傳感器與檢測系統(tǒng)選擇與設計

傳感器與檢測系統(tǒng)選擇與設計第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)傳感器與檢測系統(tǒng)概述一、傳感器的定義與概述1、傳感器的涵義

傳感器（TransducerorSensor），有時亦稱為換能器、變換器、變送器或探測器，是指能夠把規(guī)定的被測量（物理量、化學量、生物量等）按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號（常為電量，如電壓、電源、頻率、脈沖等）的器件或裝置。其主要特征是能夠感知和檢測某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日2、傳感器的應用

在自動檢測與自動控制系統(tǒng)中，傳感器是感受外界信息的關(guān)鍵部件，相當于人的感覺器官，因而有極其重要的作用，對整個系統(tǒng)的性能有決定性的影響。任何自動化系統(tǒng)都離不開和外界的信息交換，沒有傳感器，這些系統(tǒng)將無法實現(xiàn)任何功能。系統(tǒng)自動化的程度越高，對傳感器的要求就越高。各發(fā)達國家都將傳感器列為優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)而倍加重視。傳感器技術(shù)、傳輸技術(shù)（通訊）和處理技術(shù)（計算機）并稱為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎。傳感器技術(shù)已廣泛應用于工業(yè)自動化、航空航天、軍事工程、機器人、資源探測、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療診斷、家用電器等各個學科領域。第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日

檢測系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品中的重要組成部分，它包括傳感器及其（信號）檢測電路。用于實現(xiàn)計測功能。二、檢測系統(tǒng)的功用、組成及基本要求傳感器

傳輸、存儲運算、放大……信號處理控制裝置顯示記錄被測物理量（非電量）一次儀表二次儀表電信號圖檢測系統(tǒng)的組成

（一）檢測系統(tǒng)的功用及組成1、何謂檢測系統(tǒng)2、檢測系統(tǒng)的組成第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日（二）基本要求

1、精度、靈敏度和分辨率高，能滿足機電系統(tǒng)對檢測精度和速度要求；

2、線性、穩(wěn)定性和重復性好，工作可靠；

3、靜、動態(tài)性能好，測量范圍大；

4、抗干擾能力強；

5、其它（體積小、重量輕、價格便宜、便于維護和安裝，對環(huán)境適應能力強等）。第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日三、傳感器的分類與選用（一）分類1、若按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日2、按傳感器的用途基本被測物理量派生物理量位移線位移長度、位置、厚度、振幅、應變、磨損等角位移角度、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角等速度線速度移動、振動、動量、流量等角速度轉(zhuǎn)動、角動量、角振動等加速度線加速度沖擊、振動、質(zhì)量、力、應力等角加速度角沖擊、角振動、轉(zhuǎn)動慣量、力矩、轉(zhuǎn)矩等力、壓力重力、密度、推力、力矩、轉(zhuǎn)矩、聲壓、應力等溫度熱量、比熱容等濕度水分、露點等表基本被測物理量及其對應的派生物理量第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日（二）選用選用傳感器需從以下幾個方面考慮（并注意表4.21和4.22）。

1、檢測要求和條件；

2、傳感器性能；

3、使用條件。注：①用戶需根據(jù)使用要求按其主要性能參數(shù)，如測量范圍、精度、分辨力、靈敏度等選用即可（對傳感器的性能指標，應確保主要性能指標，而放寬次要指標，使其更適用）。②所選用的傳感器多數(shù)已由生產(chǎn)廠家配好轉(zhuǎn)換放大控制電路而不需要用戶設計，除非選不到合適的才自己選用傳感器的靈敏元件并設計與此相匹配的轉(zhuǎn)換測量電路。第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日（一）光－電轉(zhuǎn)換

入射光照射到PN結(jié)上時，使PN結(jié)的正向壓降發(fā)生變化，利用這個特性制作光敏二極管和光敏三級管，使光轉(zhuǎn)換為電壓變量。同樣，當光照射到半導體材料上時，使電阻發(fā)生變化，它將光轉(zhuǎn)換為半導體材料的電阻（或電導）變量。四、傳感器的轉(zhuǎn)換原理第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日（二）熱－電轉(zhuǎn)換

將半導體材料或?qū)w加熱或冷卻，使它的電阻發(fā)生變化，應用這個效應制作熱敏電阻。它將熱轉(zhuǎn)換為電阻變量。第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日（三）力－電壓轉(zhuǎn)換

