第4章检测技术与传感器-gai

1、第第4 4章章 检测技术与传感器检测技术与传感器 4.14.1 概述概述 一、一、 检测系统的组成检测系统的组成 1 1、传感器、传感器 功能：把各种非电量信息转换为电信号，传感器又称功能：把各种非电量信息转换为电信号，传感器又称 为为一次仪表一次仪表。传感器相当于人的五官部分（传感器相当于人的五官部分（“电五官电五官”） 2 2、电信号处理系统、电信号处理系统 功能：对转换后的电信号进行测量功能：对转换后的电信号进行测量, ,并进行放大、运算、并进行放大、运算、 转换、记录、指示、显示等处理，通常被转换、记录、指示、显示等处理，通常被称为二次仪表称为二次仪表。 非电量检测系统的结构形式如图非

2、电量检测系统的结构形式如图4-14-1所示。所示。 图图 4-1 非电量检测系统的结构形式非电量检测系统的结构形式 二、二、传感器的概念及基本特性传感器的概念及基本特性 （一）（一）传感器的概念：传感器的概念： 1 1、传感器的构成、传感器的构成 传感器一般由传感器一般由敏感元件敏感元件、转换元件转换元件和和基本转换电路基本转换电路三三 部分组成，如图部分组成，如图4-24-2所示。所示。 图图4-2 传感器的组成框图传感器的组成框图 （1 1）敏感元件敏感元件: : 是一种能够将被测量转换成易于测量是一种能够将被测量转换成易于测量 的物理量的预变换装置的物理量的预变换装置, ,其输入、输出间

3、具有确定的数学关其输入、输出间具有确定的数学关 系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应 变输出。变输出。 （2 2）转换元件转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成：将敏感元件输出的非电物理量转换成 电信号（如电阻、电感、电容等）形式。电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 （3 3）基本转换电路基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电：将电信号量转换成便于测量的电 量，如电压、电流、频率等。量，如电压、电流、频率等。 2 2、传感器的分类、传感器的分类 n 按能量变换的功能分：按能量变换的功能分： n 按输出的信号分：按输出的信

4、号分： 物理传感器物理传感器 化学传感器化学传感器 计数型（二次型计数型（二次型+计数型）计数型） 电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶,光电池）光电池） 电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容） 有接点型有接点型(微动开关，接触开关，微动开关，接触开关， 行程开关行程开关) 传感器传感器 电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片） 非电量型非电量型 二值型二值型 电量电量 无接点型无接点型(光电开关，接近开关光电开关，接近开关) 模拟型模拟型 数字型数字型 代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺） （二）传感器的基本特性（二）传感器的基本特性 1 1、传

5、感器的静态特性、传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传传感器的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的关系。传感器静态特性的主要感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要 技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 (1) (1) 线性度线性度 通常希望输出与输入特性（曲线）为线性，这对标定通常希望输出与输入特性（曲线）为线性，这对标定 和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近 线性，与理论直线有偏差。线性，与理论直线有偏差。 图图

6、4-3 传感器的线性度示意图传感器的线性度示意图 yFS 2 1 max 0 xFS 1实际曲线 2理想曲线 y x 传感器的线性度传感器的线性度是指传感器实际输出是指传感器实际输出输入特性曲输入特性曲 线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。 式中：式中： L线性度线性度( (非线性误差非线性误差) )； max最大非线性绝对误差；最大非线性绝对误差； yFS 输出满度值。输出满度值。 %100 max FS L y 线性度可用下式计算：线性度可用下式计算： 对于线性传感器来说对于线性传感器来说, ,它的灵敏度它的灵敏度S S0 0是个常数。是

7、个常数。 x y S 输入量的变化量 输出量的变化量 0 （2 2）灵敏度。）灵敏度。传感器在静态标准条件下传感器在静态标准条件下, ,输出变输出变 化对输入变化的比值称为灵敏度化对输入变化的比值称为灵敏度, ,用用S0表示表示, ,即即 (3)(3)迟滞迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）传感器在正（输入量增大）反（输入量减小） 行程中，输出行程中，输出输入特性曲线的不重合程度称为迟输入特性曲线的不重合程度称为迟 滞，迟滞误差一般以满量程输出滞，迟滞误差一般以满量程输出yFS FS的百分数表示 的百分数表示： 式中式中: Hm输出值在正、反行程间的最大差值。输出值在正、反行程间的最

