第1章 傳感器的特性

第1章檢測(cè)技術(shù)1.檢測(cè)技術(shù)概述2傳感器的組成及基本特性檢測(cè)技術(shù)概述：檢測(cè)技術(shù)是自動(dòng)化學(xué)科的重要組成部分，是以現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用為主要目的，圍繞參數(shù)測(cè)量和測(cè)量信號(hào)分析等信息獲取處理技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的綜合性學(xué)科。為了監(jiān)督和控制某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或運(yùn)動(dòng)對(duì)象的狀態(tài)，掌握其發(fā)展規(guī)律，使它們處于所選工況的最佳狀態(tài)或使該過(guò)程（對(duì)象）在我們的控制之中。就必須掌握他們特性的各種參數(shù)。這就要求我們檢測(cè)這些參數(shù)的大小、變化趨勢(shì)、變化速度等。通常，把含有檢查、測(cè)量和測(cè)試等比較寬廣意義的參數(shù)叫做檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)組建的系統(tǒng)或者裝置叫做測(cè)控系統(tǒng)或檢測(cè)裝置。檢測(cè)裝置是測(cè)控系統(tǒng)的最前端，通過(guò)獲取被測(cè)對(duì)象信號(hào)并進(jìn)行處理，然后將有用信息輸出給自動(dòng)控制系統(tǒng)或者操作者；這些參數(shù)的獲取需要以傳感器檢測(cè)作為基礎(chǔ)。為了測(cè)量各種微觀或宏觀的物理、化學(xué)或生物等參數(shù)量值；為了檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，為了進(jìn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞和控制，也需要傳感器檢測(cè)技術(shù)作為基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是微電子、計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的發(fā)展，以及新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，使得檢測(cè)技術(shù)在建立檢測(cè)理論的基礎(chǔ)上不斷向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。如何提高檢測(cè)裝置的分辨率、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性，研究新的檢測(cè)方向，開(kāi)發(fā)現(xiàn)代化的測(cè)控系統(tǒng)是本門課程研究的方向。測(cè)控系統(tǒng)的基本任務(wù)是獲取有用的信息，尤其是從干擾中提取出有用信息，這就需要利用傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行獲取。測(cè)控系統(tǒng)是采用專門的傳感器、測(cè)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)與信號(hào)處理及分析方法，由測(cè)的的信號(hào)求取與研究對(duì)象有關(guān)信息量值，并將結(jié)果輸出與顯示的過(guò)程。在現(xiàn)代化裝備和制造業(yè)中，檢測(cè)及測(cè)量測(cè)試的工作已經(jīng)占據(jù)首要位置。它是保證整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到性能指標(biāo)和正常工作的重要手段。在現(xiàn)今新的工業(yè)革命（第四次）即將到來(lái)，傳感器檢測(cè)技術(shù)顯得尤為重要2.傳感器的組成及分類

2.1傳感器的組成傳感器的定義（我國(guó)對(duì)傳感器的定義標(biāo)準(zhǔn)）是能夠感受和響應(yīng)規(guī)定的被測(cè)量（非電量或電量），并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成有用輸出的期間或裝置，特別是完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換。定義中包含了三部分：①傳感器是一個(gè)測(cè)量裝置，能夠完成檢測(cè)任務(wù)；②在規(guī)定的條件下感受被測(cè)量，如物理量，化學(xué)量或生物量；③按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成易傳輸?shù)碾娦盘?hào)。傳感器的組成，并無(wú)嚴(yán)格的規(guī)定。