机械电子工程原理第七章传感器与转换器

a
a
a
a
2b 2a
ε0
h
εr
液体
x
28
7.4 电感式传感器
Hale Waihona Puke 电感式传感器的优点：结构简单(因为没有活动电触点，所以工作可靠) 测量范围宽(可达几百毫米) 灵敏度高(微米级) 重复性好
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电感式位移传感器
电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘 等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用 在各种恶劣条件下。 线性可调差动变压器
晶体结构和凝聚状态等。
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无源和有源传感器
根据能源利用情况，传感器可分为无源(直接式) 传感器和有源(间接式)传感器。
无源传感器在转换中不需要外界附加能量。
光电转换装置和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。
有源传感器在转换中需要外界附加能量。
应变片和霍尔器件等间接式传感器则需要附加能量以 产生电信号。
根据性能分类
性能可以用精度、稳定性、线性度、灵敏度、量程等静态 性能和响应特性的动态指标来评估。
根据输出信号分类
模拟量输出——产生一个连续的输出信号，信号的某些性质 直接与被测量大小有关。
数字量输出——产生一个串行的或并行的数字信号，信息可 以在一些固定的时间间隔上提取，也可以按要求提取。
Us
Vo
ab
R
R
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应变片的温度补偿
温度的变化也会引起应变片电阻的变化，因此在桥 路上安装带补偿的应变片与测量的应变片具有相同 的温度特性，以消除温度的影响，
补偿应变片应安装在离测量应变片最近的地方，这 就需要将两个应变片以适当角度安装在被测件上。
载荷
补偿应变片 R'g
Us
Vo
ab
R
Rg 应变片
频率输出 —— 产生的信号频率是被测量的函数，输出是连 续波形或脉冲波形，可以用计数器和定时器将其转化成数 字形式。
编码输出 —— 可以产生各种不同的编码信号，包括：振幅 调制、频率调制、脉冲宽度调制和脉冲位置调制。
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传感器的一般要求
足够的容量——传感器的工作范围或量程足够大；具 有一定的过载能力。
机械电子工程原理
第七章 传感器与转换器
7.1 概述
在许多测量系统中，传感器和转换器都是用来获 取系统状态信息的。本书采用以下定义，但在使 用时通常不做严格区分。
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──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。
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传感器和转换器的分类
根据功能分类 ，典型的被测量如下
位移——线位移和角位移。 速度——线速度、角速度和流速等。 加速度──振动。 几何量──位置、长度、面积、厚度、体积、表面粗糙
度等。 质量——重力、负载、密度。 力——静力、动力、压差、力矩、功率。 其它──硬度、粘度。
7
传感器和转换器的分类
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数据测量时的预处理和后处理
除了传感器和转换器，测量系统还包括一个预处 理级和后处理级
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。
从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。
输入
预处理阶段
传感器/转换器
后处理阶段
输出
3
一个实例——转速测量系统
b)有负载
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应变片
若将某种导体或半导体材料沿轴向拉伸，则它 的长度将沿加载方向发生变化，其电阻值也将 随之变化。
典型的电阻应变片由一些电阻型金属薄膜和基
衬组成，基衬用来将所加载荷传给应变片。如
果沿应变片的轴向加载，那么将产生一个应变，
使得应变片的有效长度发电阻生型 变化，从而导应变致轴 电
阻变化。
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电位器与负载阻抗
当把测量仪表连接入输出端时，相当于给输出加了一个负 载，将会产生测量误差。
uo
ui
Ro (R1 Ro )
当RL>>R2时，Ro≈R2。因此，为了保证测量精度，通常次
级（无论是测量仪表还是信号处理电路）的输入阻抗越大
越好。
R1 ui
R1 ui
R2
uo
R2
RL uo
a)无负载
a
2a
2b
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电容传感器的非线性
电容量C与两极板间隙δ呈非线性关系。