8、大差值。 n 迟滞特性一般由实验方法确定，如图迟滞特性一般由实验方法确定，如图4-44-4所示。所示。 图图4-4 迟滞特性迟滞特性 yFS Hm 0 xFS y x (4)(4)重复性重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向 作全量程连续多次重复测量时，所得输出作全量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲输入曲 线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量 程输出的百分数表示，即程输出的百分数表示，即 100% FS m R y R 式中式中: : Rm最大重复性误差。最大重复性误差。 图图4-5 重复

9、特性重复特性 yFS 0 xFSx Rm1 y Rm2 （5 5）分辨力）分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在 输入零点附近的分辨力称为阈值。输入零点附近的分辨力称为阈值。 （6 6）漂移）漂移 由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传 感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂 移称为零点漂移。移称为零点漂移。 2 2、传感器的动态特性、传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表传感器能测量动态信号的能力用动态特性表 示。示。动态特性是指传感

10、器测量动态信号时，输出动态特性是指传感器测量动态信号时，输出 对输入的响应特性对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标。传感器动态特性的性能指标 可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定， 其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调 整时间、频率响应范围、临界频率等。整时间、频率响应范围、临界频率等。 三、信号处理与处理电路三、信号处理与处理电路 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主 要包括要包括: (1)传感器输出信号形式，是模拟信号还是数字信号，传感器输

11、出信号形式，是模拟信号还是数字信号， 电压还是电流。电压还是电流。 (2)传感器输出电路形式，是单端输出还是差动输出。传感器输出电路形式，是单端输出还是差动输出。 (3)传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻 抗大小。抗大小。 (4)传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率。传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率。 4.24.2 位移检测位移检测 位移测量是位移测量是线位移测量线位移测量和和角位移测量角位移测量的总称的总称 4. 2. 1模拟式位移传感器模拟式位移传感器 1.可变磁阻式电感传感器可变磁阻式电感传感器 可变磁阻式电感传感器的结构主要由线

12、圈、铁芯和活动衔铁可变磁阻式电感传感器的结构主要由线圈、铁芯和活动衔铁 所组成，结构如下图所示。所组成，结构如下图所示。 4. 2. 1模拟式位移传感器模拟式位移传感器 n当线圈通以激磁电流时，其自感当线圈通以激磁电流时，其自感L与磁路的总磁阻与磁路的总磁阻Rm有关，有关， 即即 式中，式中，W线圈匝数线圈匝数 n如果空气隙如果空气隙较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为 (4-5) (4-6) 4. 2. 1模拟式位移传感器模拟式位移传感器 n由于铁芯的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁由于铁芯的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁 芯的磁阻可

13、以忽略不计，故芯的磁阻可以忽略不计，故 n 将式将式(4一一7)代入式代入式(4-5)，得，得 (4-7) (4-8) n式式(4-8)表明，自感表明，自感L与空气隙与空气隙的大小成反比，的大小成反比， 与空气隙导磁截面积与空气隙导磁截面积A0成正比。当成正比。当A0固定不变，固定不变， 改变改变时，时，L与占呈非线性关系，此时传感器的灵与占呈非线性关系，此时传感器的灵 敏度敏度 4. 2. 1模拟式位移传感器模拟式位移传感器 4. 2. 1模拟式位移传感器模拟式位移传感器 2.涡流式传感器涡流式传感器 涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体

14、在交流磁场中的 涡电流效应。涡电流效应。 涡流式传感器可分为涡流式传感器可分为高频反射式高频反射式和和低频透射式低频透射式两种。两种。 3.互感型差动变压器式电感传感器互感型差动变压器式电感传感器 4. 2. 1模拟式位移传感器模拟式位移传感器 互感型电感传感器是利用互感互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的的变化来反映被测量的 变化。这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器变化。这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器 初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输 出，该电压随被测量的变化而变化。出，该电压随被

