第4章檢測技術(shù)與傳感器-gai

第4章檢測技術(shù)與傳感器

4.1概述

一、檢測系統(tǒng)的組成

1、傳感器功能：把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號，傳感器又稱為一次儀表。傳感器相當(dāng)于人的五官部分（“電五官”）

2、電信號處理系統(tǒng)功能：對轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行測量,并進(jìn)行放大、運算、轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理，通常被稱為二次儀表。非電量檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖4-1所示。圖4-1非電量檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式二、傳感器的概念及基本特性

（一）傳感器的概念：

1、傳感器的構(gòu)成 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖4-2所示。圖4-2傳感器的組成框圖

（1）敏感元件:是一種能夠?qū)⒈粶y量轉(zhuǎn)換成易于測量的物理量的預(yù)變換裝置,其輸入、輸出間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系（最好為線性）。如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。（2）轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號（如電阻、電感、電容等）形式。 （3）基本轉(zhuǎn)換電路：將電信號量轉(zhuǎn)換成便于測量的電量，如電壓、電流、頻率等。

2、傳感器的分類

按能量變換的功能分：按輸出的信號分：物理傳感器化學(xué)傳感器

計數(shù)型（二次型+計數(shù)型）

電壓，電流型（熱電偶,光電池）電感，電容型（可變電容）有接點型(微動開關(guān)，接觸開關(guān)，行程開關(guān))

傳感器

電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片）非電量型二值型電量無接點型(光電開關(guān)，接近開關(guān))模擬型數(shù)字型代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺）（二）傳感器的基本特性1、傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。

(1)線性度通常希望輸出與輸入特性（曲線）為線性，這對標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來方便。但實際的輸出與輸入特性只能接近線性，與理論直線有偏差。

圖4-3傳感器的線性度示意圖

傳感器的線性度是指傳感器實際輸出—輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比。

式中：

γL——線性度(非線性誤差)；

Δmax——最大非線性絕對誤差；

yFS

——輸出滿度值。

線性度可用下式計算：

對于線性傳感器來說,它的靈敏度S0是個常數(shù)。

（2）靈敏度。傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下,輸出變化對輸入變化的比值稱為靈敏度,用S0表示,即

(3)遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中，輸出—輸入特性曲線的不重合程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出yFS的百分?jǐn)?shù)表示：

式中:

ΔHm——輸出值在正、反行程間的最大差值。

遲滯特性一般由實驗方法確定，如圖4-4所示。圖4-4遲滯特性

(4)重復(fù)性傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測量時，所得輸出—輸入曲線的不一致程度，稱為重復(fù)性。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即式中:

ΔRm——最大重復(fù)性誤差。圖4-5重復(fù)特性

（5）分辨力傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。

（6）漂移由于傳感器內(nèi)部因素或外界干擾的情況下，傳感器的輸出變化稱為漂移。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時的漂移稱為零點漂移。

2、傳感器的動態(tài)特性傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。傳感器動態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。

三、信號處理與處理電路傳感器信號處理電路內(nèi)容的選擇所要考慮的問題主要包括:(1)傳感器輸出信號形式，是模擬信號還是數(shù)字信號，電壓還是電流。(2)傳感器輸出電路形式，是單端輸出還是差動輸出。(3)傳感器電路輸出能力，是電壓還是功率，輸出阻抗大小。(4)傳感器的特性，如線性度、信噪比、分辨率。

4.2位移檢測

位移測量是線位移測量和角位移測量的總稱4.2.1模擬式位移傳感器

1.可變磁阻式電感傳感器可變磁阻式電感傳感器的結(jié)構(gòu)主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵所組成，結(jié)構(gòu)如下圖所示。4.2.1模擬式位移傳感器當(dāng)線圈通以激磁電流時，其自感L與磁路的總磁阻Rm有關(guān)，即式中，W——線圈匝數(shù)如果空氣隙δ較小，而且不考慮磁路的損失，則總磁阻為(4-5)(4-6)4.2.1模擬式位移傳感器由于鐵芯的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的，計算時鐵芯的磁阻可以忽略不計，故

