《机电一体化技术》课件-第4章 传感器检测技术

第四章传感器检测技术4.1传感器基础传感器基础21世纪是现代信息技术的时代，而现代信息技术的三大基础是：传感器技术（信息采集）、通信技术（信息传输）和计算机技术（信息处理技术）。传感器是系统的“电五官”，负责信息的感知和采集，并将这些信息转化为能被系统处理的信号。在现代信息科学的三大支柱技术中，传感器技术居于首位。目

录传感器定义、组成1传感器的分类25传感器的选用4传感器的应用传感器的特性3传感器定义、组成

传感器国家标准（GB7665-87）：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器功用：一感二传，即感受被测信息，并传送出去。定

义传感器定义、组成光敏传感器——视觉

传感器“电五官”声敏传感器——听觉

气敏传感器——嗅觉

化学传感器——味觉压敏、温敏、流体传感器——触觉传感器“电五官”传感器定义、组成传感器的组成框图如图1-1所示。图1-1传感器的组成框图组成传感器的分类

传感器的种类繁多，即使同一种被测量也可以用不同类型的传感器来测量。如位置检测，可以用光电、磁电、电感、电容等多种传感器进行测量；而一种传感器又可测量多种物理量，如电容式传感器可用来测位移、压力、荷重、加速度等。常用的分类方法

：♦按被测物理量分类♦按传感器工作原理分类。♦按传感器转换能量的情况分类♦按传感器输出信号的形式分类传感器的分类按被测量分类按被测量分类，即按照传感器的输入信号分类，它能够很方便地表示传感器的功能，便于用户的使用。可以分为温度、压力、位移、转速、加速度、位置、湿度、气体浓度、流量、流速等传感器。

按传感器的工作原理分类按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、磁电式、光电式、压电式、热电式、霍尔式、超声波、激光、光纤等传感器。按能量关系分类按能量关系分类，可分为能量转换型和能量控制型两类。按信号转换特征分类按信号转换特征分类，可分为结构型和物性型两类。结构型：通过传感器的结构参量发生变化实现信号变换。物性型：利用某些物质的某些性质随被测参数变化来实现信号变换。传感器的分类

（a）压力传感器（b）温度传感器（c）湿度传感器传感器的分类

（e）气敏传感器（b）温度传感器传感器的分类

（f）光电传感器（g）速度传感器定

义传感器（国标GB/T7665－2005）：能感受被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器基本概念传感器基本概念

被测量的分类电量电压电阻功率电流电感电容传感器基本概念

被测量的分类机械量位移振动速度加速度力热工量温度压力流量化工量浓度成分湿度非电量测试系统组成

测试系统组成

传感器是获得信息的重要手段。它所获得信息的正确与否，关系到整个检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地位。信号处理电路把传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压（电流）信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。

显示装置常用有四种：模拟显示、数字显示、图像显示和记录仪数据处理装置用来对被测结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果作频谱分析、能量谱分析等，完成这些工作必须用计算机技术。检测系统分类

开环系统闭环系统误差的认知

一.测量的概念测量：测量过程实际上是一个比较过程，就是将被测量与同种性质的标准量进行比较，从而获得被测量大小的过程。

测量可分为狭义测量和广义测量两种。简单的比较过程称为狭义测量，而能对被测量完成检出、变换、分析、处理显示和控制的综合过程，则称为广义测量。误差的认知

二.测量的方法

1.直接测量：利用测量仪器，直接读取被测量的测量结果。

2.间接测量：已知被测量与其他几个量有确定的函数关系，可以分别测出其他几个量,再利用函数关系求出被测量。实现被测量与标准量比较得出的比值的方法，称为测量方法。

3.组合测量:是指在一个测量过程中同时采用直接测量和间接测量两种方法进行测量的测量方法。

误差的认识

按测量结果的方式分类按测量结果的方式分类偏差式测量零位式测量微差式测量误差的认识

按测量精度因素条件分类1.等精度测量:是指在整个测量过程中，如果影响和决定误差大小的全部因素(条件)始终保持不变，比如由同一个测量者，用同一台仪器、同样的测量方法，在相同的环境条件下，对同一被测量进行多次重复测量的测量方法。

2.不等精度测量:是指有时在高精度测量中，在不同的测量环境条件下，用不同精度的仪表、不同的测量方法、不同的测量次数，以及不同的测量者进行测量和对比的测量方法。

误差的认识

按测量对象的变化特点分类

1.静态测量:是指被测对象的大小不随时间变化而变化，处于稳定状态下进行的测量方法.

