大学精品课件：第三章传感器20110315

1、计算机测控技术,测控系统常用传感器,传感器概述,传感器的定义 把非电量或电量信号转换为标准电信号输出的装置；是测控系统获取原始信息的工具 获取和转换信息的工具： 信息：电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量、湿度、浓度、成分等,组成：敏感元件+转换元件 核心部件：敏感元件 一般把待测的非电量转换为易转换为电量的另一种非电量，在转换为电量 转换元件：将感受到的非电量直接变化为电量的器件（利用物理或化学效应） 特殊： 无敏感器件，不需预变换，如热敏电阻、光电器件 敏感元件和转换元件合并,主要技术指标 精确度（精度） 精密度+准确度 精确度等级A表示仪器测量结果的可靠程度 A-用百分比数值表示 y

2、-最大允许误差 YFS-仪器示值全程（测量的最大值,输入/输出特性 灵敏度（S）：稳态工作时输出增量对输入增量的比值（一般为线性关系，即S为恒定值） S=Y/ X 分辨率 数字表（数字表+传感器）较高，但还要考虑传感器精度,线性度 输入/输出曲线与某一规定的直线（斜率为S）不吻合的程度，称为非线性误差或线性度 在输出特性曲线与规定直线间，垂直方向上的最大偏差相对于最大输出的百分数，为非线性误差E,回滞 输入量在进程和回程时输入与输出关系特性不一致的程度 一般用同输入量时最大偏差相对于最大输出的百分数 量程：传感器测量信号的上、下限范围 稳定性 工作条件不变的情况下，传感器工作性能在规定时间内保

3、持不变的能力,动态特性 频响 传感器在保持其各项性能指标的情况下，工作的最高频率 稳定时间 指从输入信号阶跃变化起，到输出信号进入并不再超过对最终稳态值YS规定的允差区时的时间间隔 可靠性 对于规定条件，再规定时间内完成所要求功能的能力,传感器分类,按被测量信号的性质 机械量传感器 位移、力、速度、加速度、重量、集合尺寸 热工量传感器 温度、压力、流量、液位 化学量传感器 浓度、黏度、湿度、酸碱度、气体化学成分、液体化学成分 生物量传感器 测量表面探伤、材料内部的裂纹或缺陷、材质判别,按输出量的性质分类 参量型传感器：输出非源电参量（有时需要辅助电源） 电量型传感器：输出电量（电势或电流） 按

4、传感器的工作机理分类 机电型传感器：结构参量变化输出机械量或电量 固态型传感器：利用材料的特性随被测信号变化 按传感器的机电耦合特性分类 单向传感器：输入机械量和热工量输出电量，不可逆 双向传感器：输入电量，输出机械量或热工量 输入振动速度，输出对应电压,智能传感器,定义 敏感元件+信号调理电路+微处理器（微计算机） 功能 (1) 具有自校零、 自标定、 自校正功能； (2) 具有自动补偿功能； (3) 能够自动采集数据， 并对数据进行预处理； (4) 能够自动进行检验、 自选量程、 自寻故障； (5) 具有数据存储、记忆与信息处理功能； (6) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；

5、 (7) 具有判断、决策处理功能,传感器发展趋势,高性能 高可靠性 集成小型化 多维化 智能化 新型化,1、信息存储和传输通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益设置、补偿参数设置、内检参数设置、测试数据输出等 2、自补偿和计算功能温度漂移和输出非线性需要做大量的补偿工作。利用微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿，获得较精确的测量结果。 3、自检、自校、自诊断功能普通传感器需要定期检验和标定。 4、复合敏感功能能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。 美国加利弗尼亚大学：复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流

6、速、压力和密度。 美国EGB,B-;Z,Z-） HTL也称推拉式、推挽式输出 集电极开路（PNP、NPN） 信号接收设备接口应与编码器对应,编码器的信号线连接,编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。 A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。 A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传

7、输距离可达150米,增量式编码器,增量式编码器 直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相； A、B两组脉冲相位差90度，按精度输出脉冲； Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。 优点： 原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。 缺点 无法输出轴转动的绝对位置信息,绝对式编码器,直接输出数字量的传感器，利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换 有若干编码，根据读出码盘上的编码，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,原理 圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成， 码盘上的码道数

8、就是它的二进制数码的位数， 在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件； 当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数,特点 不要计数器，可以直接读出角度坐标的绝对值； 在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。 没有累积误差； 码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。 电源切除后位置信息不会丢失 分辨率是由二进制的位数来决定的，目前有10位、14、16位等多种,混合式绝对值编码器,输出 一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能； 一组则完全同增量式编码器的输出信息,典型传感器-旋转编码器

9、,旋转光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量。 体积小，精度高，工作可靠，接口数字化 应用 数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备,典型传感器-旋转编码器,旋转编码器是用来测量转速的装置。 单路输出和双路输出 单路输出：指旋转编码器的输出是一组脉冲 双路输出：输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向,双路输出工作原理： 当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差90度相位角，可测出光电编码器转动方向与电机转速。 如果A相脉

10、冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转。 Z线为零脉冲线，光电编码器每转一圈产生一个脉冲，主要用作计数。 A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向,使用注意事项,旋转编码器由精密器件构成，故当受到较大的冲击时，可能会损坏内部功能，使用上应充分注意 安装 ：安装时不要给轴施加直接的冲击 轴承寿命与使用条件有关，受轴承荷重的影响特别大。如轴承负荷比规定荷重小，可大大延长轴承寿命。 不要将旋转编码器进行拆解，这样做将有损防油和防滴性能。防滴型产品不宜长期浸在水、油中，表面有水、油时应擦拭干净。 振动 ： 加在旋转编码器上的振动，往往会成为误脉冲发生的原因。每转发生的脉冲数越多，旋

