传感器技术及应用339

认识传感器任务1部署透明工厂信息采集系统

传感器概念及作用传感器是一种能把特定被测量的信息按一定规律转换成某种可用信号并输出的器件或装置，可以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

①它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能检测感受到的信息；②能按一定规律将被测的量转换成电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求；③传感器的输出与输入之间存在确定的关系。对传感器的要求：高精度；信号（或能量）无失真转换；反映被测的量的原始特征。（1）传感器概念传感器概念及作用

自动控制系统中，若将计算机比作人的大脑，那么传感器则可以比喻成人的感觉、感官，感受外部信息，将其转换为电信号，通信系统如同人的神经，传递信息，计算机CPU就像人的大脑处理信息，发出指令，最后通过执行机构如机械手、风扇、继电器等执行指令。（2）传感器作用传感器（感官）通信系统（神经）计算机CPU（大脑）执行机构（肢体）图1-1-5自动控制系统测量电路转换元件敏感元件被测物理量（重量、距离、速度、流量、浓度、温度等）非电量信号变形、位移、面积等电量信号R、C、L、Q电信号u、i、f图1-1-6传感器的组成框图传感器组成

由于传感器应用领域广泛且品种、规格繁多，因此传感器分类相当复杂，目前，传感器主要有4种分类方法，如表1-1-1所示。分类方法型式说明构成基本效应物理型、化学型、生物型以转换中的物理、化学效应等命名工作原理应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、光电式等以转换元件对信号的转换作用原理命名被测量位移、压力、温度，速度、气体、液位等传感器以被测名称命名能量关系能量转换型压电式、热电式（热电偶）、电磁式等传感器输出直接由被测量的能量转换而得，能量控制型电阻式、电容式、电感式等传感器输出的能量由外部电源供给，被测量仅对传感器中的能量起控制或调节作用输出信号模拟信号传感器的输出为模拟量数字信号传感器的输出为数字量表1-1-1传感器分类静态特性

（1）线性度线性度是传感器的输入、输出间成线性关系的程度。yy(a)理想直线x0(b)实际特性曲线x0图1-1-7线性度静态特性

（2）灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用S来表示。灵敏度△X——在稳态下传感器的输入变化量；△Y——在稳态下传感感的输出变化量。(a)线性测试系统yx0(b)非线性测试系统图1-1-8灵敏度yx0dxdy静态特性

（3）分辨力分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量的能力。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。只有当输入量的变化超过了分辨力的量值时，其输出才会发生变化。灵敏度（4）迟滞迟滞是指传感器正向特性与反向特性的不一致的程度。产生这种现象的原因是由敏感元件材料的物理性质缺陷造成，如；弹性元件的滞后，铁磁体、铁电体在外加磁场、电场也有这种现象。迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示为正、反行程输出值间的最大差值，从特性曲线上反映出正向特性与反向特性的曲线不重合。动态特性

（1）

响应速度响应速度是反映传感器动态特性的一项重要参数，是传感器在阶跃信号作用下的输出特性。它主要包括上升时间、峰值时间及响应时间等，它反映了传感器的稳定输出信号(在规定误差范围内)随输入信号变化的快慢。（2）频率响应频率响应是指传感器的输出特性曲线与输入信号的频率之间的关系，包括幅频特性和相频特性。在实际应用中，应根据输入信号的频率范围来确定适合的传感器。灵敏度确定传感器类型了解测量目的、被测量的特点，如被测量的状态、性质、测量范围、幅值与频带、测量的速度、精度要求等；同时要了解传感器使用条件，如现场的温度、湿度、电磁干扰、辐射、噪声、振动、冲击、尘污、光照、气压等环境因素的考验以及使用者的承受能力、合配套设施、技术水平等基础条件。确定线性范围和量程传感器线性范围是输出与输入成正比的范围，线性范围与量程和灵敏度密切相关，线性范围越宽，其量程就越大，在此范围内的灵敏度就能保持定值，规定的测量精度就能可到保障。权衡灵敏度和精度

通常在线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，意味着被测量微小的变化对应着有较大的输出，这有利于后续电路的信号处理。但是，灵敏度越高，外接混入传感器的噪声也越容易，因此，要兼顾两者关系，统筹选择。（a）工业机器人（b）运动机器人（c）服务机器人（d）医疗机器人图1-1-9各类机器人机器人具有与人类似的知觉功能和反应能力，通过安装在其内部和外部的传感器，能够准确感知如平衡、接近觉、身体摆动角度等自身状态，同时还可以感知操作对象周边环境的状态，传感器与机器人的结合传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥。目前，普通汽车上大约装有10-20只传感器，高级豪华轿车则更多，这些传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统中。不仅要控制发动机，而且要控制汽车全身，实现汽车的智能化。传感器与汽车自动控制相结合图1-1-10汽车中使用的部分传感器机械加工中用的最多的是数控机床。传感器和机械加工相结合

（a）数控机床

（b）脉冲编码器图1-1-11数控机床

智能巡检机器人可以在短时间内完成大范围、多参数、高可靠的巡检任务，大大变电站智能化运营水平，节省了大量劳动力。传感技术和电力自动化结合图1-1-12智能巡检机器人通过传感器测量土壤的成分以确定土壤应施肥的种类和数量；在植物的生长过程中，利用传感器来监测农作物的成熟程度，以便适时采摘和收获；利用气敏传感器进行植物生长的人工环境监控，以促进光合作用；在蔬菜种植环境的监测中，利用传感器进行灭鼠、灭虫等；还可以利用传感器自动控制农田水利灌溉。传感器与农业相结合图1-1-13塑料大棚家用电器与传感器的完美结合，促进了智能家居的迅速发展。传感器与家用电器结合图1-1-14智能家居系统（1）新材料的开发与应用