將式(4一7)代入式(4-5)，得(4-7)(4-8)式(4-8)表明，自感L與空氣隙δ的大小成反比，與空氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。當(dāng)A0固定不變，改變δ時，L與占呈非線性關(guān)系，此時傳感器的靈敏度4.2.1模擬式位移傳感器4.2.1模擬式位移傳感器

2.渦流式傳感器渦流式傳感器的變換原理，是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦電流效應(yīng)。渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種。3.互感型差動變壓器式電感傳感器4.2.1模擬式位移傳感器互感型電感傳感器是利用互感M的變化來反映被測量的變化。這種傳感器實質(zhì)是一個輸出電壓的變壓器。當(dāng)變壓器初級線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級線圈便產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出，該電壓隨被測量的變化而變化。差動變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器，其結(jié)構(gòu)形式有多種，以螺管形應(yīng)用較為普遍，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖所示。3.互感型差動變壓器式電感傳感器4.2.1模擬式位移傳感器差動相敏檢波電路的工作原理圖。當(dāng)沒有信號輸入時，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點殘余電壓減小;當(dāng)有信號輸入時，鐵芯移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。4.2.2數(shù)字式位移傳感器

1.光柵位移傳感器光柵是一種新型的位移檢測元件，是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置。特點:測量精確度高(可達(dá)到1μm)響應(yīng)速度快量程范圍大可進(jìn)行非接觸測量易于實現(xiàn)數(shù)字測量和自動控制4.2.2數(shù)字式位移傳感器

1.光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)組成：標(biāo)尺光柵指示光柵光電器件

光源標(biāo)尺光柵和被測物體相連，隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生位移。一般標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線密度是相同的，而刻線之間的距離W稱為柵距。4.2.2數(shù)字式位移傳感器

1.光柵位移傳感器如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。4.2.2數(shù)字式位移傳感器

1.光柵位移傳感器莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，如圖中的d-d線區(qū)所示。f-f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。特點莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。4.2.2數(shù)字式位移傳感器

2.感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制造的高精度檢測元件，有直線和圓盤式兩種，分別用作檢測直線位移和轉(zhuǎn)角。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。定尺較長，上面刻有均勻節(jié)距的繞組；滑尺表面刻有兩個繞組，即正弦繞組和余弦繞組。圓盤式感應(yīng)同步器，如圖所示，其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的滑尺，定子相當(dāng)于定尺，而且定子繞組中的兩個繞組也錯開1/4節(jié)距。4.2.2數(shù)字式位移傳感器

2.感應(yīng)同步器4.2.2數(shù)字式位移傳感器

3.旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號的傳感器。特點：結(jié)構(gòu)簡單動作靈敏對環(huán)境無特殊要求輸出信號大抗干擾好旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)從一定頻率的激磁電壓加于定子繞組時，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角呈正比關(guān)系。前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角位移的絕對測量;后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對測量。4.2.2數(shù)字式位移傳感器

3.旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦變壓器原理圖4.2.2數(shù)字式位移傳感器

4.光電編碼器光電編碼器是一種碼盤式角度數(shù)字檢測元件。光電編碼器增量式編碼器絕對式編碼器結(jié)構(gòu)簡單、價格低、精度易于保證等優(yōu)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。

4.3速度、加速度檢測

4.3.1直流測速機(jī)速度檢測

直流測速機(jī)是一種測速元件，實際上它就是一臺微型的直流發(fā)電機(jī)。根據(jù)定子磁極激磁方式的不同：

直流測速機(jī)電磁式永磁式以電樞的結(jié)構(gòu)不同：

直流測速機(jī)無槽電樞有槽電樞空心杯電樞圓盤電樞

4.3速度、加速度檢測

4.3.1直流測速機(jī)速度檢測永磁式測速機(jī)原理電路圖恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢。直流測速機(jī)的輸出特性曲線

4.3速度、加速度檢測

4.3.2光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器，由裝在被測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成。

4.3速度、加速度檢測

4.3.3加速度傳感器應(yīng)變式傳感器加速度測試原理:由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成當(dāng)有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的砧性液體作為阻尼之用。壓電加速度測試傳感器結(jié)構(gòu)原理

4.3速度、加速度檢測

4.3.3加速度傳感器圖中1是質(zhì)量塊，當(dāng)加速運動時質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力加載在2(壓電材料切片)上，3是電荷(或電勢)的輸出端。