15、测量的变化而变化。 差动变压器式电感差动变压器式电感 传感器是常用的互传感器是常用的互 感型传感器，其结感型传感器，其结 构形式有多种，以构形式有多种，以 螺管形应用较为普螺管形应用较为普 遍，其结构及工作遍，其结构及工作 原理如图所示。原理如图所示。 3.互感型差动变压器式电感传感器互感型差动变压器式电感传感器 4. 2. 1模拟式位移传感器模拟式位移传感器 差动相敏检波电路的工作原理图。当没有信号输入时，铁芯处差动相敏检波电路的工作原理图。当没有信号输入时，铁芯处 于中间位置，调节电阻于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小，使零点残余电压减小;当有信号输入当有信号输入 时，铁芯移上或移

16、下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤 波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。 4. 2. 2 数字式位移传感器数字式位移传感器 1.光栅位移传感器光栅位移传感器 光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移机械位移或或 模拟量模拟量转变为转变为数字脉冲数字脉冲的测量装置。的测量装置。 特点特点: 测量精确度高测量精确度高(可达到可达到1 m) 响应速度快响应速度快 量程范围大量程范围大 可进行非接触测量可进行非接触测量 易于实现数字测

17、量和自动控制易于实现数字测量和自动控制 4. 2. 2 数字式位移传感器数字式位移传感器 1.光栅位移传感器光栅位移传感器 结构结构 组成：组成：标尺光栅标尺光栅 指示光栅指示光栅 光电器件光电器件 光源光源 标尺光栅和被测物体相连，随被标尺光栅和被测物体相连，随被 测物体的直线位移而产生位移。测物体的直线位移而产生位移。 一般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是一般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是 相同的，而刻线之间的距离相同的，而刻线之间的距离W称为称为栅距栅距。 4. 2. 2 数字式位移传感器数字式位移传感器 1.光栅位移传感器光栅位移传感器 如果把两块栅距如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，

18、且让它们的刻痕相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕 之间有较小的夹角之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相时，这时光栅上会出现若干条明暗相 间的条纹，这种条纹称间的条纹，这种条纹称莫尔条纹莫尔条纹。 4. 2. 2 数字式位移传感器数字式位移传感器 1.光栅位移传感器光栅位移传感器 莫尔条纹莫尔条纹是光栅非重合部是光栅非重合部 分光线透过而形成的亮带，分光线透过而形成的亮带， 它由一系列四棱形图案组它由一系列四棱形图案组 成，如图中的成，如图中的d-d线区所示。线区所示。 f-f线区则是由于光栅的遮线区则是由于光栅的遮 光效应形成的。光效应形成的。 特点特点 莫尔条纹的位移与光栅的移动

19、成比例。莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。 莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹具有位移放大作用。 莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。 4. 2. 2 数字式位移传感器数字式位移传感器 2.感应同步器感应同步器 感应同步器感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件， 有有直线直线和和圆盘圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。式两种，分别用作检测直线位移和转角。 直线感应同步器由直线感应同步器由定尺定尺和和滑尺滑尺两部分组成。两部分组成。 定尺较长，上面刻有均匀节距的绕组；定尺较长，上面刻有均匀节距的绕组； 滑尺

20、表面刻有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组。滑尺表面刻有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组。 圆盘式感应同步器，如图所示，圆盘式感应同步器，如图所示， 其转子相当于直线感应同步器的其转子相当于直线感应同步器的 滑尺，定子相当于定尺，而且定滑尺，定子相当于定尺，而且定 子绕组中的两个绕组也错开子绕组中的两个绕组也错开1/41/4 节距。节距。 4. 2. 2 数字式位移传感器数字式位移传感器 2.感应同步器感应同步器 4. 2. 2 数字式位移传感器数字式位移传感器 3.旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是一种利用旋转变压器是一种利用电磁感应原理电磁感应原理将转角变换为电压信号将转角变换为电压信号 的传感

21、器。的传感器。 特点：特点： 结构简单结构简单 动作灵敏动作灵敏 对环境无特殊要求对环境无特殊要求 输出信号大输出信号大 抗干扰好抗干扰好 旋转变压器由旋转变压器由定子定子和和转子转子组成。当从一定频率的激磁电压加于组成。当从一定频率的激磁电压加于 定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函 数关系，或在一定转角范围内与转角呈正比关系。前一种旋转数关系，或在一定转角范围内与转角呈正比关系。前一种旋转 变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量;后后 一种称为线性旋转变