传感器的制造材料和制造工艺是提升传感器性能和质量的关键。半导体材料在敏感技术中占有较大的优势，半导体传感器不仅灵敏度高，响应速度快，体积小，质量轻，且便于实现集成化，在今后的一个时期仍会占据主导地位。（2）新制造技术的应用借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、静电封接技术、全固态封接技术，纳米技术的发展，为传感器提供了优良的敏感材料，纳米技术中的关键技术STM，研究对象向纳米尺度过渡的MEMS技术等。推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。（3）新型传感器的开发随着人们的自然认识的深化，会不断发现一些新的物理效应、化学效应、生物效应。利用这些新的效应可开发出相应的新型传感器，从而为提高传感器的性能，拓展传感器的应用范围提供了新的动力。（4）传感器的集成化、微型化利用集成技术，将敏感元件、测量电路、放大电路、补偿电路、运算电路等多个功能模块集中到同一芯片上，从而使传感器具有了体积小、质量轻、生产自动化程度高、制造成本低、稳定性和可靠性高、电路设计简单、安装调试时间短等优点。（5）传感器的智能化传感器的智能化是指传感器和微处理器结合，使得传感器具有信息处理，逻辑判断，自我诊断和信息处理的功能。将传感器与计算机的功能集成于同一芯片上就成为智能传感器，其特点是具有自补偿、自诊断、自校正及数据的自存储和分析等功能。（6）仿生学的应用仿生学的发展也促进了传感器的发展，无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等可组成触觉传感器。新材料的开发与应用传感器的制造材料和制造工艺是提升传感器性能和质量的关键。半导体材料在敏感技术中占有较大的优势，半导体传感器不仅灵敏度高，响应速度快，体积小，质量轻，且便于实现集成化，在今后的一个时期仍会占据主导地位。ThANKS!传感器技术应用任务1部署透明工厂信息采集系统传感器技术及应用活动一装调透明工厂自动定量分选系统传感器技术及应用定量分选系统自动化生产线的诞生，使得制造企业的产量翻升，人工成本降低，有效地解决机械化作业的品质问题。在食品、五金、化妆品、药品等超欠重检测、配件缺漏检测、重量分级等生产中，通常采用漏斗秤、包装秤、平台秤、皮带秤等来测定和控制物料重量，定量分选产品。图1-1-3定量分选系统定量分选系统工作过程为保证在称重工作过程中，秤台上只有一件产品，需要根据被测产品的间距和所要求的速度来决定传送带转动速度。当被检测产品从进料输送区域进入称重区域，被测产品挡住发向光电传感器的光源，系统根据光电开关信号，判断待检测产品是否进入称重区域和离开称重区域。当产品进入秤台后，称重传感器在重力的作用下发生形变,促使其电阻值发生变化，将信号送至处理/显示装置；处理器对重量信号进行放大处理和显示出来。处理器将产品质量与预先设定的重量范围进行比较；如果产品重量超过预先设置的上下限数值,处理器将输出一个剔除指令给剔除区域上的剔除装置，启动气缸，将不合格的产品从剔除区域移出，落入不合格品储存区域，当待测物料重量与预定重量相等时，认为是合格产品，进入合格品储存区域。在整个系统中，称重传感器是影响定量分选系统测量精度的最为关键部件。称重传感器安装在定量分选系统的底部，通常选用应变式电阻传感器。定量分选系统中传感器的使用悬梁臂（敏感元件）应变片（转换元件）图1-1-4应变式电阻传感器物料重量信息是由安装在定量分选系统里的应变式电阻传感器来采集的，将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上就构成了应变式电阻传感器。弹性敏感元件由于重量的作用导致其变形，使贴在它上面的应变片也随之发生变形，变形量通过电阻应变片转换为电阻值的变化，由测量电路将电阻值变换成电压或电流信号输出，完成对产品重量的采集过程。应变式电阻传感器弹性敏感元件应变片桥式电路重量、速度位移、液位等变形电阻阻值变化∆R电压、电流输出

图1-1-15应变式电阻传感器（1）弹性敏感元件弹性敏感元件是直接感受到物体重量的敏感元件。所谓弹性元件，即被测物品重量越大，它变形的幅度就越大，一旦物体拿走后，没有了外力作用，它又能恢复成原来状态。应变式电阻传感器工作原理图1-1-16几种常见的弹性敏感元件（a）力敏感元件（b）压力敏感元件（2）电阻应变片电阻应变片粘连在弹性敏感元件上，它将随着弹性敏感元件的变形而变形，使其电阻值也随之变化。图1-1-17电阻应变片结构应变式电阻传感器工作原理（b）金属丝应变片结构（c）半导体应变片结构（a）应变片实物图①金属应变片金属电阻应变片的工作原理是利用金属丝的“应变效应”，金属导体在外力F的作用下发生机械变形，其电阻值随着机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化，这种现象称为金属的应变效应。现有一根长度为l，截面积为A，电阻率为ρ的金属丝，金属丝的电阻值可以表示为：应变式电阻传感器工作原理l∆l∆rrFFR为金属丝的电阻（Ω）;ρ为金属丝的电阻率（Ω·mm2/m）；l为金属丝的长度（m）；S为金属丝的截面积（mm2）。②半导体应变片半导体应变片是利用了硅半导体材料的压阻效应。如果半导体材料沿某一轴向受到应力作用，半导体中的载流子迁移率便会发生变化，从而导致其电阻率发生变化。这种由外力引起半导体材料电阻率发生变化的现象称为半导体的压阻效应。应变式电阻传感器工作原理FF硅片内引线载流子外引线图1-1-20半导体压阻效应应变式电阻传感器工作原理应变片类型金属应变片半导体应变片工作原理应变效应外部的机械形变引起电阻值的变化压阻效应半导体内部载流子的迁移引起电阻的变化性能特点丝式结构简单、强度高，但允许通过的电流较小，测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用体积小，灵敏度高（通常比金属应变片的灵敏度高50～70倍），横向效应小，响应频率很宽，输出幅度大，受温度影响大箔式面积大、易散热，允许通过较大的电流，灵敏度系数较高，抗疲劳好，寿命长，适于大批量生产，易于小型化使用场合可以测力、压力、位移、加速度适用于力矩计、半导体话筒、压力传感器表1-1-2两种应变片性能比较应变式电阻传感器测量电路（1）电桥电路电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，把应变信号转换成电阻后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变片的电阻变化转换成电压或电流的变化，在应用中一般采用电桥电路实现这种转换。

（a）直流电桥电路（b）交流电桥电路图1-1-22电桥电路（2）应变片基本接线方法根据应变片接入的多少，电桥电路可分为只有一个应变片接入的单臂桥式电路、两个应变片接入的双臂桥式电路和四个应变片接入的全桥电路3种基本接入方式。应变式电阻传感器测量电路R4R3R2R1EU0R4R3R2R1EU0CR4R3R2R1EU0