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.1力檢測

電阻應(yīng)變片式力傳感器的工作原理是彈性敏感器元件測力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，然后通過粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號。常見的彈性元件有柱形、簡形、環(huán)形、梁式和輪輻式等。

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.1力檢測1.柱形或筒形彈性元件應(yīng)變片在柱形和筒形彈性元件上的粘貼位置及接橋方法。這種接橋方法能減少偏心載荷引起的誤差，且能增加傳感器的輸出靈敏度。

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.1力檢測若在彈性元件上施加一壓力P，則簡形彈性元件的軸向應(yīng)變εL為用電阻應(yīng)變儀測出的指示應(yīng)變?yōu)?/p>

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.1力檢測2.梁式彈性元件(1)懸臂梁式彈性元件特點：結(jié)構(gòu)簡單、容易加工、粘貼應(yīng)變片方便、靈敏度較高，適用于測量小載荷的傳感器中。

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.1力檢測2.梁式彈性元件若梁的自由端有一被測力P，則應(yīng)變片感受的應(yīng)變?yōu)殡姌蜉敵鰹槭街?，L—應(yīng)變計中心處距受力點距離；

B—懸臂梁寬度；

h—懸臂梁厚度；

E—懸臂梁材料的彈性模量；K—應(yīng)變計的靈敏系數(shù)。

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.1力檢測2.梁式彈性元件(2)兩端固定梁它的懸臂梁剛度大，抗側(cè)向能力強(qiáng)。粘貼應(yīng)變片感受應(yīng)變與被測力P之間的關(guān)系為

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.1力檢測2.梁式彈性元件(3)梁式剪切彈性元件與普通梁式彈性元件基本相同，只是應(yīng)變片粘貼位置不同。應(yīng)變片受的應(yīng)變只與梁所承受的剪切力有關(guān)，而與彎曲應(yīng)力無關(guān)。無論是拉伸還是壓縮載荷，靈敏度相同，適用于同時測量拉力和壓力的傳感器。此外，它與梁式彈性元件相比線性好、抗偏心載荷和側(cè)向力的能力大。

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.1力檢測2.梁式彈性元件(3)梁式剪切彈性元件應(yīng)變片一般粘貼在矩形截面梁中間盲孔的兩側(cè)，與梁的中性軸成45°方向上。粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變與被測力P之間的關(guān)系近似為

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.2力矩測量機(jī)器人手腕用力矩傳感器原理它是檢測機(jī)器人終端環(huán)節(jié)(如小臂)與手爪之間力矩的傳感器。驅(qū)動軸B通過裝有應(yīng)變片A的腕部與手部C連接。當(dāng)驅(qū)動軸回轉(zhuǎn)并帶動手部回轉(zhuǎn)而擰緊螺絲釘D時，手部所受力矩的大小可通過應(yīng)變片電壓的輸出測得。

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.3流體壓強(qiáng)傳感器電阻應(yīng)變式流體壓強(qiáng)傳感器主要用于測量氣體和液體壓強(qiáng)。測量壓強(qiáng)的方法是借助彈性元件把壓強(qiáng)變?yōu)閴毫蛻?yīng)變再進(jìn)行測量。流體壓強(qiáng)傳感器膜式壓力傳感器筒式壓力傳感器

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.3.1膜式壓力傳感器它的彈性元件為四周固定的等截面圓形薄板，又稱平膜板或膜片，其一表面承受被測分布壓力，另一側(cè)面貼有應(yīng)變片或?qū)Ｓ玫牟綉?yīng)變花，并組成電橋。

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.3.1膜式壓力傳感器膜片在被測壓力P作用下發(fā)生彈性變形，應(yīng)變片在任意半徑r的徑向應(yīng)變εr和切向應(yīng)變ε

t分別為式中，r—膜片任意半徑；r0—膜片有效工作半徑。

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.3.2筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器的彈性元件為薄壁圓筒，筒的底部較厚。彈性元件的特點：圓簡受到被測壓力后表面各處的應(yīng)變是相同的。應(yīng)變片的粘貼位置對所測應(yīng)變不影響

