各种自动化传感器的使用.

第三章传感器§3-1传感器的概念§3-2电阻式传感器§3-3电容式传感器§3-4电感式传感器§3-6压电式传感器第三章传感器传感器是人类五官的延长，又称之为电五官；传感器技术通信技术计算机技术五官神经大脑传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段；现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数；信息技术三大支柱传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源探测、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。传感器是将感知到的各种信号转换成易测量的信号，把相应的信号输入计算机，计算机发出指令，控制各执行机构。§3-1传感器的定义一、传感器的定义（Transducer/Sensor）定义：将被测参量转换为与之对应的，易于测量，传输和处理的信号的装置。GB7665一87：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器功用：感知被测信息，并传递给检测装置传感器及传感技术可从以下几个方面理解：①传感器是测量器件或装置，能完成检测任务；②输入量为位移、压力、温度、重量等被测量，是非电量；③输出量通常为易于传输、转换、处理、显示的电物理量（如：电压、电流、频率、功率等），也可以是气、光等物理量；④输出、输入有对应关系，且应有一定的精确程度。1.传感器在工业检测和自动控制系统中的应用工业自动化、全自动、半自动生产线（石油、化工、钢铁、铁路、机械、电力）自动控制系统（正确的信息检测准确的控制）传感器的应用领域传感器的应用领域2.汽车与传感器速度、里程、发动机旋转速度、燃料剩余量安全气囊系统、防盗装置、黑匣子发动机气缸压力（日本丰田汽车）3.传感器与家用电器电子炉灶、洗碗机、遥控电视、录像机、电饭煲微波炉（松下电器采用湿度传感器）电冰箱（温控器—控制压缩机的开关）家庭自动化（安全监视与报警、空调与照明控制、家务劳动自动化、人身健康管理）传感器的应用领域4.传感器在机器人上的应用传统机器人（臂的位置和角度传感器）智能机器人（触觉、压觉、重量、视觉等）5.传感器在医疗及人体医学上的应用应用医学传感器（B超仪、CT、核磁共振等）医疗保健产品：电子血压计、脉搏计、电子温度计。传感器的应用领域6.传感器与环境保护大气污染指数、水质污染、环境噪声等各种环境监测仪器7.传感器与航空航天飞机的自动驾驶（飞行姿态、距离、航线）恶劣环境的“盲目”着陆空—空导弹的自动跟踪传感器的应用领域8.传感器与遥感技术遥感技术：从飞机、人造卫星、宇宙飞船、船舶上对远距离的广大区域的被测物体及其状态进行大规模探测的一门技术。探测矿藏：人造卫星上的红外传感器红外线的量通过微波地面站计算机分析处理传感器的应用领域传感器市场结构从市场来看,力、压力、加速度、物位、温度、湿度、水分等传感器将保持较大的需求量。二、传感器的组成二、传感器的组成•一般的，传感器由敏感元件、二次变换部分、辅助部分组成。传感器的组成敏感元件（预变换器）:它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。二次变换部分：敏感元件的输出是转换元件的输入，主要作用将输入转换成电参数。并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件，如热电偶！辅助部分：将转换元件的输出进行放大、运算、处理等进一步转换，便于应用。传感器的组成气体压力传感器1-壳体2-膜盒3-电感线圈4-磁芯5-转换电路压力位移电感（敏感元件）（转换元件）（测量电路）传感器的组成热电偶压电式加速度传感器三、传感器的分类传感器是知识技术密集的行业，与许多学科有关，种类繁多，分类方法也很多。按工作机理：物理型、化学型、生物型；按构成原理：结构型、物性型；结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等；这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。传感器的分类物性型传感器是利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。传感器的分类按能量转换情况：能量控制型、能量转换型；能量控制型传感器在信息变化过程中，其能量需要外电源供给；(无源传感器)能量转换型传感器主要由能量变换元件构成，不需外加电源；(有源传感器)传感器的分类按测量原理分：电参量式传感器(电阻式、电感式、电容式)磁电式传感器(磁电感应式、霍尔式、磁栅式)；压电式传感器；光电式传感器；气电式传感器；热电式传感器；波式传感器；射线式传感器；半导体式传感器；其他原理的传感器。传感器的分类按传感器用途分(输入量)温度传感器湿度传感器压力传感器位移传感器转速传感器流量传感器火灾传感器传感器的分类按传感器输出信号形式可分为：模拟传感器和数字传感器。按输入量分类优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据用途选用。缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者比较各种传感器的原理异同点。传感器的分类按原理分类：优点是：对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。缺点：不便于使用者根据用途选用。四、传感器的命名法由主题词加四级修饰语构成传感器1、被测量2、转换原理3、特征描述4、主要技术指标（量程、灵敏度、准确度等）例：传感器位移应变式100㎜习惯上用反序法，也可用简称。五、对传感器的性能要求可靠性：指传感器在规定的使用条件和期限内保持其准确计量性能的能力。选择性：传感器的输出不受(少受)非被测量（干扰）的影响。超然性：传感器不影响被测系统原来状态的能力。（实际有影响）加速度传感器§3-2电阻式传感器受位移、压力、光热……的作用RR+△R电阻式传感器是利用电阻应变效应，将被测物体的变形转换成电阻变化，在经过转换电路变成电量输出的传感器。