2.动态测量:是指被测对象的大小在测量过程中是随时间不断变化的，处于非稳定状态下进行的测量方法，称为动态测量。

误差的认识

按测量敏感元件是否与被测介质接触分类1.接触测量:是指传感器直接与被测对象接触，感受被测量的变化，从而获取信号，并测量出其大小的方法。

2.非接触测量:是指传感器不直接与被测对象接触，而是间接感受被测量的变化，从而获取信号，并测量出其大小的方法。

误差的认识

粗大误差1.粗大误差是指明显偏离测量结果的误差，又称过失误差。

2.引起粗大误差的根本原因主要是由测量人员操作失误、读数错误、记数错误而引起的，也完全没有规律。

误差的认识

随机误差

1.在相同条件下，对同一被测量进行多次重复测量时，受偶然因素的影响而出现误差的绝对值和符号以不可预知的方式变化着，则此类误差称为随机误差。

2.随机误差能够反映测量结果的分散程度，通常称为精密度。随机误差越小，说明多次测量时的分散性越小，精密度要高。

传感器的特性

传感器必须要尽量准确地反映输入物理量的状态，因此不同的传感器所表现出来的输入—输出特性也就不同。即存在静态特性和动态特性。传感器静态特性主要参数有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞和分辨力等。

传感器的特性线性度静态特性♦理想的传感器输出与输入呈线性关系。但实际的传感器即使在量程范围内,输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的,总存在一定的非线性。灵敏度♦灵敏度是描述传感器的输出量（一般为电学量）对输入量（一般为非电学量）敏感

程度的特性参数。♦定义:传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比。传感器的特性迟滞静态特性♦输入逐渐增加到某一值,与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等,叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度。0yx⊿HmaxyFS迟滞特性传感器的特性重复性静态特性♦在相同的工作条件下，在一段短的时间间隔内，输入量从同一方向作满量程变化时，同一输入量值所对应的连续先后多次测量所得的一组输出量值，他们之间相互偏离的程度便称为传感器的重复性。yx0⊿Rmax2⊿Rmax1传感器的特性分辨力静态特性♦指传感器能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某值开始缓慢地变化，当该输入值变化未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，只有当输入量的变化超过传感器的分辨力时，其输出才会发生变化。传感器的应用目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用。传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域，是构建现代信息系统的重要组成部分。传感器的应用传感器的应用传感器的应用汽车内部的传感器传感器的应用传感器的应用传感器的应用传感器的应用工业机器人，使用模式识别和推理技术来识别三维对象，确定它们的方位，并引导机器人的附件去处理这些对象。机器人采用的是近距离物理接触的传感器组和与观测目标有较短距离的遥感传感器，如摄像机等，机器人通过融合来自多个传感器的信息，避开障碍物，很好地完成工作任务。传感器的选用与测量条件有关的因素♦被测试量的选择♦测量范围♦输入信号的要求♦测量精度要求♦测量所需要的时间与传感器有关的因素♦精度♦稳定度♦响应特性♦模拟量与数字量♦输出幅值第四章传感器检测技术4.2应变式传感器目

录电阻应变式传感器

1金属电阻应变片的结构25电阻应变片式传感器的应用4电阻应变片的测量电路金属电阻应变片的特性3电阻应变式传感器电阻应变式传感器应变式电阻传感器是测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.01-0.1%。金属电阻应变片的结构电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。金属丝应变片结构图应变效应：导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。金属电阻应变片的特性金属或半导体的电阻相对变化与应变之间具有线性关系。灵敏度系数被测体应变片ＦＦ实验表明，应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。金属电阻应变片的特性构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。横向效应应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。金属电阻应变片的特性应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。机械滞后应变片的机械滞后ΔεΔε1机械应变εR卸载加载指示应变εi产生原因：♦应变片承受机械应变后产生残余形变。♦制造粘贴时，敏感栅受到不适当形变或者粘接剂固化不充分。金属电阻应变片的特性应变片的应变极限真实应变εj指示应变εi100%90%电阻应变片的测量电路电阻应变片的作用是将构件表面的应变转变为电阻的变化。其关系式为：应变片的测量电路一般若取则电阻应变片的测量电路设电桥中四个桥臂电阻为R1、R2、R3、R4（其中任一个电阻可以是应变片）。直流电桥

电阻应变片的测量电路单臂电桥UR2R4R1+ΔR1R3U0电阻应变片的测量电路电压灵敏度，比使用单只应变片提高了一倍。半桥电路UR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0半桥差动电路电阻应变片的测量电路电压敏度是单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。全桥电路全桥差动电路UR2-ΔR2R4+ΔR4R1+ΔR1U0R3-ΔR3电阻应变片的测量电路原因：温度误差♦因温度变化而引起的应变片敏感栅的电阻变化。♦因被测物体材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。电阻应变片的测量电路桥路补偿法：温度误差的补偿♦测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面,称为工作应变片R1；♦一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片R2。R1R2补偿块试件电阻应变片的测量电路桥路补偿法：温度误差的补偿♦梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，两应变片阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。♦构件受单向应力时，工作片R2的轴线顺着应变方向，补偿片R1的轴线和应变方向垂直。R1R2F构件受弯曲应力FFR1R2电阻应变片的测量电路桥路补偿法：温度误差的补偿R4ER2R1R3U0