11、转槽圆盘的槽孔间隔越窄，越易受到振动的影响。 在低速旋转或停止时，加在轴或本体上的振动使旋转槽圆盘抖动，可能会发生误脉冲,配线和连接,配线注意： 配线应在电源OFF状态下进行，电源接通时，若输出线接触电源，则有时会损坏输出回路。 若配线错误，则有时会损坏内部回路，所以配线时应充分注意电源的极性等。 若和高压线、动力线并行配线，则有时会受到感应造成误动作成损坏，所以要分离开另行配线。 延长电线，应小于10m。并且由于电线的分布容量，波形的上升、下降时间会较长，有问题时，采用施密特回路等对波形进行整形。 为了避免感应噪声等，要尽量用最短距离配线。向集成电路输入时，特别需要注意。 电线延长时，因导体

12、电阻及线间电容的影响，波形的上升、下降时间加长，容易产生信号间的干扰（串音），因此应用电阻小、线间电容低的电线（双绞线、屏蔽线）。 对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米,位移测量-光栅尺,光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。 测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。 光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。 例：数控机床中对刀具和工件的坐标进行检测，观察和跟踪走刀误差，补偿刀具运动误差,按制造方法和光学原理分 透射光栅：玻璃光栅 反射光栅：钢带

13、光栅 结构 标尺光栅+光栅读数头 标尺光栅一般固定在活动部件上，光栅读数头装在固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。 光栅检测装置 光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。 根据读数头结构特点和使用场合分 直接接收式读数头(或称硅光电池读数头） 镜像式读数头 分光镜式读数头 金属光栅反射式读数头,工作原理,莫尔条纹 以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。 在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光

14、的累积作用该区域出现亮带。 距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带,这种明暗相间的条纹为“莫尔条纹,莫尔条纹-计算,莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度W。 W= /2* sin（/2）= / 。 莫尔条纹的变化规律 两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个宽度。 由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数 变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。 放大作用 在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅

15、栅距、栅线角之间有下列关系。：rad，W：mm。由于倾角很小，sin很小， 则 W= / 若 001mm，0.01rad 则上式可得W1，即光栅放大了100倍。 均化误差作用 莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差,光栅的检测与数据处理,光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分 光栅尺位移传感器系统多采用电子细分方法。 当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光

16、栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。 在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5m的计数脉冲 位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。 为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为/2 判向和计数脉冲

17、：对这两路信号进行整形 首先把它们整形为占空比为1：1的方波。 通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。 通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度,安装,一般将主尺安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。 安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。 读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定 尺身则应安装在相对机床运动的部件上（如滑板）。限位装置 限位装置 光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨

18、上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。 选择光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量,温度传感器,各种温度传感器原理，测量范围与优缺点 一、热电偶测温的应用原理 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方

19、便。 1热电偶测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的,2热电偶的种类及结构形成 （1）热电偶的种类 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶 我国从1988

20、年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 (2)热电偶的结构形式 为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。 3热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵 金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷 端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子

21、上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100,二、热电阻的应用原理 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 1热电阻测温原理及材料 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大

22、都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻,2热电阻的结构 （1）精通型热电阻 从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制 （2）铠装热电阻 铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体它的外径一般为28mm，最小可达mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装使用寿命长。 （3）端面热电阻 端

23、面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。 （4）隔爆型热电阻 隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于BlaB3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量,3热电阻测温系统的组成,热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点： 热电阻和显示仪表的分度号必须一致 为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法,三、各种温度

24、传感器的测量范围和优缺点,S 型热电偶： 铂铑10-铂热电偶 温度范围 01600 旧分度号 LB-3 优点 1.耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度。 3.耐氧化、耐腐浊性良好 3.可以做为标准使用。 缺点 1.热电动势值小。 2.在还元性气体环境较脆弱。(特别是氢、金属蒸气) 3.补偿导线误差大。 4.价格高昂,R 型热电偶： 铂铑13-铂 热电偶 温度范围 01600 优点 1.耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度。 3.耐氧化、耐腐浊性良好 3.可以做为标准使用。 缺点 1.热电动势值小。 2.在还元性气体环境较脆弱。(特别是氢、金属蒸气) 3.补偿导线误差大。 4.价格高

25、昂,B 型热电偶： 铂铑30-铂铑6 热电偶 温度范围 6001800 旧分度号 LL-2 自由端在050内可以不用补偿导线 优点 1.适用1000以上至1800。 2.在常温环境下热电动势非常小，不需补偿导线 3.耐氧化、耐腐浊性良好。 4.耐热性与机械强度较R型优良。 缺点 1.在中低温域之热电动势极小，600以下测定温度不准确。 2.热电动势值小。 3.热电动势之直线性不佳。 4.价格高昂,K 型热电偶： 镍铬-镍硅 热电偶 镍铬-镍铝 热电偶 温度范围 -2001300 优点 1.热电动势之直线性良好 2.1000以下耐氧化性良好。 3.在金属热电偶中安定性属良好。 缺点 1.不适用于还元性气体环境，特别是一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体。 2.热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大。 3.受短范围排序之影响会产生误差,N 型热电偶：