壓力。 缺點(diǎn)：受溫度影響較大。3、 固態(tài)壓阻式傳感器 特點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。 缺點(diǎn)：受溫度影響較大。4、 變面積式電容傳感器5、 變間隙式電容傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、靈敏度高、

10、精度高、過載能力大、測(cè)量范圍較大。6、 壓電式傳感器特點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、頻率響應(yīng)高、測(cè)量范圍交大、精度高。缺點(diǎn)：輸出阻抗高、需要特殊的信號(hào)傳輸導(dǎo)線、溫度效應(yīng)較大。7、 彈性式壓力計(jì)特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、指示明顯、價(jià)格便宜、精度較高、測(cè)量范圍寬、維護(hù)方便。 8、頻振式壓力計(jì) 9、集成式壓力傳感器五、視覺傳感器 1、CCD傳感器 特點(diǎn)：尺寸小、工作電壓低、壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固耐沖擊、信息處理容易。 2、人工視覺系統(tǒng)六、物位傳感器 1、浮子式液位儀計(jì) 2、浮筒式液位計(jì) 3、電容式物位檢測(cè)儀 4、電阻式液位計(jì) 5、超聲波物位計(jì) 6、核輻射式物位計(jì)8、 物位開關(guān)檢測(cè)液位方式檢測(cè)液位種類基本工作

11、原理適用范圍接觸式液體傳感器差壓式差壓式傳感器是利用液體的壓強(qiáng)原理，在液體底部檢測(cè)液底壓強(qiáng)和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓差，用固態(tài)壓阻傳感器作為檢測(cè)差壓的核心部件適用于液體密度均勻、底部固定條件下的液位檢測(cè)浮體式浮體式傳感器主要分為浮筒式與浮子式。一般情況下，浮體與某個(gè)測(cè)量機(jī)構(gòu)相連，如重鍾或內(nèi)置若干個(gè)干簧繼電器的不銹鋼管，浮體的運(yùn)動(dòng)被重鍾或?qū)?yīng)位置上的干簧繼電器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的液位適用于清潔液體的連續(xù)式檢測(cè)與位開關(guān)式的液位檢測(cè)電容式電容液位式傳感器是利用液位的變化會(huì)引起其導(dǎo)電率的變化，從而轉(zhuǎn)換成電容值發(fā)生變化的檢測(cè)裝置適用于腐蝕性液體、沉淀性液體和其他化工工藝液體液位檢測(cè)直流電極式其檢測(cè)原理是利用液體的導(dǎo)電特性

12、，將導(dǎo)電液體的液面升高轉(zhuǎn)換為電路的開關(guān)閉合，該開關(guān)信號(hào)直接或經(jīng)由一個(gè)簡(jiǎn)單電路傳給后續(xù)處理電路適用于導(dǎo)電液體的液位測(cè)量光纖液位式光導(dǎo)纖維式傳感器根據(jù)光導(dǎo)纖維中光在不同介質(zhì)中傳輸特性的改變對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)可適用于任何液體液位高度的檢測(cè)與控制，特別適用于易燃、易爆、腐蝕性液體的檢測(cè)非接觸式液體傳感器超聲波超聲波傳感器先向液位面發(fā)射聲波，計(jì)量聲波從發(fā)射后到達(dá)液面再反射回來所需時(shí)間，利用該時(shí)間與液位高度成比例的原理進(jìn)行檢測(cè)。超專用波傳感器必須用于能充分反射聲波且傳播專用波的介質(zhì)適用于多種液體液位的檢測(cè)核輻射核輻射檢測(cè)是利用放射性同位素來進(jìn)行測(cè)量的，根據(jù)被測(cè)物質(zhì)對(duì)射線的吸收、反射或射線對(duì)被測(cè)物質(zhì)的電離激發(fā)作