(a)单臂(1/4桥)(b)双臂(1/2桥)(c)全桥（2）应变片基本接线方法应变式电阻传感器测量电路

（a）柱状弹性元件（b）电路图图1-1-248块应变片桥式电路（3）实用电路通常在基本电路之上加调零电路，以减小测量误差。如图1-1-25所示。应变式电阻传感器测量电路CR4R3R2R1EU0RW+-+液晶电压表图1-1-25应变式电阻传感器实用电路（1）电子衡电子衡称重系统由载体、框架、称重传感器、连接件、接线盒、称重显示、坡度引导、大屏幕显示、打印机等装置组成。应变式电阻传感器应用称重传感器大型显示屏坡度引导微机管理系统称重显示仪表框架载体接线盒（a）电子衡称重系统（1）电子衡（b）电子衡构成地感线圈电子衡光电传感器摄像头重量显示器指示灯应变式电阻传感器应用（1）电子衡将汽车定位在电子衡上需要光电传感器、地感线圈、指示灯等。光电传感器采用对射式安装，一旦汽车驰过光电传感器，传感器将发出信号，将信号送入电脑中，指示灯点亮，说明汽车进入电子衡，开始称重，称重完毕后，显示器显示汽车重量，摄像机拍摄汽车进入电子衡的影像信息。当汽车离开电子衡时，将穿过第二个光电传感器，同时被安装在地面下方的地感线圈检测，摄像机拍摄汽车离开的影像信息，表明汽车离开电子衡。应变片R1应变片R2（c）称重传感器图1-1-26电子汽车衡应变式电阻传感器应用（2）电子吊秤电子吊秤是对被称重物处于悬吊状态下，进行在线称重的计量器具。一般由称重传感器、机械承力机构、称重显示仪表等组成。

（a）起重机（b）电子吊秤组成应变式电阻传感器应用（2）电子吊秤通过使用应变式电阻传感器用来测量伸缩臂重量情况，由显示仪表显示出重量。如图1-1-27所示。S形称重传感器一般安装在动滑轮轴的下部与吊钩之间，可以承担被测物体的全部重量。

（c）电子吊秤（d）S形弹性敏感元件图1-1-27电子吊秤上的应变式电阻传感器应变式电阻传感器应用（3）料罐称重系统料罐称重系统是一种用于工农业（如水泥、钢铁、玻璃、煤矿、制药、饲料等行业）自动化称重配料设备的控制系统，通过调配、配料的称重，实现进料、排料全自动控制,能提高生产效率，为生产节省大量的人工成本，为生产企业带来可持续性的效益。（a）称重模块应变式电阻传感器应用（3）料罐称重系统通过在料罐的支脚上安装称重模块来采集料罐的重量信号。

（b）称重模块安装位置（c）测试现场应变式电阻传感器应用（3）料罐称重系统称重传感器将重量信号转换为电阻的变化之后，通过测量电路转换为电压信号送入接线盒中，接线盒将多个称重模块的数据传送到仪表里。（d）系统示意图应变式电阻传感器应用（4）投入式液位计液位计是将半导体应变片倒置安装在不锈钢壳体内，使用时液位计投入到被测液体中。传感器的高压侧进气口（由不锈钢隔离膜片及硅油隔离）与液体相通，低压侧进气口通过一根橡胶“背压管”与大气相通，传感器的信号线、电源线也通过该“背压管”与外界的仪器接口连接，那么可以得到液位深度为：

液位深度:P2为高压侧所受到的压力，P1为低压侧位的大气压，ρ为被测液体密度，g为当地重力加速度，这样通过测量压力P2，可以得到液位深度。应变式电阻传感器应用（5）压阻式加速度传感器质量块固定在硅悬臂梁的一端，作为自由端，而悬臂梁的另一端固定在传感器基座上，作为固定端，硅悬梁臂为敏感元件，在其根部上下表面扩散制作4个半导体应变片组成桥式电路，质量块和悬臂梁的周围填充硅油等阻尼液，用以产生必要的阻尼力。质量块的两边是限位块，它们的作用是保护传感器在过载时不致损坏。硅悬梁臂半导体应变片质量块（自由端）基座（固定端）限位块限位块（a）实物照片

（b）结构示意图图1-1-30压阻式加速度传感器应变式电阻传感器应用

本活动所装调的系统是模拟透明工厂物料定量分装情景，定量分装系统构成如图1-1-31所示。物料通过输送带传输，传经安装在输送带两边的光源和光电传感器，物料挡住光源，使得对面的光电传感器未能接受到光源发出的光信号，光电传感器将这一变化送至控制模块，控制模块发出输送带停止运行指令，输送带停止运行，分选推送器1将物料推送至称重台，称重台称取物料重量。若物料没有达到设定的重量，输送带继续传送物料，称重台继续称重，直到称台上所累计的物料达到设定重量的时候，安装在称重台旁边的分选推送器将所有在称重台上的物料推送到物料箱，完成一次分装过程监控路口汽车闯红灯情景。定量分选系统构成（a）鸟瞰图（b）俯视图图1-1-31定量分装系统构成HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，如图1-1-32所示。称重台工作原理（a）引脚图（b）内部方框图图1-1-32HX711集成电路

由悬梁臂和黏贴在悬梁臂的四个应变式电阻传感器检测称重台上被测物料的重量，桥式电路将电阻变化信号转换为电压信号送到HX711的A通道；由于桥式传感器输出的信号较小，可编程增益放大器将模拟电压信号放大，经过24位模数转换电路，将模拟信号转变为数字信号，通过数字接口电路输出。输出的信号连接到MCU单片机集成电路，由MCU进行信号处理、重量显示和控制声光报警器报警。称重台工作原理图1-1-33称重台电路（1）检测元件装调定量分选系统定量分装系统元件清单如表1-1-4所示，将表中套件清点后，测试相关元件性能是否正常。序号名称型号/规格数量1称重台电路板及元件

1套2应变式电阻传感器，带悬梁臂YZC131/1Kg1套3高精度24位A/D转换集成电路HX711/24bit1个4OLED液晶显示模块SSD1306/0.96'128641块5声光报警器22sm/12V1个6控制模块ATMEGA25601块7继电器松乐SRD/12V1个8红外光电传感器抗日光型/5V1套9输送带套件GH-S-601套10PWM调速器12V2KHz1个11电机驱动模块