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.3.2筒式壓力傳感器對于薄壁圓筒(壁厚與壁的中面曲率半徑之比<1/20）的切向應(yīng)變ε1與被測壓力P的關(guān)系，可用下式求得筒壁上工作應(yīng)變片對于厚壁圓筒(壁厚與壁的中面曲率半徑之比>1/20)則有

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測

4.4.3.3壓阻式壓力傳感器壓阻式傳感器核心部分是一圓形的硅膜片。在沿某晶向切割的N型硅膜片上擴(kuò)散四個阻值相等的P型電阻，構(gòu)成平衡電橋。硅膜片周邊用硅杯固定，其下部是與被測系統(tǒng)相連的高壓腔，上部為低壓腔，通常與大氣相通。在被測壓力作用下，膜片產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，P型電阻產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，其電阻發(fā)生相對變化。

4.5其他傳感器

4.5.1固態(tài)圖像傳感器（CCD）固態(tài)圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件，常稱電荷藕合器件(簡稱CCD)。圖像傳感器優(yōu)點：體積小，析像度高，功耗小。應(yīng)用：非接觸的尺寸、形狀、損傷的測量，圖像處理，自動控制等領(lǐng)域。

4.5其他傳感器

4.5.2激光檢測激光檢測主要是利用激光的方向性、單色性、相干性以及隨時間、空間的可聚焦性的特點，所以無論在測量精確度和測量范圍上都具有明顯的優(yōu)越性。1、激光多普勒效應(yīng)當(dāng)激光照射到相對運動的物體上時，被物體散射(或反射)光的頻率將發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。

4.5其他傳感器

4.5.2激光檢測2、應(yīng)用組成激光測速系統(tǒng)的主要光學(xué)部件有激光光源，入射光系統(tǒng)和收集光系統(tǒng)等。激光多普勒流速計由激光器發(fā)射出的單色平行光，經(jīng)透鏡聚集到被測流體內(nèi)。

4.5其他傳感器

4.5.3超聲波檢測超聲波檢測的基本原理是利用某些非聲量的物理量(如密度、流量等)與描述超聲波介質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量(聲速、衰減、聲阻抗)之間存在著直接或間接的關(guān)系。超聲波檢測多采用超聲波源向被測介質(zhì)發(fā)射超聲波，然后接收與被測介質(zhì)相作用之后的超聲波，從中得到所需信息。

4.6傳感器的正確選擇和使用4.6.1傳感器的選擇測試要求和條件傳感器的特性使用條件

4.6傳感器的正確選擇和使用4.6.2傳感器的正確使用線性化處理與補(bǔ)償傳感器的標(biāo)定抗干擾措施：屏蔽、接地、隔離、濾波

4.7傳感器前級信號處理傳感器所感知、檢測、轉(zhuǎn)換和傳遞的信息表現(xiàn)形式為不同的電信號。傳感器輸出電信號的參量形式可分為電壓輸出、電流輸出、頻率輸出。典型的傳感器信號放大器：測量放大器

在檢測技術(shù)應(yīng)用場合，傳感器輸出的信號較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁藕合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。將具有這種特點的放大器稱為測量放大器或儀表放大器。

4.7傳感器前級信號處理典型的傳感器信號放大器：程控增益放大器在計算機(jī)自動測控系統(tǒng)，利用計算機(jī)軟件控制的辦法來實現(xiàn)增益的自動變換，具有這種功能的放大器稱為程控增益放大器。隔離放大器在有強(qiáng)電或強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，為了防止電網(wǎng)電壓等對測量回路的損壞，其信號輸入通道采用隔離技術(shù)，能完成這種任務(wù)，具有這種功能的放大器稱為隔離放大器。

4.8傳感器接口技術(shù)4.8.1傳感器信號的采樣/保持當(dāng)輸入信號頻率提高時，由于孔徑時間的存在，會造成較大的轉(zhuǎn)換誤差，為了防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換之前將信號保持住，而在轉(zhuǎn)換后能跟蹤輸入信號的變化，能完成這種功能的器件叫采樣/保持器?？讖綍r間：在對模擬信號進(jìn)行模數(shù)變換時，從啟動變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，所需要的時間。

4.8傳感器接口技術(shù)4.8.1傳感器信號的采樣/保持1.采樣/保持器原理采樣階段：當(dāng)S接通時，輸出