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变极距型电容传感器 a)、b)变极式 c)差动变极式 1—固定极板 2—可动极板 3—被测物体
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变面积型电容传感器 a)平板平移式 b)半可调式 c)筒式 d)差动筒式 1、3—固定极 2—可动极
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变介电常数型电容传感器 a)测厚度 b)测位移 c)测液量 d)测容量
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， 并计算出编码盘的旋转速度。
R +
E-
光源
换能器
码 盘
计数器 定时器
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可用于信息传递的能量形式
传感器传递信息的物理基础是能量转化。有六种能量 形式可用于信息传递。
当在滑轨线圈上加一正弦信号时（频率达几千 赫），滑块绕组上将产生两个电压，两个电压的 相位差是90°，且电压的大小随滑块位置的改变 而改变，因为绕组间的耦合是变化的，这种传感 器的输出电压，在一定条件下是呈正弦变化的。 在几毫米的距离内，其分辨能力可达2～3μm。
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直线式感应同步器
运动方向
固定绕组
电位器有旋转型和直线型两种形式，它们可以用来测 量直线位移或角位移。
在任何情况下，只要改变电位器的有效分压比，就可 以得到不同的输出电压。
构成电位器的主要部分是大量紧绕的电阻线圈和一个 滑动触头。因此，线圈式电位器的分辨率是单位长度 绕圈数的倒数。
要提高电位器的分辨率，可以使用金属陶瓷电阻或导 电塑料薄膜。
Us
R1 uo
Rt
r3
电阻温度计
ua ub
R2
R3
r2
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半导体热敏元件
半导体热敏元件是一种半导体电阻元件，其热性 能已知，通常用来测量范围在-30℃～200℃的温 度。由于它体积小、热惯量小，所以通常用来测 量动态温度。
必须注意，在使用半导体热敏元件时，由于热敏 元件本身的发热会带来误差。
半导体热敏元件的主要缺点是它的非线性特性， 这限制了它的应用范围。但是，由于测量系统使 用微处理机，这种固有的非线性可以用软件来克 服，使得半导体热敏元件的应用范围大大增加。
辐射能──包括所有的电磁波谱。主要参数有：频率、相位、 强度和极化方向等。
机械能──主要参数有：距离、速度、尺寸和力等。 热能──可以利用多种温度效应和热效应。主要参数有热容、
潜热和相变特性等。 电能──主要参数有电流、电压、电阻、电容和电感等。 磁能──包括磁场参数，如磁场强度和磁通密度等。 化学能──涉及到物质内部结构和行为，主要参数有：浓度、
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21
7.3 电容式传感器
平行板电容器的电容量
C
0
r
A
ε0为真空状态的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m，一般 运算中将干燥空气的介电常数取为真空状态的介电常
数ε0；
εr为绝缘材料的相对介电系数；
A为平行板的有效正对面积；
δ
εr
δ为两平行板之间的距离。
A
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电容式传感器的分类
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实例——测量液面高度
用变介质式的圆柱电容器测量液面高度
当液面高度变化时，会引起极间不同介质ε0和εr的界 面发生变化，从而导致电容的变化，且输出电容与液 面高度的数学表达式是一个线性关系。
C 20 (h - x) 2r x 20h 2 (r 0 )x
ln b
ln b ln b
ln b
金属膜片
轴向加载的拉伸试样
基衬
电阻应变片
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桥式测量电路
应变式电阻传感器常用来测量力、转矩、压力、 加速度等物理量。
电阻的变化（即应变）通常是由桥式电路测量的。
由应变产生的不平衡电位为 对于电阻变化较小的情况：
Vo
U s R 4R2R
Vo
Us
R 4R
(G
Us 4
)( L ) L
R
Rg
应变片
固态转换器 光电转换器 压电转换器 超声转换器
超声转换器为非接触式测量手段。与接触式测量相比， 非接触式测量有以下优点： 减少了接触爆炸性、放射性、毒性、腐蚀性或易燃物
质的危险性。 避免了对药物或食物等被测物的接触污染。 简化了对传感器和转换器的维护。
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7.2电阻型传感器
电位器 ：最简单的电阻型传感器
根据其改变参数不同，可将电容式传感器分为下 三种：
改变极板之距离（间隙δ)的极距型传感器;
改变极板遮盖面积（A）的面积型传感器；
改变电介质之介电常数（εr）的介质型传感器
电容式传感器若按极板的形状来分，可分为平板
形和圆柱形两种。
外柱面
圆柱型电容器的电容量
