材料加工设备与自动化第四章 传感器设计技术1.ppt

材料加工设备与自动化研究室Tel/Fax:01082316482/82338598,材料加工设备与自动化第三章检测与传感系统设计技术,第三章检测与传感系统设计技术,知识点传感器的组成和分类常见传感器及其工作原理检测数据的处理方法传感器信号的计算机检测技术本章导读传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。可以说，传感器对系统的功能起决定性的作用。机电一体化系统本质上是自动控制系统，其整个运行过程中都有各种物理量（如位移、压力、速度等）需要控制和监测。这就需要采用相应的传感器来对原始的各种参数进行精确而可靠的检测，否则，对系统的各种控制都是无法实现的。因此，能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。,3.1传感器的组成和分类传感器的组成,21世纪是现代信息技术的时代，现代信息技术的3大基础是：信息采集、信息传输和信息处理。信息采集就是通过传感器技术来实现的。传感器是一种将被测物理量（如位移、力、加速度等）以一定精度转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的部件或装置。通常传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成，如图。,第三章检测与传感系统设计技术,3.1传感器的组成和分类传感器的组成,第三章检测与传感系统设计技术,（1）敏感元件：直接感受被测物理量，并以确定对应关系输出某一物理量。如弹性元件将力转换为位移或应变输出。（2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、光强等）转换成电路参数（如电阻、电感、电容等）。（3）基本转换电路：将电路参数量转换成便于测量的电信号，如电压、电流、频率等。可见，传感器有两个功能：一是感受被测物理量；二是把感受到的被测物理量进行变换，变换成一种与被测物理量有确定函数关系的而且便于传输和处理的信号，一般是电信号。,3.1传感器的组成和分类传感器的分类,传感器品种繁杂，分类方法也很多。表3-1中列出了工程中常见传感器的分类方法、类型和示例。表中的前两种分类方法最常用。生产厂家和用户都习惯使用按被测物理量来分类，因其能明确体现传感器的用途。而按工作原理分类，则便于学习和研究。,第三章检测与传感系统设计技术,3.1传感器的组成和分类传感器的分类,1.按被测物理量分类这种分类方法把种类繁杂的被测量分为基本被测量和派生被测量两类。例如，力可视为基本被测量，从力可派生出压力、质量、应力和力矩等派生被测量。当需要测量这些物理量时，只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系，对于系统使用何种传感器是很有帮助的。常见的基本物理量和派生物理量如表3-2所示。这种分类方法的优点是明确表达了传感器的功能，便于使用者根据其用途选用。其缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理和分析方法。,第三章检测与传感系统设计技术,3.1传感器的组成和分类传感器的分类,2.按工作原理分类这种方法是以传感器的工作原理命名，如应变式、压电式、压阻式、热电式传感器等。按工作原理分类，有利于传感器专业工作者从原理、设计及应用上做归纳性的分析研究，也便于传感器使用者学习和研究。具体分类如表3-3所示。,第三章检测与传感系统设计技术,3.1传感器的组成和分类传感器的性能指标及选用原则,传感器是非电量测量的首要环节和关键部件。传感器质量的好坏，一般通过若干个主要性能指标来表示，如表3-4所示。,第三章检测与传感系统设计技术,3.1传感器的组成和分类传感器的性能指标及选用原则,传感器是非电量测量的首要环节和关键部件。传感器质量的好坏，一般通过若干个主要性能指标来表示，如表3-4所示。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理光电编码器,编码器是将机械传动的模拟量转换成旋转角度的数字信号，进行角位移检测的传感器。编码器的种类很多，根据检测原理，可分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。由于光电编码器具有非接触和体积小的优点，且分辨率很高，在旋转一周内能产生数百万个脉冲。因此，它是目前应用最为广泛的一种编码器。光电编码器是面向数控行业、电梯行业、自动控制行业配套的重要装备部件，也是产业升级的关键部件之一，是自动化的标志，应用领域非常广泛。光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理光电编码器,1.增量式光电编码器增量式光电编码器是采用圆光栅，通过光电转换，将轴旋转角位移转换成电脉冲信号，并利用光电方法，通过电路处理，将输入的机械量转换成相应的数字量。这种编码器具有精度高、结构紧凑、体积小、质量轻、启动力矩小和可靠性强等优点。增量式光电编码器由编码圆盘、指示标度盘、发光二极管、光敏三极管等组成，如图3-2所示。,第三章检测与传感系统设计技术,编码圆盘与旋转轴固定而一起旋转，指示标度盘与传感器外壳固定。编码盘上刻有等分的明暗相间的主信号窗口及一个零信号窗口。在指示表盘上有三个窗口，一个作为零信号窗口外；其余两个窗口，当一个窗口与编码圆盘窗口对准时，另一个窗口则与编码圆盘上的相应窗口相差90。,3.2常见传感器及其工作原理光电编码器,当发光二极管及光敏三极管接入电路、旋转轴转动时，出波形。将得到如图3-3所示的三组输出波形。应该注意的是，图3-3所示的输出波形是以旋转轴的角位移为横坐标画出来的，当轴静止在某一位置时，三相都是固定的输出。