一般說(shuō)來(lái)，可以把傳感器看作由敏感元件（有時(shí)又稱為預(yù)變換器）和變換元件（有時(shí)又稱為變換器）兩部分組成，見(jiàn)圖1.1。圖1.1傳感器的一般組成1.敏感元件在具體實(shí)現(xiàn)非電量到電量間的變換時(shí)，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有的技術(shù)手段直接變換為電量，而必須進(jìn)行預(yù)變換，即先將待測(cè)的非電量變?yōu)橐子谵D(zhuǎn)換成電量的另一種非電量。這種能完成預(yù)變換的器件稱之為敏感元件。2.變換器能將感受到的非電量變換為電量的器件稱為變換器。例如，可以將位移量直接變換為電容、電阻及電感的電容變換器、電阻及電感變換器；能直接把溫度變換為電勢(shì)的熱電偶變換器。顯然，變換器是傳感器不可缺少的重要組成部分。在實(shí)際情況中,由于有一些敏感元件直接就可以輸出變換后的電信號(hào),而一些傳感器又不包括敏感元件在內(nèi),故常常無(wú)法將敏感元件與變換器嚴(yán)格加以區(qū)別。傳感器輸入信號(hào)主要是被測(cè)的物理量（如長(zhǎng)度、力）等時(shí),必然還會(huì)有一些難以避免的干擾信號(hào)（如溫度、電磁信號(hào)）等混入。嚴(yán)格地說(shuō),傳感器的輸出信號(hào)可能為上述各種輸入信號(hào)的復(fù)雜函數(shù)。就傳感器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),希望盡可能做到輸出信號(hào)僅僅是（或分別是）某一被測(cè)信號(hào)的確定性單值函數(shù),且最好呈線性關(guān)系。對(duì)使用者來(lái)說(shuō),則要選擇合適的傳感器及相應(yīng)的電路,保證整個(gè)測(cè)量設(shè)備的輸出信號(hào)能惟一、正確地反映某一被測(cè)量的大小,而對(duì)其它干擾信號(hào)能加以抑制或?qū)Σ涣加绊懩茉O(shè)法加以修正。傳感器可以做得很簡(jiǎn)單,也可以做得很復(fù)雜；可以是無(wú)源的網(wǎng)絡(luò),也可以是有源的系統(tǒng)；可以是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng),也可以是不帶反饋的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)；一般情況下只具有變換的功能,但也可能包含變換后信號(hào)的處理及傳輸電路甚至包括微處理器CPU。因此,傳感器的組成將隨不同情況而異。2.2傳感器的分類用于測(cè)量和控制的傳感器種類繁多，其分類方法很多,國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的分類方法。同一個(gè)被測(cè)量，可以用不同種類的傳感器，如溫度測(cè)量可以用熱電偶測(cè)量，可以用熱電阻測(cè)量，還可以用光纖傳感器測(cè)量等；同一原理的傳感器，又可以用于多種非電量測(cè)量。一般按如下幾種方法進(jìn)行分類。1.按輸入被測(cè)量分類這種方法是根據(jù)輸入物理量的性質(zhì)進(jìn)行分類。表1.1給出了傳感器輸入的基本被測(cè)量和由此派生的其它量。表1.1傳感器輸入被測(cè)量

2.按工作原理分類 這種分類方法以傳感器的工作原理作為分類依據(jù),見(jiàn)表1.2。表1.2傳感器按工作原理的分類3.按輸出信號(hào)形式分類這種分類方法是根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的不同來(lái)進(jìn)行分類,見(jiàn)表1.3。表1.3傳感器按輸出信號(hào)形式的分類論述題試述傳感器的作用、性能及分類（15分）1、傳感器在感受被測(cè)量變化的同時(shí)，將輸入的被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為與之成單值（或線性）函數(shù)關(guān)系的電量輸出，以便于用電測(cè)儀表測(cè)出非電量的大小。（1分）2、傳感器的性能及分析如下：1）觸點(diǎn)傳感器：觸點(diǎn)傳感器是把被測(cè)量直接或間接轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)的閉合或斷開(kāi)狀態(tài)的傳感器。它能把模擬量轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量，用于信號(hào)、保護(hù)、分組和多級(jí)測(cè)量系統(tǒng)中。（1分）2）干簧管傳感器：干簧管有兩種驅(qū)動(dòng)方式：一為永磁鐵，二為電磁線圈。前者多用于檢測(cè)，后者多用于控制。它可以應(yīng)用在行程測(cè)量、采樣控制盒巡回檢測(cè)系統(tǒng)中。（1分）3）電位傳感器：被測(cè)量的變化導(dǎo)致電位器阻值變化的元件成為電位傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，可靠性較高，輸出功率大燈優(yōu)點(diǎn)。