3.3 常见传感器原理及应用

第三章传感检测系统3.3常见传感器原理及应用电阻式传感器光电式传感器压电式传感器电感式传感器电容式传感器半导体式传感器热电偶式传感器3.3.1电阻式传感器Resistivetransducer电阻元件被测量电阻变化将被测量变化转换成电阻变化的传感器。位移、力、压力、加速度、扭矩等3.3.1.1电位器式传感器Potentiometrictransducer利用加激励的电阻体上可动触点位置的变化，将被测量变化转换成电压比变化的传感器。由电阻元件、电刷、骨架等组成。绕线式电位器线性线绕式电位器示意图Ui为工作电压，U0为RL两端的输出电压，x为线绕式电位器电刷移动长度，L为其总长度，对应于电刷移动量x的阻值为Rx。Rbcabx绕线式电位器的结构线绕式电位器电位器式传感器的应用航空飞行高度传感器在测量比较小的位移时，可将线位移变换成角位移。测小位移传感器示意图电位器式传感器的应用测小位移电位器式传感器的应用测加速度惯性质量块在被测加速度的作用下，使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移，从而引起电刷在电位器的电阻元件上滑动，输出一与加速度成比例的电压信号。电位器式加速度传感器示意图基于电位器的线性/角位移传感器模型若，则传感器可线性化；其中：是线性位移。将上式中的和换成角度值后，可以用于角度测量。LpRRmax()LLLVxVyyVyymaxy3.3.1.2应变式传感器电阻应变片被测量电阻变化电阻应变传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。任何非电量能转化为应变量应变片当受到外力时，导体变长变细，电阻增加，R-R+△R应变式传感器电阻应变传感器由弹性敏感元件、电阻应变片和测量电路组成。传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测量物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。常见电阻应变片（a）金属线（b）金属箔（c）半导体电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，常用的有丝式、箔式和半导体式。应变式电阻传感器的应用1.应变式力传感器FF应变式电阻传感器的应用电子天平的精度可达十万分之一。2.电子天平吊钩秤3.3.2电容式传感器Capacitivetransducer将被测量变化转换成电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。可以应用于位移、振动、角度、加速度等参数的测量中。电容传感器的理想公式为——极板间距离；——极板面积；——电容极板间介质的介电常数——相对介电常数——电容式传感器工作原理及结构形式，真空的介电常数。128.84510Fm0rdA1．变极距式电容传感器变极距式电容传感器原理动画演示设ε和A不变，初始状极距为d0时，电容器容量为C0。若动极板有位移，使极板间距离减小x，则电容则增大到cx。2．变面积式电容式传感器3．变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感器原理动画演示电容传感器的应用电容传感器声波测量动画演示1．声波测量电容式压力传感器结构图2．压力测量高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器外形图3．数字无损耗信号传输利用单晶硅谐振传感器，采用微电子表面加工技术，保证±0.2%的测量精度，可实现抵制静压、温飘对其影响。电容传感器加速度测量动画演示4．加速度测量硅微加工电容加速度传感器电容式硅微加速度传感器是一种重要的惯性传感器，是惯性测量组合系统的基础元件之一。它与传统的加速度计相比具有重量轻,成本低,功耗小,体积小等诸多优点。5．电容式指纹传感器3.3.3接近开关接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。接近开关外形接近开关外形（续）接近开关分类只对导磁物体起作用对接地的金属起作用只对导电良好的金属起作用对磁性物体起作用接近开关的特点接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便。缺点是触点容量较小、输出短路时易烧毁。3.3.4差动变压器•线圈和磁芯—完全线性—便宜—耐用—有“中心位置”•用于执行器—通常嵌入使用—低非线性—大位移LVDT结构示意图和电原理图LVDTLVDT是线性可变差动变压器(LinearVariableDifferentialTransformer)。LVDT位移传感器的工作原理简单地说是铁芯可动变压器。次级线圈1初级线圈次级线圈2铁芯（有色金属棒）两个次级线圈间的输出电压输入初级线圈的恒定交流电压从中心位置移动1.结构简单，工作可靠，寿命长，线性度好，重复性好，性能价格比高。2.精度：最高精度可达0.05%，一般为0.25%、0.5%。3.绝对误差：最高可达0.1µm。4.重复性：好，最高可达0.1µm。5.灵敏度：高，一般每mm位移输出为数百mv,最高可达几伏。6.分辨率：高，一般为0.1µm，最高可达10-4µm。7.测量范围：宽，±0.1mm～±500mm甚至更大。8.工作温度范围：大，一般为-55℃～+150℃可扩展到+300℃，传感器或变送器分为三级：商业级：0℃～+70℃工业级：-40℃～+85℃军级：-55℃～+125℃9.时间常数小，动态特性好，频带宽一般为200HZ（5ms）最高可500HZ（2ms）。LVDT特点5.体积小，价格低，性能价格比高。1.动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制。光栅、磁栅等测量速度一般为1.5m/s以内，只能用于静态测量。LVDT特点LVDT与光栅、磁栅等高精度测长仪器相比有以下几个优点：3.可以做成在特殊条件下工作的传感器，如耐高压，高温，耐辐射全密封在水下工作。4.可靠性非常好，能承受冲击1000g/11ms，振动：频率2000HZ，加速度20g。