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第5章传感器与执行器5.1概述5.2传感器的正确选用和使用5.3执行器习题5.1概述5.1.1传感器的概念机电控制系统依赖于准确的检测。检测是人们借助于专门的设备,通过一定的方法,对被测对象收集信息、取得数据的过程。检测的关键,在于被测量和标准量的比较。但是被测量能直接与标准量比较的场合不多，大多数的被测量和标准量都要变换到便于双方比较的某个中间量，例如，用水银温度计测室温时,室温要用被变换玻璃管内水银柱的热膨胀位移表示,而温度的标准量为玻璃管上的刻度,即被测量和标准量都变换成线位移这个中间量。因此,变换是检测的核心。所谓变换,是指把被测量按一定的规律转变成便于传输或处理的另一种物理量的过程。能进行某种变换的元件叫变换元件,或者叫做传感器。传感器是一种能感受被测物理量并将其转换为便于传输或处理的另一种物理量的装置或器件。如果给传感器下个定义,传感器即是能感觉被测量,并按一定关系转换成相应输出量的装置。在现代科技领域中(尤其是机电控制系统中),信息的采集离不开各种传感器,传感器感受外界的各种“刺激”并做出迅速的反映。检测与传感器属于一门综合性技术学科,它的研究对象是对各种材料、机件、现场等进行无损探伤、测量和计量;对自动化系统中各种参数进行自动检查和测量;把检测出的各种模拟信号转换为相应电信号(数字量)后,再由控制器进行信息处理等。变送器:是指输出为标准信号的传感器.变送器的作用,失败所测的物理变量转化为电或气的标准信号.5.1.2传感器的分类传感器的种类繁多,分类方法也不尽相同,一般常用的分类方法有两种:一种是按被测对象的参数分类;另一种是按传感器的变换原理分类。此外,还有其他的分类方法,如按传感器材料分类,按传感器本身是否能产生电动势分类和按输入、输出特性分类等。按被测对象的参数分类的传感器有：电压传感器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、液位传感器、力传感器、力矩传感器、流速传感器和振动传感器等。按变换原理分类的传感器有：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器、光栅式传感器、热电式传感器、红外传感器、光纤传感器、超声波传感器和激光传感器等。有时人们常把被测参数和变换原理结合在一起来称呼传感器，例如电阻式压力传感器、电容式液位传感器、压电式加速度传感器等。传感器的上述两种分类方式各有其优缺点。按被测对象的参数分类时实用性强，便于选用，但缺乏系统性。例如测温用的传感器有很多种，有利用热电变换原理的热电偶传感器，有利用光电变换原理的光电高温计等。按变换原理分类时，虽然传感器的用途和名称未明显标出，但却显示了传感器相互的本质区别，便于了解各种传感器的各自特点。1.电阻应变式传感器能将被测非电量（如位移、应变、温度、湿度等）的变化转换成导电材料的电阻变化的装置，称为电阻式传感器。在物理学中已阐明导电材料的电阻不仅与材料的类型、几何尺寸有关，还与温度、湿度和变形等因素有关。物理学同样指出过，不同导电材料，对同一非电物理量的敏感程度不同，甚至差别很大。因而，利用某种导电材料的电阻对某一非电物理量具有较强的敏感特性，就可制成测量该物理量的电阻式传感器。电阻式传感器种类很多，常用的有电阻应变式传感器、电位器传感器、热敏电阻传感器、气敏电阻传感器、光敏电阻传感器、磁敏电阻传感器等。2.电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再由转换电路（测量电路）转换为电压、电流或频率，以达到检测的目的。因此，凡是能引起电容量变化的有关非电量，均可用电容式传感器进行电测变换。电容式传感器不仅能测量呵重、位移、震动、角度、加速度等机械量，还能测量压力、液面、料面、成分含量等热工量。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好等一系列优点，在机电控制系统中占有十分重要的地位。3.电感式传感器电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。它的主要缺点是响应较慢，不宜与、于快速动态测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大，分辨率低，反之则高。电感式传感器种类很多，一般分为自感式和互感式两大类。人们习惯上讲电感式传感器通常指自感式传感器，而互感式传感器由于是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压器式传感器。4.压电式传感器压电式传感器是利用某些电介质材料具有压电效应现象制成的。有些电介质材料在一定方向上受到外力（压力或拉力）作用而变形时，在其表面上产生电荷；外力去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为“顺压电效应”简称压电效应。当然这种电介质材料也具有“逆压电效应”，即在相应表面上施加电压后，电介质材料会发生机械变形；去掉电压后，变形立即消失，它将电能转换成机械能。逆压电效应也称电致伸缩效应。压电式传感器只能利用顺压电效应制成。压电材料常用晶体材料，但自然界中多数晶体压电效应太微弱，没有实用价值，只有石英晶体和人工制造的压电陶瓷具有良好的压电效应。5.光电式传感器光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和子外波长。光电式传感器在机电控制系统中应用较多。6.热电偶传感器把两种不同金属导体接成闭合回路，如果两端温度不同（设TT0），则在回路中就会产生热电势。这种由于温度不同而产生电动势的现象，称为热电效应。若两端的温差越大，产生的热电势也越大。通常把上述两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极。