1个12分选推送器GH-902个13电源12V/5V30W1个14物料箱2个15测试物料块5g10块16称量台

1套17称重台底座

1个18万用表

1块19示波器

1台20导线

若干表1-1-4元件清单（1）检测元件装调定量分选系统①检测称重台套件中电阻、电容元件；②测量应变式电阻传感器；应变式电阻传感器已经黏贴在悬梁臂上，每个传感器阻值大致在350Ω左右，使用万用表欧姆档测量桥式电路两对引线的阻值。③检测继电器使用万用表欧姆档检测继电器通断情况。（2）装调系统（2）装调系统①装配称重电路板步骤一：将称重电路板套件按照工作页所提供的装配图进行焊接、装配。步骤二：将称重电路板与控制模块和声光报警器连接起来。②搭建系统步骤一：搭建由应变式电阻传感器和称重平台构成的物料称重台。应变式电阻传感器共有4根连线，红色为电源正极，黑色为电源负极，绿色为输出正极，白色为输出负极，将应变式电阻传感器安装到称重台底座上，连接电源和称重电路板。步骤二：搭建由PWM调速器、电机驱动模块、直流减速电机、同步带、轮和传输带、传输带支架构成的传输带系统；步骤三：安装分拣推送器和红外传感器，分拣推送器可以解决物料分量包装问题；步骤四：连接应变式电阻传感器、分拣推送器和输送电机驱动。装调定量分选系统（2）装调系统（2）装调系统①装配称重电路板步骤一：将称重电路板套件按照工作页所提供的装配图进行焊接、装配。步骤二：将称重电路板与控制模块和声光报警器连接起来。②搭建系统步骤一：搭建由应变式电阻传感器和称重平台构成的物料称重台。应变式电阻传感器共有4根连线，红色为电源正极，黑色为电源负极，绿色为输出正极，白色为输出负极，将应变式电阻传感器安装到称重台底座上，连接电源和称重电路板。步骤二：搭建由PWM调速器、电机驱动模块、直流减速电机、同步带、轮和传输带、传输带支架构成的传输带系统；步骤三：安装分拣推送器和红外传感器，分拣推送器可以解决物料分量包装问题；步骤四：连接应变式电阻传感器、分拣推送器和输送电机驱动。装调定量分选系统（2）装调系统（2）装调系统③调试系统步骤一：将项目拨码开关设置为1，活动拨码开关设置为1，设置分拣定量、设置分拣速度、设定分拣位置等操作；步骤二：调试红外计数与分拣推送器的距离以及传输带的速度配合；调试传输带的方向、速度；步骤三：调零。接入5V电源，在测量物品重量之前需要先进行调零检测，调节电路板上的电位器，使得显示器显示为0。步骤四：检测重量。使用万用表观测不同物料重量所对应的应变式电阻传感器电压变化，将测量值填入表1-1-5中。表1-1-5定量分选系统测量数据表④注意事项（a）不要按压传感器白色覆胶部分，以免造成传感器损坏;（b）安装应变式电阻传感器引线时，注意接线颜色;（c）不要用手按压称重台，以免因加在称重台上的力量过大而损坏传感器。装调定量分选系统序号物件重量(g)电压(mv)显示器显示

③活动总结

本活动以装调定量分装系统为目标，在任务描述部分对系统的作用、组成结构进行了简单描述；对系统中称重传感器的安装方法和基于应变式电阻传感器的称重与分装过程进行了介绍。

围绕着任务的要求，本活动通过收集应变式电阻传感器信息，对该传感器的组成、结构、工作原理、测量电路以及它在其它方面应用进行了详细介绍。电阻应变片分为金属应变片和半导体应变片。金属导体在外力作用下发生机械变形，电阻值随着机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化，这种现象称为金属的应变效应，而由外力引起半导体材料电阻率发生变化的现象称为半导体的压阻效应。由于应变片应变量及其应变电阻变化很小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用测量电路，把应变片的电阻变化转换成电压或电流的变化。

由于应变式电阻传感器应用广泛，在信息收集时，还收集了颇有代表性的其它五个应用。

本活动的装调采用模块搭接的方式，模拟工厂内的定量分装系统，内容涉及到称重传感器的工作原理及装调部分的元件检测、系统装调、调试以及注意事项等，相信，通过该活动的信息采集，为任务的顺利完成奠定了很好的基础。ThANKS!传感器技术应用任务1部署透明工厂信息采集系统传感器技术及应用活动二装调透明工厂分拣系统传感器技术及应用定量分拣系统

在工厂分拣系统中，需要对生产线传送的物料进行分拣操作，而从物料中分拣出金属和非金属是其中操作量最大的，分拣系统如图1-2-1所示图1-2-1定量分选系统分拣系统工作过程被测物料通过输送带进入检测区的时候，将置于通有传感器内同游高频交流电线圈所产生的磁场中；若被测物料为金属材质，传感器将发出使输送带停止转动的信号，这是因为被测金属受到传感器线圈的磁场作用，在金属内产生电涡流，电涡流又产生的一个与传感器线圈磁场方向相反新磁场，抵消部分原有磁场，导致传感器线圈的电感量发生变化；变化的电感量信号送至控制器，控制器对信号进行放大处理，控制输送带停止转动，启动气缸指令，气缸将金属物料从检测区域推出，落入金属物料接料口；若是非金属物料，输送带不会停止，直接送往非金属物料接料口，直到金属物料到来，输送带才停止转动。

在整个系统中，安装在分拣系统检测区域的上部的分拣传感器是影响分拣系统检测精度最为关键部件，一般选用电涡流传感器。电涡流传感器的结构如图1-2-2所示，图中的金属物料为敏感元件，传感器检测端内部的电涡流线圈为转换元件。定量分拣系统中传感器的使用图1-2-2电涡流传感器将电磁敏感元件置于通有交变电流的电感线圈所产生的磁场中，改变电磁敏感元件的位移，将会引起线圈的自感系数、互感系数或磁阻发生变化，通过测量电路转换为电压、电流或频率输出便可测量出相应的非电量参数。电感式传感器图1-2-3电感式传感器

表1-2-1电感式传感器的分类及性能比较电感式传感器分类类型自感传感器互感传感器电涡流传感器敏感元件衔铁衔铁被测金属件工作机理电磁感应被测量引起线圈的自感系数变化变压器原理被测量引起线圈间的互感系数变化电涡流效应被测量引起线圈的磁阻变化性能特点灵敏度高，测量范围较小灵敏度高，线性范围大结构简单，体积小，灵敏度高，抗干扰能力强，可非接触测量使用场合测量位移、压力、压差、振动、应变、流量等测量位移、力、压力、压差、振动、加速度、应变等测量振动、位移、厚度、转速、表面温度等

常用的电感式传感器实物图如图1-2-4所示常用的电感式传感器实物

图1-2-4电感式传感器实物图（1）自感传感器工作原理将被测的非电量信号转换为线圈内自感系数变化的传感器为自感传感器，自感传感器由铁芯、线圈和衔铁组成。电感式传感器工作原理（a）气隙变化

（b）截面积变化

图1-2-5自感式传感器工作原理（1）自感传感器工作原理一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比很小，可以忽略，则线圈的电感量可近似表示为：