外力作用在電阻應變片上，組成電橋的四個電阻的阻值發(fā)生變化，R1、R2電阻增大，而R3、R4阻值減小，使電橋失去平衡，有信號輸出；輸出電壓與壓力呈線性關(guān)系。應用力－電轉(zhuǎn)換原理制作力傳感器，其線路圖如圖所示。第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日（四）力－電荷轉(zhuǎn)換

外力作用在壓電晶體（鈮酸鋰、石英晶體等）上時，使其表面產(chǎn)生電荷或電壓變化。根據(jù)這個原理制作壓電傳感器，它將應力轉(zhuǎn)換成電荷Q或電壓U變量，如圖所示。第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日（五）磁－電轉(zhuǎn)換

線圈內(nèi)磁芯作上下移動，磁路中磁阻發(fā)生變化，利用這個效應制作磁阻傳感器。它將磁轉(zhuǎn)換為交流電壓的變化，如圖所示。

電容傳感器是由介質(zhì)及被介質(zhì)分開的兩個電極組成的，變化電極間的距離或者改變兩級間的介質(zhì)都可引起電容量的變化。電容傳感器將所測變量轉(zhuǎn)換為電容變量，如圖所示。第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日（六）氣體－電阻轉(zhuǎn)換氧化物半導體材料，如SnO2、ZnO、Fe2O3等，當其接觸氣體時，使其表面（或體內(nèi)）電阻變化，如圖所示。利用這種特性制造各種氣體傳感器，用來檢測一些氣體，它廣泛用于礦井、工業(yè)、環(huán)保等領域。它將氣體轉(zhuǎn)換為電信號輸出，實現(xiàn)了氣－電轉(zhuǎn)換。第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日（七）濕度－電阻轉(zhuǎn)換半導體陶瓷（MgCr2O4－TiO2）材料或多孔性絕緣薄膜Al3O3（SiO2）制作在襯底材料，如圖所示，當它接觸濕度環(huán)境時，吸附水汽，使其電阻發(fā)生變化；利用這種特性制作濕度傳感器。它將濕度轉(zhuǎn)化為電信號輸出，實現(xiàn)了濕度－電阻轉(zhuǎn)換。第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日五、傳感器技術(shù)的發(fā)展方向隨著信息和自動化技術(shù)的發(fā)展，傳感器的發(fā)展方向主要有：（1）新原理（2）新工藝（3）新材料（4）智能化第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)傳感器的檢測電路及其與微機接口敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路電量被測量圖傳感檢測系統(tǒng)構(gòu)成一、傳感器的檢測電路（一）傳感檢測系統(tǒng)構(gòu)成第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日1、模擬型測量電路2、數(shù)字型測量電路3、開關(guān)型測量電路4、轉(zhuǎn)換電路

(1)電橋

(2)放大電路

(3)調(diào)制與解調(diào)電路

(4)模/數(shù)(A/D)與數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換電路（二）常見的檢測電路第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、傳感器的微機接口接口方式基本方法模擬量接口方式傳感器輸出信號→放大→采樣/保持→模擬多路開關(guān)→A/D轉(zhuǎn)換→I/0接口→微機開關(guān)量接口方式開關(guān)型傳感器輸出二值式信號(邏輯1或O)→三態(tài)緩沖器→微機數(shù)字量接口方式數(shù)字型傳感器輸出數(shù)字量(二進制代碼、BCD碼、脈沖序列等)→計數(shù)器→三態(tài)緩沖器→微機（一）傳感器與微機的三種基本接口第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日（二）模擬量輸入方式與基本元件（1）單通道直接型

最簡單的形式。只用一個A/D轉(zhuǎn)換器及緩沖器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并輸入微機。受轉(zhuǎn)換電壓幅度與速度的限制，應用范圍窄。1、四種輸入方式（根據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換、輸入的精度、速度和通道等因素確定）第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日（2）多通道一般型

依次對每個模擬通道進行采樣保持和轉(zhuǎn)換，節(jié)省元、部件。速度低，不能獲得同一瞬時的各通道的模擬信號第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日（3）多通道同步型各采樣/保持同時動作，可測得在同一瞬時各傳感器輸出的模擬信號第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日（4）多通道并行輸入型

各通道直接進行轉(zhuǎn)換,送入微機或信號通道。靈活性大，抗干擾能力強。根據(jù)傳感器輸出信號的特點可采用采樣/保持或不同精度的ADC第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日2、基本組成元件圖傳感器與微機的連接

（1）輸入放大器（2）抗頻混濾波器（3）采樣保持電路（4）模擬多路開關(guān)（5）A/D轉(zhuǎn)換器及其與微機的連接第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日