零信号Z旋转轴转动一周时仅输出一个脉冲，主要用于错误计数的检测和作为机械系统的原点使用。增量式光电编码器有A相、B相、用Z相三条光栅。A相与B相差90（互相垂直）。利用B相的上升沿触发器检测A相状态，以此判断旋转方向。Z相是原点信号。增量式光电编码器只需两个光电转换元件，结构简单，但需外加硬件计数器将增量值变为绝对值。增量式光电编码器是非接触式的，有寿命长、功耗低和耐振动等优点，故广泛应用于角度、距离、位置、转速等的检测。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理光电编码器,2.光电编码器的应用转速测量转速可由编码器发出的脉冲频率或周期来测量。利用脉冲频率测量是在给定的时间内对编码器发出的脉冲计数，然后由下式求出其转速（单位为r/min）。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理光栅尺,光栅尺或称光栅，是一种高精度的直线位移传感器。光栅是通过在玻璃或金属基体上均匀刻划很多等节距的线纹而制成的。光栅的种类很多，在玻璃表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称做透射光栅。在金属表面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称为反射光栅。也可把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。根据用途，光栅可分为测量直线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。光栅刻线为25条/mm、50条/mm、100条/mm和250条/mm，主要利用光的透射和反射现象。由于应用了莫尔条纹原理，因而所测得的位置精度相当高，分辨率很容易达到0.1m，最高分辨率可达到0.025m。另外，光栅的读数速率可高达每秒数十万次，非常适用于动态测量，因此在检测系统中得到了广泛的应用。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理光栅尺,1、光栅结构和原理光栅通常由一长一短两块光栅尺配套使用，其中长的一块称为主光栅或标尺光栅，短的一块称为指示光栅。标尺光栅和指示光栅都是由窄的矩形不透明的线纹和等宽的透明间隔线纹组成。图3-7所示两光栅相互平行放置，并保持一定的间隙（0.05mm或0.1mm）。光栅尺上均匀刻有很多条纹，从局部放大部分来看，白的部分为透光宽度，黑的部分为不透光宽度。通常情况下，光栅尺的不透光宽度和透光宽度（亦称黑白宽度）是一样的。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理光栅尺,1、光栅结构和原理光栅尺上相邻两条光栅线纹间的距离称为栅距或节距，每毫米长度上的线纹数称为线密度K，栅距与线密度互为倒数，即1/K。标尺光栅和指示光栅相距0.05mm0.1mm间隙，并且其线纹相互偏斜一个很小的角度，在光源的照射下，就形成了与光栅刻线几乎垂直的明暗相间的宽条纹，称为莫尔条纹。产生莫尔条纹的原因是由于光的干涉效应。在亮线附近，两块光栅尺的刻线相互重叠，光栅尺上的透光狭缝互不遮挡，透光性最强，形成亮带；在暗线附近，两块光栅尺的刻线互相错开，一块光栅尺的不透光部分恰好遮住另一光栅尺的透光部分，透光性最差，形成暗带。莫尔条纹的方向与光栅线纹方向大致垂直。两条莫尔条纹间的距离称为纹距W，则有近似几何关系：,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理光栅尺,2.莫尔条纹与参数间的关系光栅的莫尔条纹有如下特点：（1）起放大作用。因为角度非常小，所以莫尔条纹的纹距W要比光距大得多，如K=100条/MM，则=0.01MM，但如果调整角为0.002rad，则W=0.01mm/0.002rad=5mm。这样，虽然光栅栅距很小，但莫尔条纹却清晰可见，便于测量。(2)莫尔条纹的移动与栅距成正比。当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿着垂直于光栅运动的方向移动，并且光栅每移动一个栅距，莫尔条纹就准确地移动一个纹距，若光栅尺移动方向改变，莫尔条纹的移动方向也改变。两者移动方向及光栅夹角关系如表3-6所示。这样，莫尔条纹的位移恰好反映了光栅的栅距位移。即光栅尺每移动一个栅距，莫尔条纹的光强也经历了一个由亮到暗、由暗到亮的变化周期。（3）起均化误差的作用。莫尔条纹是由若干根纹线组成的，例如200条/mm的光栅,10mm长的一根莫尔条纹就由2000条纹线组成。这样，栅距之间的固有相邻误差就被平均化了。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理光栅尺,3.信号处理光栅尺输出的信号有两种：一种是正弦波信号，一种是方波信号。正弦波输出有电流型和电压型，对正弦波输出信号需经过差动放大、整形及倍频处理后得到脉冲信号。倍频可提高光栅的分辨精度，如5倍频、10倍频等。如原光栅线密度为50条/mm，经10倍频处理后，相当于将线密度提高到500条/mm。光栅尺除了增量式测量外，还有绝对式测量，输出二进制BCD子码或格雷码。另外，光栅除了有光栅尺外，还有圆光栅，用于角度位移测量。圆光栅的组成和工作原理同光栅尺类似，同样有增量式和绝对式测量。在最外一道信号的透光与不透光处，从外至内作为绝对编码器并进行若干编码，可根据读出的码盘编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理温度传感器,温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量，因此也叫做热电式传感器。