（1分）4）電阻應(yīng)變傳感器：電阻應(yīng)變傳感器是將被測(cè)的應(yīng)力（壓力、荷重、扭力等）通過(guò)它所產(chǎn)生的金屬?gòu)椥宰冃无D(zhuǎn)換成電阻變化的檢測(cè)元件（1分）5)熱電阻傳感器：利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器稱為熱電阻傳感器?？捎糜跍囟葴y(cè)量與控制、溫度補(bǔ)償、穩(wěn)壓穩(wěn)幅、自動(dòng)增益調(diào)整、氣壓測(cè)定、氣體和液體分析、過(guò)載報(bào)警、過(guò)負(fù)荷保護(hù)和紅外探測(cè)等。（1分）6）氣敏電阻傳感器：將檢測(cè)到氣體（特別是可燃?xì)怏w）的成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器叫做氣敏電阻傳感器。它可檢測(cè)乙醚、乙醇、氫氣、一氧化碳以及碳鏈較長(zhǎng)的烷烴（如正乙烴）等。（1分）7）電感傳感器：將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的信號(hào)，在進(jìn)行放大的傳感器叫做電感傳感器。它可用來(lái)測(cè)量位移、壓力、振動(dòng)等參數(shù)。電感傳感器既可用于靜態(tài)測(cè)量、又可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。（1分）8）渦流傳感器：渦流傳感器可在金屬體上產(chǎn)生渦流，其滲透深度與傳感器線圈激勵(lì)電流的頻率有關(guān)，它分為高頻反射和低頻透射兩種。（1分）9）壓磁傳感器：壓磁傳感器是利用鐵磁材料的彈性效應(yīng)，將被測(cè)力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器?？捎脕?lái)測(cè)量軋鋼機(jī)的軋制力、鋼帶的張力、紙張的張力、切削力、卷?yè)P(yáng)機(jī)的定量自動(dòng)提升、自動(dòng)稱重等。（1分）10）電容傳感器：它用于位移、振動(dòng)、角度、加速度、壓力、料位、成分含量等地精密測(cè)量等。（1分）11）光電傳感器：光電傳感器使將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器。光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非接觸，高可靠性，高精度和反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。（1分）12）磁電傳感器：利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的原理而制成的檢測(cè)裝置叫做磁電傳感器。磁電傳感器靈敏度高，可用來(lái)測(cè)量振動(dòng)、加速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等參數(shù)，可也檢測(cè)熱處理后的零件硬度、滲層深度、淬硬層深度等。（1分）13）壓電傳感器：利用某些物質(zhì)具有壓電效應(yīng)的原理而制成的檢測(cè)裝置叫做壓電傳感器。主要用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)的力、壓力、加速度等。（1分）14）霍爾傳感器：霍爾傳感器應(yīng)用較為廣泛。（1分）霍爾傳感器：霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，從而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)的傳感器。霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、轉(zhuǎn)速等物理量的測(cè)量。角度式編碼器：角度式編碼器分為絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器。是測(cè)量角度位置和位移的最直接有效的方法。光柵傳感器：光柵傳感器主要用于長(zhǎng)度和角度的精密測(cè)量以及數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測(cè)等。在坐標(biāo)式測(cè)量?jī)x和數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。感應(yīng)同步器：主要用于測(cè)量位移以及與之相關(guān)的物理量。它具有測(cè)量精度高，受環(huán)境影響小，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)，工藝性好，成本低等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于大型機(jī)床和中型機(jī)床的定位、數(shù)控和數(shù)顯等。CCD傳感器：CCD固體圖像傳感