2.LVDT可在强磁场，大电流，潮湿，粉尘等恶劣环境下使用。编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。它通过光电原理或电磁原理将一个机械的几何位移量转换为电子信号（电子脉冲信号或者数据串）。这种电子信号通常需要连接到控制系统(e.g.PLC、高速计数模块、变频器等),控制系统经过计算便可以得到测量的数据，以便进行下一步工作。编码器一般应用于机械角度、速度、位置的测量。3.3.5编码器Coder编码器的分类（工作原理）增量编码器绝对值编码器一般用来测试速度与方向也可以用角度测量，但在掉电或电源出现故障时位置信息丢失传送在一转中每一步的唯一的位置信息位置信息一直可用,即使在掉电或电源出现故障时一般用于角度测量、往复运动编码器的一般特性编码器外形拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。（1）信号性质00000000122.50010451111337.5输出n位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。绝对式测量（ABS）（2）绝对式光电码盘基本原理LED光敏元件输出信号为一串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角，对脉冲进行计数N，就是对的累加，即，角位移＝N。如：＝0.352，脉冲N＝1000，则：＝0.352×1000＝352增量式测量（INC）（1）信号性质（2）增量式光电编码器的结构码盘光栏板LED零位标志（一转脉冲）光敏元件＝360°／条纹数＝360°／1024＝0.352°透光条纹（3）辨向90ABAB光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辨向。当码盘正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。（4）辨向信号ABABA超前于B90°，正向A滞后于B90°，反向（5）倍频（细分）/4细分前4细分后在现有编码器的条件下，通过细分技术能提高编码器的分辨力。细分前，编码器的分辨力只有一个分辨角的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于将原编码器的分辨力提高了3倍，测量分辨角是原来的1/4，提高了测量精度。（6）零标志（一转脉冲）一转（360）CC在码盘里圈，还有一条狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。（7）零标志在回参考点中的作用Z轴参考点X轴参考点Y轴参考点回参考点方式SINUMERIK数控系统工作方式开关（8）回参考点减速开关限位开关参考点减速开关滑块（9）回参考点示意图减速寻找零标志零标志找到参考点位置速度慢速快速行程碰到参考点减速开关播放3.3.6光栅式传感器光栅尺位移传感器GWC系列光栅位移传感器光栅位移传感器的结构原理图由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。光源：钨丝灯泡；半导体发光器件光电元件：光电池；光敏二极管光栅位移传感器的结构•如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。•莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，图中d－d线区所示。•图中f－f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。长光栅莫尔条纹播放动画莫尔条纹亮带暗带（1）莫尔条纹移动方向与两光栅相对移动方向垂直。（2）莫尔条纹有位移的放大作用。WB(1)莫尔条纹的移动方向：当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移动。查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。(2)位移的放大作用：当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两个等距光栅的栅间夹角θ较小时，主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大系数：莫尔条纹测位移具有三个特点1/WBK条纹间距与栅距的关系为：WB当θ角较小时，例如θ=30′，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。从而实现高灵敏的位移测量。(3)误差的平均效应：莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。动态测量范围广（0～1000mm）光栅位移传感器的应用测量精度高（分辨率为0.1μm）在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。容易实现系统的自动化和数字化可进行无接触测量3.3.7磁栅式传感器价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。磁栅优点磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。磁尺磁栅外观图磁头德国SIKO磁栅尺磁栅式传感器示意图磁栅式传感器的应用1．磁栅测量系统压板磁头磁尺数显3.3.8压电式传感器•电压和力•力和电压•瞬态测量•模型—电源—并联电阻—并联电容料斗无红外辐射电荷平衡有红外线电极两端有剩余电荷压电传感器的工作原理压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电式传感器主要用途：压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数（例如重量）的测量。当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就