N为线圈匝数；μ0为真空磁导率；S为磁路截面积；δ为气隙厚度。电感式传感器工作原理（1）自感传感器工作原理①变隙式电感传感器保持S不变，而δ发生变化，即构成变隙式电感传感器。这种传感器只能用于微小位移的测量。②变面积式电感传感器保持δ不变，而S发生变化，即构成变面积式电感传感器。自感式电感传感器从结构上分为分为变隙式、变面积式和螺管式三种，螺管式传感器属于变面积式，仅在结构上有所不同。电感式传感器工作原理图1-2-6自感传感器结构示意图（1）自感传感器工作原理由于线圈中通有交流励磁电流，衔铁始终承受电磁吸力，这将会引起振动和附加误差，而且非线性误差较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的变化也会使输出产生误差。在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。电感式传感器工作原理

（a）变气隙式

（b）变面积式

（c）螺管式

图1-2-7差动式自感传感器图（2）互感传感器工作原理①互感传感器结构按照结构不同，差动变压器可分为变隙式、变面积式和螺管式3种类型，如图1-2-8所示。电感式传感器工作原理

(e)螺管式(f)螺管式

图1-2-8互感传感器结构图

(a)变隙式(b)变隙式(c)变面积式(d)变面积式（2）互感传感器工作原理②互感传感器工作原理螺管式差动传感器由测杆、衔铁和绕组线圈三部分组成，如图1-2-9所示。电感式传感器工作原理（a）结构示意图

（b）等效电路图图1-2-9螺管式差动传感器工作原理图

（3）电涡流传感器工作原理①电涡流传感器结构电涡流传感器由一个安置在探头壳体的扁平圆形线圈构成。如图1-2-10所示。电感式传感器工作原理

（a）实物图（b）探头内部结构

图1-2-10电涡流传感器（3）电涡流传感器工作原理电涡流传感器是一种基于电涡流效应的传感器。将一个绕在骨架上的空心线圈与正弦交流电源接通,流过线圈的电流会在线圈周围空间产生交变磁场。当金属薄片接近该线圈时，金属导体内会感应出一圈圈呈涡旋状的电流，这种电流称为“电涡流”，这种现象称为电涡流效应。电感式传感器工作原理

（a）电涡流效应（b）等效电路图1-2-11电涡流传感器工作原理uR2R1i2i1被测导体涡流线圈M（3）电涡流传感器工作原理②电涡流传感器工作原理按照电涡流在导体内的贯穿情况，电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。高频(>lMHz)反射式电涡流传感器多用于位移测量，而低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。电感式传感器工作原理（a）高频反射式电涡流传感器（b）低频透射式电涡流传感器图1-2-12电涡流传感器分类原理（1）自感传感器测量电路①变压器电桥电路Z1、Z2分别为两个传感器的阻抗，另两臂为电源变压器次级线圈阻抗，从中心抽头引出作为输出端。

电感式传感器测量电路图1-2-13变压器电桥电路（1）自感传感器测量电路②调频电路调频电路如图1-2-14所示，通常将传感器的电感线圈L和一个固定电容C接入振荡电路中，其振荡频率为：

传感器电感量的变化将引起振荡电路的频率发生变化，根据1-2-2式，测量f便可测出电感量L。f和L的特性曲线呈严重的非线性，需要电路做适当线性化处理。

电感式传感器测量电路图1-2-14调频电路示意图（2）互感传感器测量电路①差动整流电路差动整流电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，再将整流的电压或电流的差值作为输出。图1-2-15（a）所示的半波电流输出与图1-2-15（b）所示的全波电流输出电路适用于低阻抗负载，电阻R0用于调整零点残余电压。

电感式传感器测量电路（a）半波电压输出（b）半波电流输出图1-2-15差动整流电路∆δui∆δui（2）互感传感器测量电路①差动整流电路从电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从A点到B点，流经电容C2的电流方向总是从D点到C点，故整流电路的输出电压为C1两端电压uAB与C2两端电压uDC之差,即u0=uAB-uDC，u0的正、负表示衔铁位移的方向。

电感式传感器测量电路（c）全波电压输出（d）全波电流输出图1-2-15差动整流电路∆δuiC1C2ABCD∆δuiC2C1ABCD（2）互感传感器测量电路②相敏检波电路相敏检波电路如图1-2-17所示，VD1、VD2、VD3、VD4四个性能相同的二极管，差动电感式传感器的两个线圈（L1、L2）作为交流电桥相邻的两个工作臂，C1、C2作为电桥的另外两个臂，电桥供电电压由变压器Tr的次级提供。R1、R2、R3、R4为限流电阻，C3为滤波电容，RW为调零电位器，用以调节零点残余电压，输出电压信号由中心为零刻度的直流电压表或数字电压表指示。电感式传感器测量电路图1-2-17差动相敏检波电路（3）电涡流传感器测量电路①调幅电路使用石英振荡器产生的高频振荡信号用以激励电涡流线圈，涡流线圈L作为组成LC振荡器的电感元件与电容C构成并联谐振回路。LC振荡器的阻抗Z和电阻R形成串联分压电路，当金属物料靠近传感器时，被测金属物体在高频磁场中产生电涡流，引起LC振荡器的阻抗Z衰减，导致谐振回路输出电压的减小；金属物料远离传感器时，LC振荡器的阻抗Z最大，谐振回路输出电压也最大。谐振回路输出电压再经高频放大、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo大小变化反映了金属物料相对电涡流线圈的距离x的变化。电感式传感器测量电路图1-2-18调幅电路示意图iouo（3）电涡流传感器测量电路②调频电路调频电路如图1-2-19所示。电涡流线圈作为组成LC振荡器的电感元件，当电涡流线圈与被测物体的距离x发生改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的振荡频率发生变化，该频率可直接由数字频率计测得，或通过高频放大电路、限幅器和鉴频器，通过频率-电压转换电路转换后用数字电压表测量出对应的电压。电感式传感器测量电路图1-2-19调频电路示意图（1）测厚仪

测厚仪内部为差动式自感传感器。当被测件的厚度发生变化时，引起测量杆上下移动，带动衔铁移动，使衔铁和定铁芯的气隙厚度，使线圈的电感量发生相应的变化。此电感变化量经过带相敏整流的交流电桥测量后，送指示仪表显示，其大小与被测物的厚度成正比。电感式传感器应用（2）圆度仪圆度仪测量零件的圆度、同轴度、平面度、偏心度等，现已广泛应用于汽车、摩托车、机床、轴承、油泵油嘴等行业工厂的车间和计量部门，圆度仪如图1-2-21所示。图1-2-21圆度仪电感式传感器应用（2）圆度仪在传感器测杆的一端装有金刚石触针，触针与传感器内的衔铁连接。当被测工件有圆度误差时，衔铁运动偏差导致传感器线圈的电感量发生变化，电感量的变化经传感器转换成反映被测工件半径偏差信息的电信号，经过放大、相敏检波、滤波、A/D转换后送入计算机处理，最后显示出被测工件的圆度误差，或用记录仪记录被测工件的轮廓图形。电感式传感器应用（b）工作原理示意图图1-2-21圆度仪（3）测微仪随着新技术、新工艺、新设备的采用，使机械、塑料物件加工更趋近于微小化，加工件的精度也得以提高，尤其是传感技术的使用。但即便加工再精密，加工件与标准件之间都会存有误差，需要高精度的自动分选系统来分选存有误差的加工件。图1-2-23精密测微仪电感式传感器应用（a）实物图