两个接点中，一个为工作端（或称为热端）T，测温时将它置于被测温度场中；另一个叫自由端（或称为冷端）T0一般要求冷端恒定在某一温度。7.数字式传感器机电控制系统对检测技术提出了数字化、高精度、高效率和高可靠性等一系列要求。数字式传感器能满足这种要求。它具有很高的测量精度，易于实现系统的快速化、自动化和数字化，易于与微处理机配合，组成数控系统，在机械工业的生产和自动测量，在机电控制系统中得到广泛的应用。常用的数字式传感器，有码盘式转角数字编码器、光栅传感器、磁栅传感器和感应同步器等。5.1.3传感器的基本特性传感器能否不失真地反映被测量变化并转换成相应输出量变化，这取决于传感器的基本特性——静态特性和动态特性。所谓静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间关系。动态特性是指当被测量随时间变化时，传感器的输入与输出值之间的关系。1.静态特性衡量静态特性的性能指标是：线性度灵敏度分辨率或分辩力（逐一讲解）迟滞重复性（1）线性度（非线性误差）线性度是指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比，用表示，即maxL)(maxy1拟合直线的选取方法很多，可参阅有关书籍。本章主要采用理论直线作为拟合直线来说明传感器的线性度（见图5-1）。%100maxmax1yL(5-1)%100maxmax1yL(5-1)（2）灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化值（dy）与输入变化值（dx）之比，用K表示，即dxdyK（5-2）对于线性传感器，其灵敏度就是它的传递系数，亦即K=y/x。非线性传感器的灵敏度随其输入量的变化而变化，亦即它的传递系数为一变量（见图5-2）。例如，某位传感器，当位移变化1mm（输入信号变化量）时，输出电压变化为30mV(输出信号变化量)，则其灵敏度为30mV/mm。（3）分辨率和分辨力分辨率和分辨力都是用来表示传感器或仪表装置能够检测被测量最小量程的性能指标。前者是以最大量程的百分数来表示，是一个无量纲的比率值；后者是以最小量程的单位值来表示，是一个有量纲的量值。当被测量的变化值小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。（4）迟滞迟滞是指传感器正向特征和反向特征曲线的不重合程度。亦即对于同一大小的输入信号，传感器在正，反行程时的输出信号大小不等。迟滞γH的值通常由实验来确定。产生迟滞现象的主要原因是传感器的机械部分存在缺陷，如轴承磨损，有间隙，紧固件松动和材料内部分子间摩擦等。maxmax2yHH(5-3)可用下式表示：（5）重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向做全程连续多次变动时所得到的特征曲线的不一致程度，如图5-4所示。产生不一致的原因与产生迟滞现象的原因相同。多次重复测试的曲线越重合，说明该传感器的重复性越好，使用时的误差就越小。2．动态特性传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。但是，实际检测中大量被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，而且还需要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性.它与静态特性的主要区别是：动态特性中输出量与输入量的关系不是一个定值，而是时间的函数，它随输入信号的频率而改变。动态性好的传感器，随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律，即它们具有同一个时间函数。但是除了理想情况外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此将引起动态误差。5.1.4传感器的发展方向传感器是检验系统中的重要组成部分，它的精度，可靠性，稳定性，抗干扰性直接关系到机电控制系统的性能。因此，应不断的开发新的传感器以用于检测系统。（1）由于传感器都是利用材料的各种效应，特性等来实现非电量转化成电量，所以应采用新材料，新技术，新工艺及探讨新理论来发展传感器。（2）为了适应计算机对信息的处理，应发展数字式传感器，这样可省去模数转化成电路，而直接与计算机连接。(3)为了适应工业和实验中的非接触式检验需要，应使用声发射、激光，微波，红外等。（4）发展“传像技术”。随着科学的发展，不断要求传感“个别非电量”，而且要求传感被测源的全部信息（即传相）。这就要求传感器不但是小型和微型，而且应从单个发展到组合式（传感器阵列）形式，其中每个小传感器测出被测源一个“像素”，整体构成一个“图像传感”，并能在显示屏上显示等。（5）发展“仿生传感器”。生物体充满着大量有传感作用的细胞，如视觉，听觉，嗅觉，味觉，触觉冷热感觉等细胞，这些感觉细胞，将非电量转化成“生物电流”，有神经系统传到大脑进行处理，再发出各种控制命令。（6）传感器是属于敏感技术范畴之内，而敏感元件是基础元件，有了优良的敏感元件，才能有高性能的传感器，所以应优先开发新的领域和原理，生产出优良的敏感元件。5.2传感器的正确选用和使用5.2.1传感器的选用传感器的品种很多，对于同一种的被测物理量，可选不同的传感器。例如被测物理量是位移，可选用电阻应变式传感器，电容式传感器，电感式传感器，数字式传感器等等。当然，选用传感器时应考虑的因素很多，但选用时不一定能满足所要求，应根据被测参数的变化范围，传感器的性能指标，环境等要求选用，侧重点有所不同。通常，选用传感器应从以下几个方面考虑：测试条件主要包括测量目的，被测物理量特征，测量范围，输入信号最大值和频带宽度，测量精度要求，测量所需时间等。传感器性能主要包括精度，稳定性，响应速度，输出量（模拟量还是数字量），对被测物体产生负荷效应，校正周期，输入端保护等。使用条件主要包括设置长地的环境条件（温度，湿度，振动等），测量时间，所需功率容量，与其他设备的连接，备件与维修服务等。为了提高测量