温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。接触式是指传感器直接与被测物体接触，从而进行温度测量，这是温度测量的基本形式。这种方式的特点是通过接触方式把被测物体的热量传递给传感器，从而降低了被测物体的温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此，采用这种方式测量物体真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大且大于传感器。而非接触式是通过测量物体辐射发出的红外线测量物体的温度，因此可进行遥测，这是接触式无可比拟的。工业上常用的测温方法如表3-7所示。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理温度传感器,在各种工业测温方法中，热电偶、热电阻使用最为广泛。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理温度传感器,1、热电效应热电偶测温是基于热电效应的。在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们两个结点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常我们称这种电动势为热电势，这种现象就是热电效应，如图3-13所示为热电偶回路。回路中，把A、B两种导体的组合称为热电偶，A、B两种导体称为热电极，两个结点分别称为工作端（热端）、自由端（冷端），温度分别为T、T0。热电效应的本质是热电偶本身吸收了外部的热能，并转换内部为电能的一种物理现象。热电偶的热电动势由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成。接触电动势（又称珀尔电动势）是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势；温差电动势（又称汤姆逊电动势）是在同一导体中，由于两端温度不同而使导体内高温端的自由电子向低温端扩散形成的电动势。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理温度传感器,2、回路的主要性质（1）中间导体定律。在热电偶回路中接入第三种材料的导体C，只要第三种导体的两端温度相同，这一导体的引入就不会改变原来热电偶的热电动势大小。即,第三章检测与传感系统设计技术,其中C导体两端温度相同。从实用观点看，这个性质很重要。正是由于这个性质存在，才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等，而不必担心会对热电动势有影响，而且也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶。,3.2常见传感器及其工作原理温度传感器,2、回路的主要性质（2）标准电极定律。当工作端和自由端温度为T和T0时，用导体A和B组成热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势之代数和。即,第三章检测与传感系统设计技术,利用标准电极定律可以方便地从几个热电极与标准电极组成热电偶时所产生的热电动势中，求出这些热电极彼此任意组合时的热电动势，而不需要逐个进行测定。由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极。,3.2常见传感器及其工作原理温度传感器,3、热电偶的种类热电偶是目前应用广泛、发展比较完善的温度传感器，在很多方面都具备理想温度传感器的条件。根据热电偶的用途、结构和安装形式，热电偶可分为多种类型，这里仅介绍几种常用的热电偶。（1）标准化和非标准化热电偶。标准化热电偶的工艺比较成熟，应用广泛，性能优良稳定，能批量生产，同一型号可以互相调换和统一分度，并且有配套显示仪表。表3-8列出了几种常用标准化热电偶的测温范围及特点。非标准化热电偶在高温、低温、超低温、真空和核辐射等特殊环境中使用，具有良好的性能。这类热电偶无统一分度表。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理温度传感器,（2）普通型热电偶。这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸汽、液态气体和液体介质的温度。（3）铠装热电偶。铠装热电偶的外形像电缆，也称缆式热电偶，是由金属套管、绝缘材料和热电偶丝组合而成的特殊结构热电偶热电偶的套管外径最细能达0.25mm，长度可达100m以上。铠装热电偶具有体积小、精度高、响应速度快、可靠性好、抗振动、抗冲击、可扰性好、便于安装等优点，因此特别适用于复杂结构（如狭小弯曲管道内）的温度测最。使用时，可以根据需要截取一定长度，将一端护套剥去，露出热电极，焊成结点，即为热电偶。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2常见传感器及其工作原理温度传感器,4.热电偶的特点（1）温度测量范围宽。随着科学技术的发展，目前热电偶的品种繁多，可测量自-271至+1800甚至更高的温度。（2）性能稳定、准确可靠。在正确使用情况下，热电偶的性能稳定，精度高、测量准确可靠。（3）信号可以远传和记录。由于热电偶能将温度信号转换成电压信号，因此可以远距离传递，也可以集中检测和控制。此外，热电偶的结构简单，使用方便，其测量端能做得很小。因此，可以用来测量“点”的温度。又由于其热容量小，因此反应速度很