22、压器，适用于小角位移的相对测量。一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。 4. 2. 2 数字式位移传感器数字式位移传感器 3.旋转变压器旋转变压器 正余弦变压器原理图正余弦变压器原理图 4. 2. 2 数字式位移传感器数字式位移传感器 4.光电编码器光电编码器 光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。 光电编码器光电编码器 增量式编码器增量式编码器 绝对式编码器绝对式编码器 结构简单、价格低、结构简单、价格低、 精度易于保证等优点精度易于保证等优点 结构复杂、成本高结构复杂、成本高 编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。编码盘有光电式、接触式和

23、电磁式三种。 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接 转换成相应代码的检测元件。转换成相应代码的检测元件。 4.34.3 速度、加速度检测速度、加速度检测 4.3.1直流测速机速度检测直流测速机速度检测 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直直 流发电机流发电机。 根据定子磁极激磁方根据定子磁极激磁方 式的不同：式的不同： 直流测速机直流测速机 电磁式电磁式 永磁式永磁式 以电枢的结构不同以电枢的结构不同： 直流测速机直流测速机 无槽电枢无槽电枢 有槽电枢有槽电枢 空心

24、杯电枢空心杯电枢 圆盘电枢圆盘电枢 4.34.3 速度、加速度检测速度、加速度检测 4.3.1直流测速机速度检测直流测速机速度检测 永磁式测速机原理电路图永磁式测速机原理电路图 恒定磁通恒定磁通由定子产生，当转子在磁由定子产生，当转子在磁 场中旋转时，电枢绕组中即产生交场中旋转时，电枢绕组中即产生交 变的电势，经换向器和电刷转换成变的电势，经换向器和电刷转换成 与转子速度成正比的直流电势。与转子速度成正比的直流电势。 直流测速机的输出特性曲线直流测速机的输出特性曲线 4.34.3 速度、加速度检测速度、加速度检测 4.3.2 光电式转速传感器光电式转速传感器 光电式转速传感器是一种角位移传感器

25、，由装在被测轴光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴(或与或与 被测轴相连接的输入轴被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和 指示缝隙盘组成。指示缝隙盘组成。 4.34.3 速度、加速度检测速度、加速度检测 4.3.3 加速度传感器加速度传感器 应变式传感器加速度测试应变式传感器加速度测试原理原理: 由由重块重块、悬臂梁悬臂梁、应变片应变片和和阻尼液阻尼液 体体等构成等构成 当有加速度时，重块受力，悬臂梁当有加速度时，重块受力，悬臂梁 弯曲，按梁上固定的应变片之变形弯曲，按梁上固定的应变片之变形 可测出力的大小，在已知质量的情可测出力的大

26、小，在已知质量的情 况下即可计算出被测加速度。壳体况下即可计算出被测加速度。壳体 内灌满的砧性液体作为阻尼之用。内灌满的砧性液体作为阻尼之用。 压电加速度测试传感器结构原理压电加速度测试传感器结构原理 4.34.3 速度、加速度检测速度、加速度检测 4.3.3 加速度传感器加速度传感器 图中图中1是质量块，当加速运动时质量是质量块，当加速运动时质量 块产生的惯性力加载在块产生的惯性力加载在2(压电材料切压电材料切 片片)上，上，3是电荷是电荷(或电势或电势)的输出端。的输出端。 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.1 力检测力检测 电阻应变片式力传感器的工作原理

27、是弹性敏感器元件测电阻应变片式力传感器的工作原理是弹性敏感器元件测 力转换为应变，然后通过粘贴在其表面的电阻应变片转换力转换为应变，然后通过粘贴在其表面的电阻应变片转换 成电阻值的变化，经过转换电路输出电压或电流信号。成电阻值的变化，经过转换电路输出电压或电流信号。 常见的弹性元件有柱形、简形、环形、梁式和轮辐式等。常见的弹性元件有柱形、简形、环形、梁式和轮辐式等。 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.1 力检测力检测 1.1.柱形或筒形弹性元件柱形或筒形弹性元件 应变片在柱形和筒形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法。应变片在柱形和筒形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法