（b）内部结构示意图（3）测微仪自动直径分选装置可以自动分选有误差的加工件。图1-2-22测微仪电感式传感器应用测微仪（4）转速计转轴的转速测量传感器实物如图1-2-24（a）所示。（a）实物图图1-2-24转速测量用传感器电感式传感器应用（4）转速计转轴由软磁材料制成，内有一个凹槽，由于电涡流效应，转轴表面将会发生Δd位移的变化，这样，将使传感器线圈电感量发生变化，从而导致振荡谐振回路的振荡频率发生变化，该信号经过放大器放大，再由检波器、整形电路转换为与转速成正比的脉冲电压信号，然后用外置计数器对脉冲信号进行高速计数，从而计算出转轴的转速，脉冲电压信号的频率与转速成正比。（b）工作原理示意图图1-2-24转速测量用传感器电感式传感器应用（5）仿形机床在加工复杂机械零件时，采用仿形加工是一种较简单和经济的办法，图1-2-25（a）所示是电感式(或差动变压器式)仿形机床的示意图。（a）仿形机床实物图图1-2-25仿形机床电感式传感器应用（4）仿形机床

（b）仿形机床工作原理示意图图1-2-25仿形机床电感式传感器应用测微仪本活动通过传送带模拟生产线使用电感式接近开关来模拟分拣一条生产线上的铁质、铝质、塑料材质的不同物料块来模拟不同材质的物料，根据金属和非金属材质的物料所反映出的电磁感应不同来区分。当产品通过分拣器时，电感式接近开关触发分拣推送器，将不同材质的物料分拣到不同物料箱，完成一次分拣过程。透明工厂分拣系统构成如图1-2-26所示。透明工厂分拣系统构成（a）鸟瞰图（b）俯视图图1-2-26透明工厂分拣系统构成1.电感式传感器工作原理本活动采用的是NPN-NO型的传感器，如图1-2-27所示。棕色（红色）为VCC电源，蓝色为地线，黑色为输出线。在没有信号触发时，输出线是悬空的，即VCC电源线和out线断开。有信号触发时，输出与VCC电源线相同的电压，相当于输出out线和电源线VCC连接，输出高电平（VCC）。透明工厂分拣系统构成（a）外部连线示意图

（b）内部电路框图图1-2-27NPN-NO型电感式接近传感器1.电感式传感器工作原理电感式接近开关在测距上受被测物体材质的影响，标准的检测物体是铁，不锈钢、黄铜、铬、镍、铝等的检测距离都会有不同程度的衰减，如图1-2-28所示。不锈钢材质会减少到测距的80%，黄铜会减少到测距的70%，铬、镍会减少到测距的60%，铝质会减少到测距的40%。透明工厂分拣系统构成图1-2-28电感式接近开关检测不同材质的衰减系数1.电感式传感器工作原理高频振荡器产生一个交变磁场。当被测金属物体接近这一磁场,并达到感应距离时,在金属物体内产生涡流,产生的一定磁感应强度反作用感应磁罐，从而导致振荡衰减,甚至停振。检测距离x的不断变化使得高频振荡器在振荡及停振之间不断变化，这个变化被后级放大电路处理并转换成开关量输出信号,便可以分拣推动器分拣。透明工厂分拣系统构成图1-2-29电感式接近开关原理框图2.装调分拣系统（1）检测元件分拣系统元件清单如表1-2-2所示，将表中套件清点后，测试相关元件性能是否正常。表1-2-2分拣系统元件清单装调透明工厂分拣系统序号名称型号/规格数量1电感式接近开关传感器SN04-N/NPN/常开22高精度24位A/D采集模块HX711/24bit13OLED显示模块SSD1306/0.96'1286414响亮闪光报警器22sm/12V15控制器模块ATMEGA256016继电器模块松乐SRD/12V17输送带套装GH-S-6018电机驱动调速模块GH-PWM-0119分选推送器GH-90210电源12V/5V30W111物料箱

212测试物料块铁质/铝质/塑料1013传感器安装支架

114万用表

115导线

若干2.装调分拣系统（1）检测元件将传感器接入电源，使用不同材质的物料接近接近开关，通过万用表观察通断情况，并记录接近距离和输出。表1-2-3电感式接近传感器检测数据表装调透明工厂分拣系统材质电压通断距离开关输出

2.装调分拣系统（2）装调分拣系统分拣系统模块外形如图1-2-30所示。装调透明工厂分拣系统图1-2-30分拣系统模块外形图2.装调分拣系统（2）装调分拣系统分拣系统模块外形如图1-2-30所示。装调透明工厂分拣系统图1-2-30分拣系统模块外形图2.装调分拣系统（2）装调分拣系统①搭建系统步骤一：搭建由电机驱动调速模块、直流减速电机、同步带、轮和传输带、传输带支架构成的传输带系统；步骤二：安装分拣推送器，分拣推送器可以解决物料分拣问题；步骤三：安装控制器模块、OLED显示模块和报警提示器；步骤四：搭建由电感式接近开关传感器和传感器支架组成的接近开关传感器模块；步骤五；连接电感式接近开关传感器、连接分拣推送器、输送电机驱动到分拣控制系统。装调透明工厂分拣系统2.装调分拣系统（2）装调分拣系统②调试系统步骤一：将控制器模块的项目拨码开关设置为1，活动拨码开关设置为2；步骤二：调试传输带的方向、速度；步骤三：调节电感式接近开关距离，以响应不同的材质反应；步骤四：调试分拣推送器的距离以及传输带的速度配合；步骤五：实现系统启动停止、设置分拣速度、设定分拣位置等操作。装调透明工厂分拣系统2.装调分拣系统（2）装调分拣系统③注意事项（a）接近开关传感器的电源和输出不要接错；（b）注意接近开关传感器的工作电源的范围；（c）注意常开型和常闭型接近开关的输出特征。装调透明工厂分拣系统活动总结