13、用而進(jìn)行檢測(cè)因放射性物質(zhì)對(duì)人類有害，只用在部分特殊場(chǎng)合七、色彩傳感器 1、雙結(jié)型彩色傳感器八、光電傳感器 1、光敏電阻 2、光電二級(jí)管和光電三級(jí)管 3、紅外傳感器九、溫度傳感器 1、金屬熱電阻 特點(diǎn)：溫度性好、互換性好、準(zhǔn)確度高、適宜測(cè)低溫 2、熱敏電阻： 特點(diǎn)：靈敏度高、體積小、適于遠(yuǎn)距離測(cè)量、壽命長(zhǎng)、廉價(jià) 3、熱電偶 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度較高、穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、響應(yīng)時(shí)間短。測(cè)溫范圍寬，可以遠(yuǎn)傳。 4、集成溫度傳感器 5、輻射測(cè)溫儀 6、光纖溫度傳感器 特點(diǎn)：靈敏度高、電絕緣性好、抗電磁干擾和輻射、體積小、重量輕、可彎曲。測(cè)溫方式溫度計(jì)種類測(cè)溫范圍/優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)接觸式測(cè)溫儀表膨脹式玻璃液體-

14、50600結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)量準(zhǔn)確，價(jià)格低廉測(cè)量上限和精度常駐玻璃質(zhì)量限制，不能記錄和遠(yuǎn)傳雙金屬-80600結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，牢固可靠精度低，量程和使用范圍有限壓力式液體-30600抗振、堅(jiān)固、防爆，價(jià)格低廉精度低，測(cè)溫距離短滯后大氣體-20350蒸氣0250熱電偶鉑銠-鉑01600測(cè)溫范圍廣，精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中測(cè)量和自動(dòng)控制需冷端溫度補(bǔ)償，低溫段測(cè)量精度較低鎳鉻-鎳鋁0900鎳鉻-考銅0600熱電阻鉑電阻-200500測(cè)量精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中測(cè)量和自動(dòng)控制不能測(cè)量高溫，需注意環(huán)境溫度的影響銅電阻-50150熱敏電阻-50300非接觸式測(cè)溫儀表輻射式輻射式4002000測(cè)

15、溫時(shí)不破壞被測(cè)溫度場(chǎng)低溫段測(cè)量不準(zhǔn)確，環(huán)境條件會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度光學(xué)式7003200比色式9001700紅外線熱敏探測(cè)-503200測(cè)溫時(shí)不破壞被測(cè)溫度場(chǎng)，響應(yīng)快，測(cè)溫范圍大，適合測(cè)量溫度分布容易受外界干擾，標(biāo)定困難光電探測(cè)03500熱電探測(cè)2002000十、氣敏、濕敏傳感器 1、QMN5半導(dǎo)體氣敏元件 特點(diǎn)：適應(yīng)微量低濃度、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高、不需要復(fù)雜的處理設(shè)備2、 半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件特點(diǎn)：質(zhì)地堅(jiān)硬、在水中不膨脹、不溶解、耐高溫導(dǎo)體陶瓷濕敏元件高、二耐老化和抗污染必半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件低。十一、接近開關(guān)傳感器1、 機(jī)械式接近開關(guān)2、 電感式接近開關(guān)3、 電

16、容式接近開關(guān)4、 霍爾接近開關(guān)5、光電式接近開關(guān)6、熱釋電式接近開關(guān)7、其它型式的接近開關(guān) 常用接近開關(guān)特點(diǎn)簡(jiǎn)介近開關(guān)類型 特點(diǎn)電感式接近開關(guān)被測(cè)物必須是導(dǎo)體電容式接近開關(guān)被測(cè)物不限于導(dǎo)體，可以是絕緣的液體或粉狀物霍爾接近開關(guān)被測(cè)物必須是磁性物光電式接近開關(guān)對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，無粉塵，被測(cè)物對(duì)光的反射能力強(qiáng)熱釋電式接近開關(guān)被測(cè)物體的溫度必須和環(huán)境溫度有差異十二 、流量傳感器檢測(cè)方式檢測(cè)種類檢測(cè)流量基本工作原理適用檢測(cè)流量范圍接觸式流量傳感器電磁式電磁流量式傳感器的原理是在磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻的磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以一定流速流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體就切割磁力線。在管道截面上垂