内柱面
C
2pL
ee 0r
L
a b
ln b
电阻温度计是阻性温度转换器的基础，它包括由 一段铂丝做成的小轴心，轴心被空心轴包围。
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三线电桥电阻温度计电路
因此改用如图所示的三线连接。图中，电阻温度计为Rt， 导线电阻为r1、r2、r3，一般R1=R2=R为两桥臂电阻，R3是 调整电桥的精密电阻。
通常，连接在a、b端的测量仪表的内阻很大，故流过r3的 电流近似于零。当ua=ub时，电桥平衡，流过r3的电流为零， 流过r1的电流也要流过r2，抵消其电压降，如果让r1=r2， 并误调差整。R3=Rt，即可以消除由导线电阻和r接1 触电阻引起的
电感式传感器的应用
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7.5 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-200℃～ 500℃范围的温度。
温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。 在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广 泛、发展最快的传感器之一。
R
补偿应变片
测量应变片
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电阻式温度传感器
金属圈的热惯量导致了其灵敏性较低、对温度变 化响应速度慢等特点，因此它常用来测量稳态温 度。
在如图所示的典型应用中R ，使电阻R温t 度计成为电 电阻温度计 桥的一个臂。U因s 为热电阻的uo阻值很小，而由温度 变化引起的阻值变化也非R 常a 小b ，所R 以由导线电阻 和接触电阻引入的误差就不能忽略，
自补偿能力 自校准功能 自诊断功能 自动定时测量 自动量程转换 双向通信功能 含义：两种结合方式：传统的传感器和微处理器（含采集单
元）独立的，可组合在一起，应用维护更换相对方便把微 处理器嵌入到传感器中，半导体类传感器与微处理器集成 在同一块芯片上，如用于地震勘探的加速度传感器。
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传感器技术的发展
滑块
a) 导轨与滑块
固定绕组
节距 导轨
滑块绕组1 U1
b) 绕组
滑块绕组2 U2
直线式感应同步器
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电感式速度传感器
永久磁铁相对于线圈移动，而线圈的感生电动势 是磁铁运动速度及线圈尺寸的函数。
当需要测量旋转速度时可以采用直流或交流转速 表，其输出电压即直接与所测角速度成正比。
Uo
铁芯
运动方向
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灵敏度高，精度适当——即要求其输出信号与被测信 号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感 器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。
响应速度快，工作稳定，可靠性好。 使用性和适应性强——体积小，重量轻，动作能量小，
对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外 界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以 便与系统对接。
线圈1
扰流器
线圈2
L1 公共端 L2
运动方向
扰流器 线圈1 运动方向 扰流器
线圈2
L1 公共端
L2
a) 内置式扰流器
b) 外置式扰流器
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感应同步器
直线式感应同步器包括一个固定导轨（可达几米 长）和一个滑块。两者由厚度为0.1～0.15mm的 空气隔开，它们之间存在磁耦合。滑块上装有一 对绕组，两绕组的相对距离成1/4节距，即90°电 角度。
线性可调电感传感器 感应同步器
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线性可调电感传感器
这种传感器使用线圈扰流器进行工作。在100Hz或更高 频率下对线圈激磁，这时扰流器中感生的涡流会改变线 圈的有效电感，且此电感是关于扰流器位置的函数。
由于这种转换器没有用磁性材料，因此与其它电感 转换器相比，它受杂散磁场的影响较小，且消除了 磁滞及磁场非线性，测量位移的范围可达220mm。
使用经济——成本低，寿命长，且便于使用、维修和 校准。
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传感器技术的发展
传感器技术的发展主要有：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。
输入
传感器 转换器
模拟信号 处理
A/D 转换器
控制
控制
现场 微处理器
数字信号
数字输出
D/A 转换器
模拟输出
集成化智能传感器简图
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智能传感器的功能