在機電一體化產(chǎn)品中，控制系統(tǒng)的控制對象主要是伺服驅(qū)動單元和執(zhí)行機構(gòu)，受控變量通常是機械運動參數(shù)（位移、速度、加速度、力、運動軌跡，以及機器操作和加工過程參數(shù)等）。這些參數(shù)可以用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器、測速發(fā)電機、光柵、磁柵、編碼器等來檢測，這些傳感器所獲得的信息，在開環(huán)控制系統(tǒng)中可用于數(shù)字顯示或誤差補償，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中作為反饋信息（與給定指令值比較后來實現(xiàn)閉環(huán)控制）。第三節(jié)機械量檢測傳感器及應用簡介第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日一、位置檢測傳感器

（一）接觸式傳感器原理結(jié)構(gòu)圖第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日（二）非接觸式傳感器金屬體高頻振蕩電路檢波電路波形整形電路輸出電路高頻振蕩式接近開關(guān)原理示意圖1、高頻振蕩式接近開關(guān)第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日2、靜電電容式接近開關(guān)檢測物體高頻振蕩電路檢波電路整形電路輸出電路電極板（檢測頭）靜電電容式接近開關(guān)原理示意圖第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日3、光電傳感器光耦合器的圖形符號第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、位移與角度檢測傳感器（一）電位差計RCV0r(θ)a）電位差計原理示意圖b）位移傳感器c）角位移傳感器圖電位差計原理示意圖第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日（二）差動變壓器1－線圈架2、5－二次線圈3－一次線圈4－鐵心6－測桿圖差動變壓器位移計原理第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日（三）磁尺第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日（四）光柵位移測量裝置圖（透射）光柵的工作原理第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日（五）編碼器1、基本類型（1）增量式：由于增量式具有結(jié)構(gòu)簡單，價格低、精度易于保證等優(yōu)點，目前采用最多，多用于計數(shù)；第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日

（2）絕對式絕對式能直接給出對應與每一個轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計算機處理，但當進給轉(zhuǎn)數(shù)大于一轉(zhuǎn)時，需作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，使其結(jié)構(gòu)復雜，成本高。第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日2、編碼器關(guān)聯(lián)設備（1）連軸節(jié)（注意幾種常見的連接方式）用以連接轉(zhuǎn)體的軸與光電編碼器的軸。連軸節(jié)有板式連軸節(jié)和波紋管連軸節(jié)等。（2）數(shù)顯表 在LED數(shù)顯表里，BCD信號、脈沖以及編碼器信號均可直接顯示。同時采用CPU組合、數(shù)顯表并行輸出使用途更為廣泛。（3）BCD變換器 通過該變換器可把增量式編碼器信號變換為BCD碼信號。（4）f-V變換器 該裝置可將單位時間輸入的脈沖數(shù)按比例變換為電壓數(shù)值，即當需要將編碼器的輸出脈沖數(shù)變化為電壓值時使用。（5）驅(qū)動器和接收器 驅(qū)動器將編碼器信號放大，并被指定接收器接收。第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日3、應用舉例（車螺紋）光電編碼器用于數(shù)控機床的簡圖第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日圖車螺紋控制示意圖a）（1）常規(guī)機床加工螺紋式中，

i絲杠——絲杠的調(diào)節(jié)量；

S（I）——要求的移動速度；

t——為已知量。第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日（2）數(shù)控機床加工螺紋 時間常數(shù)：其中，Nr——主軸每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)；

δ——脈沖當量；

S——被加工螺紋的導程。圖車螺紋控制示意圖b）第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日（六）感應同步器1、應用電磁感應原理來測量（角）位移的高精度元件，有直線式和圓盤式兩類（檢測直線位移和角位移）；2、直線式感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成。U02τ0.5τ250mm定尺x正弦勵磁A繞組sin余弦勵磁B繞組cos滑尺圖感應同步器結(jié)構(gòu)示意圖第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日三、速度與角速度的測量（一）測速發(fā)電機

圖測速發(fā)電機第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日（二）電機反電勢檢測法圖電機反電勢測量第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日四、加速度傳感器圖力型加速度計原理示意圖圖采用微機測量加速度系統(tǒng)第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日五、力和壓力傳感器（一）應變片圖金屬絲應變電阻圖金屬絲應變片第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日（二）載荷傳感器圖測力傳感器第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日（三）壓力傳感器圖擴散硅壓力傳感器第四十八頁，共五十