17、直于磁場(chǎng)的管道兩端安裝一對(duì)電極，則電極上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流體流量成正比適用于具有自由表面的下水排入領(lǐng)域，并提高該領(lǐng)域的測(cè)量精確度熱線式熱敏元件是利用熱平衡原理來測(cè)量流體速度的。熱線用電流進(jìn)行加熱，它的溫度高于周圍介質(zhì)濕度。當(dāng)周圍介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，就會(huì)有熱量的傳遞。在穩(wěn)定狀態(tài)下，電流對(duì)熱線的加熱熱量等于周圍介質(zhì)的散熱量適用于環(huán)境保護(hù)和工業(yè)大中型管道的流量渦輪式當(dāng)被測(cè)流體流經(jīng)渦輪式傳感器時(shí)，傳感器內(nèi)的葉輪借助于液體的動(dòng)能而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，葉輪即周期性地改變磁 電感應(yīng)系統(tǒng)中的磁 電阻，使通過線圈的磁通量周期性地發(fā)生變化而產(chǎn)生電脈沖信號(hào)適用于石油、化工、冶金、科研等領(lǐng)域的液體的流量檢測(cè)非接觸式流量

18、傳感器超聲波式超聲波在流動(dòng)的液體中傳播時(shí)，就載上液體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測(cè)出液體的流速，從而換算成流量適于檢測(cè)不易接觸的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電生、放射性和易燃易爆介質(zhì)的流量第四節(jié) 傳感器選用實(shí)例一、 同一控制對(duì)象選可用不同的傳感器例1 在SFS-II料位儀中，對(duì)卸料管中的熟料（物位）的檢測(cè)，可選用不同傳感器的傳感器選用，如電容式傳感器、壓力式傳感器、r射線傳感器和聲音傳感器。 例2 在印鈔廢水應(yīng)急系統(tǒng)中測(cè)量液位的方法有： 接觸式測(cè)量有：靜壓式、差壓式、浮筒式、電容式等 非接觸式測(cè)量：超聲波、核輻射等二、 對(duì)同一種傳感器可在不同的控制對(duì)象中應(yīng)用在一般工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)所，電感式接近開關(guān)和

19、電容式接近開關(guān)使用較多，因?yàn)檫@兩種接近開關(guān)對(duì)環(huán)境的要求條件較低。當(dāng)被測(cè)對(duì)象是導(dǎo)電物體或是可以固定在一塊金屬物上的物體時(shí)，一般都選用電感式接近開關(guān)，因?yàn)樗捻憫?yīng)頻率高、抗環(huán)境干擾性能好、應(yīng)用范圍廣、價(jià)格較低。當(dāng)被測(cè)對(duì)象是非金屬（或金屬）、液位高度、粉狀物高度、塑料、煙草等，則應(yīng)選用電容式接近開關(guān)。這種開關(guān)雖然響應(yīng)頻率低，但穩(wěn)定性好。另外，在安裝時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響。當(dāng)被測(cè)物為導(dǎo)磁材料，或者為了區(qū)別和它一同運(yùn)動(dòng)的物體而把磁鋼埋在該被測(cè)物體內(nèi)時(shí)，應(yīng)選用霍爾接近開關(guān)，它的價(jià)格較低。在環(huán)境條件比較好、無粉塵污染的場(chǎng)合，可采用光電接近開關(guān)。光電接近開關(guān)工作時(shí)對(duì)被測(cè)對(duì)象幾乎無任何影響。因此，在要求較高的傳真機(jī)上、在煙草機(jī)械上都被廣泛地使用。在防盜系統(tǒng)中，自動(dòng)門通常使用熱釋電接近開關(guān)、超聲波接近開關(guān)、微波接近開關(guān)。有時(shí)為了提高識(shí)別的可靠性，上述幾種接近開關(guān)往往被復(fù)合使用。無論選用哪種接近開關(guān)，都應(yīng)考慮工作電壓、負(fù)載電流、響應(yīng)頻率、檢測(cè)距離等各項(xiàng)具體的性能指標(biāo)?，F(xiàn)以接近開關(guān)為例，分析對(duì)同一種傳感器可在不同物理量