28、。 这种接桥方法能这种接桥方法能减少偏心载荷引起的误差减少偏心载荷引起的误差，且能增加传感，且能增加传感 器的器的输出灵敏度输出灵敏度。 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.1 力检测力检测 若在弹性元件上施加一压力若在弹性元件上施加一压力P P，则简形弹性元件的轴，则简形弹性元件的轴 向应变向应变L L为为 用电阻应变仪测出的指示应变为用电阻应变仪测出的指示应变为 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.1 力检测力检测 2.2.梁式弹性元件梁式弹性元件 (1)(1)悬臂梁式弹性元件悬臂梁式弹性元件 特点：特点： 结构简单、容易结构

29、简单、容易 加工、粘贴应变加工、粘贴应变 片方便、灵敏度片方便、灵敏度 较高，适用于测较高，适用于测 量小载荷的传感量小载荷的传感 器中。器中。 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.1 力检测力检测 2.2.梁式弹性元件梁式弹性元件 若梁的自由端有一被测力若梁的自由端有一被测力P P，则应变片感受的应变为，则应变片感受的应变为 电桥输出为电桥输出为 式中式中，L应变计中心处距受力点距离应变计中心处距受力点距离； B悬臂梁宽度悬臂梁宽度； h悬臂梁厚度悬臂梁厚度； E悬臂梁材料的弹性模量悬臂梁材料的弹性模量； K应变计的灵敏系数应变计的灵敏系数。 4.44.4 力

30、、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.1 力检测力检测 2.2.梁式弹性元件梁式弹性元件 (2)(2)两端固定梁两端固定梁 它的悬臂梁它的悬臂梁刚度大刚度大，抗侧抗侧 向能力强向能力强。粘贴应变片感。粘贴应变片感 受应变与被测力受应变与被测力P P之间的之间的 关系为关系为 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.1 力检测力检测 2.2.梁式弹性元件梁式弹性元件 (3)(3)梁式剪切弹性元件梁式剪切弹性元件 与普通梁式弹性元件基与普通梁式弹性元件基 本相同，只是应变片粘本相同，只是应变片粘 贴位置不同。应变片受贴位置不同。应变片受 的应变只与梁所承受

31、的的应变只与梁所承受的 剪切力有关，而与弯曲剪切力有关，而与弯曲 应力无关。应力无关。 无论是拉伸还是压缩载荷，灵敏度相同，适用于同时无论是拉伸还是压缩载荷，灵敏度相同，适用于同时 测量拉力和压力的传感器。此外，它与梁式弹性元件测量拉力和压力的传感器。此外，它与梁式弹性元件 相比相比线性好线性好、抗偏心载荷抗偏心载荷和和侧向力的能力大侧向力的能力大。 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.1 力检测力检测 2.2.梁式弹性元件梁式弹性元件 (3)(3)梁式剪切弹性元件梁式剪切弹性元件 应变片一般粘贴在矩形截面梁中间盲孔的两侧，与梁的应变片一般粘贴在矩形截面梁中间盲

32、孔的两侧，与梁的 中性轴成中性轴成4545方向上。方向上。 粘贴应变片处的应变与被测力粘贴应变片处的应变与被测力P P之间的关系近似为之间的关系近似为 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.2 4.4.2 力矩测量力矩测量 机器人手腕用力矩传感器原理机器人手腕用力矩传感器原理 它是检测机器人终端环节它是检测机器人终端环节( (如小臂如小臂) )与手爪之间力矩的与手爪之间力矩的 传感器。传感器。 驱动轴驱动轴B B通过装有应变通过装有应变 片片A A的腕部与手部的腕部与手部C C连接。连接。 当驱动轴回转并带动手当驱动轴回转并带动手 部回转而拧紧螺丝钉部回转而拧紧螺

33、丝钉D D 时，手部所受力矩的大时，手部所受力矩的大 小可通过应变片电压的小可通过应变片电压的 输出测得。输出测得。 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.3 4.4.3 流体压强传感器流体压强传感器 电阻应变式流体压强传感器主要用于测量气体和液体电阻应变式流体压强传感器主要用于测量气体和液体 压强。测量压强的方法是借助压强。测量压强的方法是借助弹性元件弹性元件把压强变为压把压强变为压 力和应变再进行测量。力和应变再进行测量。 流体压强传感器流体压强传感器 膜式压力传感器膜式压力传感器 筒式压力传感器筒式压力传感器 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流