本活动以装调透明工厂分拣系统为目标，在任务描述部分对系统的作用、组成结构进行了简单描述；对系统中分拣传感器的安装方法和基于电感式传感器对工件的识别与分拣过程进行了介绍。围绕着任务的要求，本活动通过收集电感式传感器信息，对该传感器的组成、结构、工作原理、测量电路以及它在其它方面应用进行了详细介绍。电感式传感器是将电磁敏感元件（如被测金属件或衔铁等金属材质）置于通有交变电流的电感线圈所产生的磁场中，改变电磁敏感元件的位移，将会引起线圈的自感系数、互感系数或磁阻发生变化，通过测量电路转换为电压、电流或频率输出便可测量出相应的非电量参数。

利用电涡流效应制成的传感器成为电涡流式电感传感器，测量电路一般采用调幅电路和调频电路。由于电感式传感器应用广泛，在信息收集时，还收集了颇有代表性的其它五个应用。

本活动的装调采用模块搭接的方式，模拟工厂内的定量分拣系统，内容涉及到分拣传感器的工作原理及装调部分的元件检测、系统装调、调试以及注意事项等，相信，通过该活动的信息采集，为任务的顺利完成奠定了很好的基础。活动总结

电感式传感器种类很多，主要分为自感式、互感式和电涡流式三种传感器。将被测的非电量信号转换为线圈内自感系数变化的传感器为自感式电感传感器，测量电路一般采用变压器电桥电路和调频电路；将被测非电量信号转换为初级线圈与次级线圈间互感系数变化的一种传感器称为互感式电感传感器，测量电路一般采用差动整流电路和相敏检波电路；当金属薄片接近通有交变电流的线圈时，金属导体内会感应出一圈圈呈涡旋状的电流，这种电流称为“电涡流”，这种现象称为电涡流效应，利用电涡流效应制成的传感器成为电涡流式电感传感器，测量电路一般采用调幅电路和调频电路。由于电感式传感器应用广泛，在信息收集时，还收集了颇有代表性的其它五个应用。本活动的装调采用模块搭接的方式，模拟工厂内的定量分拣系统，内容涉及到分拣传感器的工作原理及装调部分的元件检测、系统装调、调试以及注意事项等，相信，通过该活动的信息采集，为任务的顺利完成奠定了很好的基础。ThANKS!传感器技术应用任务1部署透明工厂信息采集系统传感器技术及应用活动一装调透明工厂温度监控系统传感器技术及应用装调透明工厂温度监控系统温度是工业生产中最为常见的工艺参数之一，尤其是在化工生产领域，各种原料按照一定配比进入反应釜中，通过化学反应完成原料到产品的转变，化学反应伴随大量热量的散发和吸收，因此，控制反应釜的温度是整个化工生产工艺的核心部分，它直接影响到产品的质量、产出率以及能耗。图1-3-1反应釜温度控制系统示意图温度监控系统工作过程

在反应釜顶部装有温度传感器，用温度传感器检测反应釜的温度，并将其转换成电信号，送到控制模块，与模块设置的温度信号进行比较，若高于设定温度，则启动搅拌电机，开启冷/热剂进口阀门，输入冷剂降低反应釜温度；若反应釜内温度低于所设定的温度，则停止搅拌电机的转动，开启冷/热剂进口阀门，输入热剂使反应釜温度升高，以达到自动调节反应釜中温度的目的。对原料的配比是由安装在各原料储存罐支座的称重传感器完成，安装在管道上的压力表测试反应釜的压力，液位开关，以控制反应釜的液位。

反应釜内的温度传感器一般采用能测量高温环境下的热电偶传感器，典型的热电偶温度传感器如图1-3-2所示。热电偶主要由接线盒，热电极，绝缘套、热端的焊点以及保护套管组成。温度监控系统中传感器的使用图1-3-2热电偶传感器

（a）实物图片（b）结构示意图温度传感器直接将温度信号转换为电信号，因此，它既是敏感元件，又是转换元件，它能检测到温度的变化并将其转换为热电动势、电荷和电阻的变化，通过测量电路再进行电信号的转换和放大。温度传感器

图1-3-3温度传感器工作原理框图（1）热电偶工作原理热电偶测温是基于两种不同导体所体现的热电效应不同来测量的，热电偶传感器的基本转换原理是将温度或能转换成温度变化的物理量，经热电偶转换成热电势的输出，再通过测量电路放大，送到控制或显示电路，获知被测介质的温度。

温度传感器工作原理图1-3-4常见热电偶将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，由于两个材料不同，内部电子的浓度不同，当两个接点T与T0温度有差异时，电子浓度大的材料里的电子将会向电子浓度小的材料里扩散，电子扩散的速率与两电极的材料和接触面温度有关，电子扩散的结果使导体A由于失去电子而带正电荷，导体B获得电子而带负电荷，电子扩散形成了一定大小的电流，回路中产生一定的热电动势，这种现象称为热电效应。图1-3-5热电效应原理图酒精灯温度传感器工作原理热电偶产生的热电动势：

ET=EAB（T）－EAB（T0）

ET为热电偶的热电动势EAB（T）为温度在T时工作端的热电动势；EAB（T）为温度在T0时自由端的热电动势。①热电偶的两个热电极必须是两种不同材料的均质导体，否则热电偶回路的总电势为零；②热电偶两接点温度必须不等，否则，热电偶回路总热电势亦为零；③热电偶A，B产生的热电势只与两个接点温度有关，而与中间温度无关；与热电偶的材料有关，而与热电偶的尺寸、形状无关。温度传感器工作原理温度传感器工作原理表1-3-1各种热电偶性能的比较类型普通热电偶铠装热电偶薄膜热电偶表面热电偶防爆热电偶浸入式热电偶结构由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学凃层等方法蒸镀到绝缘基板上面制成它的测温结构分为凸形、弓形和针形采用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件从而进行隔爆热电极装在外径为U形石英管内，其外部有绝缘良好的纸管、保护管及高温绝热水泥加以保护和固定（2）热电阻工作原理物质的电阻值随着温度变化而变化并且呈一定函数关系的传感器为热电阻，根据材料的不同，分为金属热电阻和半导体热敏电阻。温度传感器工作原理①金属热电阻工作原理金属热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的升高而增大的特性来测量温度的，我们简称为热电阻，在工业生产中主要测量-100~500℃的温度。