它可以测量力、压力、位移、应变、加速度、温度等各种非电量。现已被广泛应用于工程测量和科学实验中。一、导电材料的电阻效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。SlRSlRlnlnlnlnSdSldldRdR设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为两边取对数，得等式两边取微分，l△l§3-2电阻式传感器dR/R——电阻的相对变化；dρ/ρ——电阻率的相对变化；dl/l——金属丝长度相对变化，用ε表示，ε=dl/l,称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；dS/S——截面积的相对变化。S=πr2dS/S=2·dr/rdr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。εr=–με由材料力学知：§3-2-1导电材料的电阻效应将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则)21()21(dldldRdRSKllEllllRR)21()//21(金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。变形变性§3-2-1导电材料的电阻效应物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS≈1+2μ；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。ll//§3-2-1导电材料的电阻效应§3-2-2电位计式传感器二、电位计式传感器电位计式传感器也称为变阻器式传感器，它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。根据下式式中:ρ—电阻率；l—电阻丝长度；A—电阻丝截面积。如果电阻丝直径和材质一定时，则电阻值随导线长度而变化。式中电阻值的单位为Ω。AlR常用电位计式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。§3-2-2电位计式传感器直线位移型：当被测位移变动时，触点c沿变阻器移动。若移动x，则c点与A点之间电阻值：R=kix传感器灵敏度：S=dR/dx=ki式中k——单位长度内的电阻值。当导线分布均匀时，ki为一常数。这时传感器的输出(电阻)与输入(位移)成线性关系。§3-2-2电位计式传感器回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化。其灵敏度式中α—转角[rad]kα—单位弧度对应的电阻值。kddRS§3-2-2电位计式传感器非线性变阻器式传感器，或称为函数电位器。当被测量与电刷位移x之间具有某种函数关系时，通过它可以获得输出电阻与输入被测量的线性关系。设r(x)为电位器任意瞬时位置（微小区间Δx）内的电阻，则电阻位移为x时总电阻值为：如果被测量为z(x)，它是位移x的函数，若要得到线性输出，应满足在已知z(x)的情况下，可以求得r(x)和Rx,r(x)可以用来确定电位器的骨架形状。drRxx0xSzRx§3-2-2电位计式传感器变阻器式传感器的优点是结构简单，性能稳定，使用方便。缺点是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。提高分辨力需使用更细的电阻丝，其绕制较困难。所以变阻器式传感器的分辨力很难优于20μm。由于结构上的特点，这种传感器还有较大的噪声。电刷和电阻元件之间接触面的变动和磨损、尘埃附着等，都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化，从而产生噪声。变阻器式传感器被用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。§3-2-2电位计式传感器变阻器式传感器产品3.2电阻式传感器案例：重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料3.2电阻式传感器原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻案例：煤气包储量检测煤气包钢丝3.2电阻式传感器原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻案例：玩具机器人（广州中鸣数码）3.2电阻式传感器原理：电机-转角-电位器-电阻3.2电阻式传感器案例：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。3.2电阻式传感器三、电阻应变片金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。金属应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。§3-2电阻式传感器§3-2-3电阻应变片1、丝式应变片由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。2341bl栅长栅宽电阻应变片结构示意图（1）敏感栅由金属细丝绕成栅形，直径：（0.015～0.05）mm应变片的阻值：60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。（允许有一定的误差，但不能太大，否则影响平衡）标距=栅宽×栅长=b×l较大的应变片：5×100（200）mm较小的应变片：1×1（2）mm等。结构：回线式（a）和短接式（b）一般至少用两个，一个做测量，一个做温度补偿，或用四个，两个做测量，两个做温度补偿。§3-2-3电阻应变片对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好，易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对