34、体压强检测 4.4.3.1 4.4.3.1 膜式压力传感器膜式压力传感器 它的弹性元件为四周它的弹性元件为四周 固定的等截面圆形薄固定的等截面圆形薄 板，又称平膜板或膜板，又称平膜板或膜 片，其一表面承受被片，其一表面承受被 测分布压力，另一侧测分布压力，另一侧 面贴有应变片或专用面贴有应变片或专用 的箔式应变花，并组的箔式应变花，并组 成电桥。成电桥。 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.3.1 4.4.3.1 膜式压力传感器膜式压力传感器 膜片在被测压力膜片在被测压力P作用下发生弹性变形，应变片在任作用下发生弹性变形，应变片在任 意半径意半径r r的径向应变

35、的径向应变r和切向应变和切向应变 t分别为分别为 式中，式中，r膜片任意半径；膜片任意半径； r0膜片有效工作半径。膜片有效工作半径。 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.3.2 4.4.3.2 筒式压力传感器筒式压力传感器 筒式压力传感器的弹性元件为薄壁圆筒，筒的底部较厚。筒式压力传感器的弹性元件为薄壁圆筒，筒的底部较厚。 弹性元件的弹性元件的特点特点：圆简受到被测压力后表面各处的应变：圆简受到被测压力后表面各处的应变 是相同的。是相同的。 应变片的粘贴位置对所测应变不影响应变片的粘贴位置对所测应变不影响 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强

36、检测 4.4.3.2 4.4.3.2 筒式压力传感器筒式压力传感器 对于薄壁圆对于薄壁圆筒筒( (壁厚与壁的中面曲率半径之比壁厚与壁的中面曲率半径之比1/201 /20)1 /20)则有则有 4.44.4 力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.4.3.3 4.4.3.3 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压阻式传感器核心部分是一圆形的硅膜片。压阻式传感器核心部分是一圆形的硅膜片。 在沿某晶向切割的在沿某晶向切割的N N型硅膜片型硅膜片 上扩散四个阻值相等的上扩散四个阻值相等的P P型电型电 阻，构成平衡电桥。硅膜片阻，构成平衡电桥。硅膜片 周边用硅杯固定，其下部是周边用硅杯固定，其

37、下部是 与被测系统相连的高压腔，与被测系统相连的高压腔， 上部为低压腔，通常与大气上部为低压腔，通常与大气 相通。相通。 在被测压力作用下，膜片产生应力和应变，在被测压力作用下，膜片产生应力和应变，P P型电阻产生压型电阻产生压 阻效应，其电阻发生相对变化。阻效应，其电阻发生相对变化。 4.54.5 其他传感器其他传感器 4.5.1 4.5.1 固态图像传感器（固态图像传感器（CCDCCD） 固态图像传感器固态图像传感器是采用是采用光电转换光电转换原理，将被测物体的原理，将被测物体的光像光像 转换为转换为电子图像信号电子图像信号输出的一种大规模集成电路光电元件，输出的一种大规模集成电路光电元件

38、， 常称常称电荷藕合器件电荷藕合器件( (简称简称CCD) )。 图像传感器图像传感器优点优点：体积小，析像度高，功耗小。：体积小，析像度高，功耗小。 应用应用：非接触的尺寸、形状、损伤的测量，：非接触的尺寸、形状、损伤的测量， 图像处理，图像处理， 自动控制等领域。自动控制等领域。 4.54.5 其他传感器其他传感器 4.5.2 4.5.2 激光检测激光检测 激光检测主要是利用激光的方向性、单色性、相干性以激光检测主要是利用激光的方向性、单色性、相干性以 及随时间、空间的可聚焦性的特点，所以无论在测量精及随时间、空间的可聚焦性的特点，所以无论在测量精 确度和测量范围上都具有明显的优越性。确度

39、和测量范围上都具有明显的优越性。 1 1、激光多普勒效应、激光多普勒效应 当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射( (或反射或反射) ) 光的频率将发生改变，这种现象称为光的频率将发生改变，这种现象称为多普勒效应多普勒效应。 4.54.5 其他传感器其他传感器 4.5.2 4.5.2 激光检测激光检测 2 2、应用、应用 组成激光测速系统的主要光学部件有组成激光测速系统的主要光学部件有激光光源激光光源，入射光系统入射光系统 和和收集光系统收集光系统等。等。 激光多普勒流速计由激光器发射出的单色平行光，经透镜聚激光多普勒流速计由激光器发射出的单色平行