（a）实物照片温度传感器工作原理（b）结构图图1-3-6热电阻外形结构及电气符号（c）电气符号②

半导体热敏电阻工作原理半导体热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性而制成的一种传感器，这里我们简称为热敏电阻，能对温度和与温度有关的参数进行检测。热敏电阻可根据封装加工成各种形状，如片柱状、杆状，如图1-3-7所示。温度传感器工作原理（a）实物图（b）电气符号温度传感器工作原理图1-3-8热敏电阻温度特性热敏电阻是金属氧化物（NIO、MnO、CuO、TiO等）的粉末按照一定比例混合烧结而成的半导体，半导体热敏电阻按照各自的电阻温度特性区分，有正温度系数（PTC）型、负温度系数（NTC）型和临界温度系数（CTR）型三种类型。温度传感器工作原理表1-3-3各种热敏电阻性能比较分类正温度系数热敏电阻（PTC）负温度系数热敏电阻（NTC）临界温度系数热敏电阻（CTR）材料BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要成分的烧结体钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体特性电阻值随温度的升高而增大电阻值随温度的升高而下降电阻值在某特定温度范围内随温度的升高而降低3～4个数量级，即具有很大的负温度系数测量范围50～150℃50～350℃骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变（3）热释电红外传感器工作原理当某种材料受到红外辐射而温度升高时，在其表面释放了一部分电荷，这种现象称为热释电效应。温度传感器工作原理图1-3-9热释电效应原理图热释电红外传感器是在热释电晶体的两面镀上金属电极后，加电极化制成，由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。温度传感器工作原理（a）实物图（b）结构图图1-3-10热释电红外传感器结构红外线热释电传感器对人体的敏感程度与人的运动方向关系很大，传感器对于径向移动不敏感，而对与半径垂直的方向的移动最为敏感。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外辐射就不断地交替从“盲区”进入“灵敏区”，通过菲涅尔透镜聚焦，热释电红外传感器接收到忽强忽弱的脉冲电压信号。温度传感器工作原理（a）人体移动区域

（b）人体经过传感器产生的的脉冲信号

图1-3-11热释电红外传感器工作原理（1）热电偶测量电路

（a）应用电路温度传感器测量电路许多实际状况下，冷端温度并不是0℃，而是某一温度Tn，因此必须对所测量的电动势进行修正，实际热偶电动势需要在仪表测量值的基础上加入室温修正值。

E(T,0)=E(T,Tn)+E(Tn,0)

（b）补偿电路图1-3-12热电偶测量电路温度传感器测量电路（2）热电阻测量电路Rt为热电阻，R1、R2、R3为标准电阻，4个电阻构成电桥的4个桥臂，RP为调零电位器，G是电位计。为消除因导线电阻对温度测量的影响，通常采用三线制接法。在热电阻的一端连接一根引线，另一端连接两根引线，这种电路方式是工业过程控制中的最常用连接方法。温度传感器测量电路

图1-3-13热电阻三线制测量电路（3）热敏电阻测量电路温度传感器测量电路

（a）柱状弹性元件（b）电路图图1-3-14桥式测量电路

热敏电阻通常采用桥式测量电路。（4）热释电红外传感器测量电路温度传感器测量电路图1-1-25应变式电阻传感器实用电路（1）燃气灶中的感应针燃气灶里面有两盒针，一个是打火针，另外一个是感应针。温度传感器应用图1-3-16燃气灶结构图打火针感应针热电偶感应针是两种不同金属材料构成，利用不同金属材料在相同温度下的电压差产生电流，产生的电流在电磁阀内部产生磁感应（磁场），就使热能转变为电能，电磁阀针电能转化为磁吸力，吸住气源弹簧阀芯，从而打开气路，原理图如图1-3-17（a）所示；当灶具熄火后，没有热能提供，热电偶内部没有电流，磁力消失，阀芯弹出，堵住进气口，自动断气（停止供气），如图1-3-17（b）所示。温度传感器应用（a）正常工作原理图

（b）熄火保护功能原理图

图1-3-17热电偶在燃气灶中的作用原理图（2）燃油温度传感器

燃油温度传感器安装在汽车内燃油泵到燃油冷却器之间的回油管中，用以测量流经回油管的燃油温度，如图1-3-18所示。燃油温度发生变化，燃油的密度和黏度也会随之变化，发动机电控单元根据这些数据修正燃油流量。温度传感器应用图1-3-18燃油温度传感器在汽车中的安装位置（3）红外测温仪人体产生的热辐射进入光学系统，经调制器把红外辐射调制成交变辐射信号，通过探测器转变成为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。温度传感器应用（a）实物图（b）工作原理框图图1-3-19红外测温仪工作原理（4）电饭煲限温器

电饭煲是生活中常用的家用电器，它利用磁铁限温器来控制煮饭过程中的最高温度，电饭煲实物结构图以及限温器的安装位置如图1-3-20（a）所示。电饭煲的限温器的结构如图1-3-20(b)所示：限温器有两块磁铁，最下面是一块永久磁铁，最上面是关键部件感温软磁铁，两块磁铁中间是弹簧。感温软磁的居里点温度是101到105度之间，它的磁导率与温度是非线性关系，当温度达到居里点温度103度时它就失去磁性了。温度传感器应用限温器（a）限温器在电饭煲得安装位置温度传感器应用(b)限温器的内部结构图

图1-3-20电饭煲实物结构图（5）热式气体质量流量计热式气体质量流量计是典型的是热电阻传感器应用。热式气体质量流量计是利用热扩散原理测量气体流量的测量仪表，即利用流体流过发热物体时,发热物体的热量散失多少与流体的流量呈一定的比例关系。

温度传感器应用图1-3-21热式气体质量流量计结构图本活动采用了最常用的热电阻PT100作为温度检测传感器，使用金属瓶模拟反应釜，通过电加热的方式调节金属瓶内的温度，使用水作为加热的介质，通过设定温度，控制是否加热来完成温度检测和控温的过程，从而构成一个完整的温度监控系统。温控系统的组成如图1-3-22所示。温度监控系统构成（a）鸟瞰图

（b）俯视图

图1-3-22透明工厂温度监控系统组成系统通过加热盘加热，使金属瓶内的温度升高，使用PT100检测瓶内温度，通过事先设定的温度值来控制温度，即当加热盘加热到一定温度后将会自动停止加热，当低于某温度时加热盘又开始加热，注意：温度变化随加热的变化有一定延迟。

热电阻检测出来的温度通过传感器转换为毫伏电压信号输出，输出接入变送器，经变送器处理，输出4-20mA的电流信号。PT100变送器安装图和接线图如图1-3-23所示。温度传感器测温原理（a）安装图

（b）接线图图1-3-23PT100变送器安装与接线图（1）检测元件装调温度监控系统温度监控系统元件清单如表1-3-4所示，将表中套件清点后，测试相关元件性能是否正常。序号名称型号/规格数量1热电阻PT10012温度变送器4-20MA13信号调理模块4-20MA转0-5V144路16位A/D采集模块ADS118/SPI15OLED显示模块SSD1306/0.96'1286416响亮闪光报警器22sm