40、光，经透镜聚 集到被测流体内。集到被测流体内。 4.54.5 其他传感器其他传感器 4.5.3 4.5.3 超声波检测超声波检测 超声波检测的基本原理是利用某些非声量的物理量超声波检测的基本原理是利用某些非声量的物理量( (如密如密 度、流量等度、流量等) )与描述超声波介质声学特性的超声量与描述超声波介质声学特性的超声量( (声速、声速、 衰减、声阻抗衰减、声阻抗) )之间存在着直接或间接的关系。之间存在着直接或间接的关系。 超声波检测多采用超声波源向被测介质发射超声波，然后接超声波检测多采用超声波源向被测介质发射超声波，然后接 收与被测介质相作用之后的超声波，从中得到所需信息。收与被测介质

41、相作用之后的超声波，从中得到所需信息。 4.64.6 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用 4.6.1 4.6.1 传感器的选择传感器的选择 测试要求和条件测试要求和条件 传感器的特性传感器的特性 使用条件使用条件 4.64.6 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用 4.6.2 4.6.2 传感器的正确使用传感器的正确使用 线性化处理与补偿线性化处理与补偿 传感器的标定传感器的标定 抗干扰措施：抗干扰措施： 屏蔽、接地、隔离、滤波屏蔽、接地、隔离、滤波 4.74.7 传感器前级信号处理传感器前级信号处理 传感器所感知、检测、转换和传递的信息表现形式为不传感器所感知、检测、转换和

42、传递的信息表现形式为不 同的电信号。传感器输出电信号的参量形式可分为同的电信号。传感器输出电信号的参量形式可分为电压输电压输 出出、电流输出电流输出、频率输出频率输出。 典型的传感器信号放大器：典型的传感器信号放大器： 测量放大器测量放大器 在检测技术应用场合，传感器输出的信号较在检测技术应用场合，传感器输出的信号较 弱，而且其中还包含工频、静电和电磁藕合弱，而且其中还包含工频、静电和电磁藕合 等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大 电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低 噪声和高输入阻抗。将具有这种特点的放大噪声和高

43、输入阻抗。将具有这种特点的放大 器称为器称为测量放大器或仪表放大器测量放大器或仪表放大器。 4.74.7 传感器前级信号处理传感器前级信号处理 典型的传感器信号放大器：典型的传感器信号放大器： 程控增益放大器程控增益放大器 在计算机自动测控系统，利用计算机软件控制的办法来在计算机自动测控系统，利用计算机软件控制的办法来 实现增益的自动变换，具有这种功能的放大器称为实现增益的自动变换，具有这种功能的放大器称为程控增益程控增益 放大器放大器。 隔离放大器隔离放大器 在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等 对测量回路的损坏，其信号输入通道采用

44、隔离技术，能完成对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能完成 这种任务，具有这种功能的放大器称为这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器隔离放大器。 4.84.8 传感器接口技术传感器接口技术 4.8.1 4.8.1 传感器信号的采样传感器信号的采样/ /保持保持 当输入信号频率提高时，由于当输入信号频率提高时，由于孔径时间孔径时间的存在，会的存在，会 造成较大的转换误差，为了防止这种误差的产生，造成较大的转换误差，为了防止这种误差的产生， 必须在必须在A/D转换之前将信号保持住，而在转换后能转换之前将信号保持住，而在转换后能 跟踪输入信号的变化，能完成这种功能的器件叫跟踪输入信号的变化，能完成这种功能的器件叫采采 样样/保持器保持器。 孔径时间孔径时间：在对模拟信号进行模数变换时，从启动：在对模拟信号进行模数变换时，从启动 变换到变换结束的数字量输出，所需要的时间。变换到变换结束的数字量输出，所需要的时间。 4.84.8 传感器接口技术传感器接口技术 4.8.1 4.8.1 传感器信号的采样传感器信号的采样/ /保持保持 1.采样采样/保持器原理保持器原理 采样阶段：采样阶段： 当当S接通时，输出信号跟踪输入信号。接通时，输出信号跟踪输入信号。 保持阶段：保持阶段： 当当S断开时