电桥平衡条件：电阻应变片式传感器的应用机器人握力测试第四章传感器检测技术4.3压电传感器目

录压电传感器

1压电材料25压电传感器的应用4等效电路与测量电路压电传感器的工作原理3压电传感器压电传感器能量转换型

机械能

电能有源传感器压电效应压电材料压电材料

压电多晶

压电单晶

有机压电材料压电陶瓷石英晶体偏聚氟乙烯压电传感器的工作原理机械能电能压电元件正压电效应逆压电效应压电传感器的工作原理是对压电材料按固定方向施力，令其发生机械形变，压电材料内部产生极化现象，同时在它的某两个表面上分别产生正、负电荷，产生内电场。当去掉外力后，又重新恢复不带电状态的现象。正压电效应压电传感器的工作原理瞬时性正压电效应♦当力的方向改变时,电荷的极性立即随之改变。不稳定性♦当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电传感器的工作原理逆压电效应是指在压电材料的极化方向施加电场时，会在压电材料的一定方向上产生机械变形或机械应力。当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。也被称为“电致伸缩效应”。逆压电效应等效电路与测量电路等效电路与测量电路压电传感器看成一个电流源与一个电容并联的电荷发生器。电容量为：电流源等效电路等效电路与测量电路压电传感器看成一个电压源与一个电容串联的电压源。电压为：电流源等效电路等效电路与测量电路测量电路的形式：压电传感器的测量电路♦用电阻反馈的电压放大器：其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；♦用带电容板反馈的电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。等效电路与测量电路电压放大电路等效电路与测量电路电荷放大电路压电传感器的应用压电传感器的应用压电式打火机压电传感器的应用压电式声传感器铝头螺钉黄铜尾部压电陶瓷圆环压电传感器的应用压电式流量计流量显示输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电传感器的应用压电式传感器管道检漏地面ABO点LALBL压电传感器的应用压电式玻璃破碎传感器压电测振薄膜压电传感器的应用压电式传感器周界报警压电传感器的应用压电式传感器交通检测系统第四章传感器检测技术4.4电容式传感器电容式传感器的应用电容式传感器的应用电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分含量（油、粮食中的水分）、非金属材料的涂层、油膜等的厚度、电介质的湿度、密度、厚度等。电容式传感器的应用电容式位移传感器被测物振动电容式传感器弯曲变形位移振动电容式传感器的应用电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。电容式传感器的应用电容式料液位传感器电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。测定电极安装在金属储罐的顶部，储罐的罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。电容式传感器的应用电容式料位计不仅能测不同性质的液体，而且还能测量不同性质如块状、颗粒状、粉状、导电性、非导电性的物料。第四章传感器检测技术4.5超声波传感器目

录超声波传感器定义

1超声波传感器原理25超声波传感器性能指标4超声波传感器特性超声波传感器结构3超声波传感器定义在高电压、窄脉冲的作用下能产生较大功率的超声波。石英晶体高猛碳酸晶体超声波传感器定义焊接集成电路探测海底沉船B超防盗无损探伤超声波传感器原理

20HZ

20KHZ次声波可闻声波超声波什么是超声波？超声波传感器原理超声波传感器结构

发送器：通过振子（一般为陶瓷制品，直径约为15mm）振动产生超声波并向空中幅射。接收器：振子接收到超声波时，根据超声波发生相应的机械振动，并将其转换为电能量，作为接收器的输出。超声波传感器结构

控制部分：通过用集成电路控制发送器的超声波发送，并判断接收器是否接收到信号（超声波），以及已接收信号的大小。电源部分：超声波传感器通常采用电压为DC12V±10%或24V±10%外部直流电源供电，经内部稳压电路供给传感器工作。超声波传感器结构压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用：降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块,当激励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。超声波探头结构如图所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。超声波传感器结构接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；超声波传感器特性频率特性♦传感器的带宽较窄、具有单峰特性，即在中心频率处灵敏度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器的接收灵敏度最高，而在中心频率两侧则迅速衰减。接收超声波发送超声波超声波传感器特性阻抗特性♦超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。超声波传感器性能指标工作频率♦工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。工作温度♦由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。灵敏度♦主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高，反之灵敏度低。超声波传感器性能指标第四章传感器检测技术4.6传感器在机电一体化产品中的应用目

录视觉传感器

1声敏传感器25烟雾传感器4光电传感器温度传感器36传感器的发展应用引言目前，传感器技术已经在越来越多的领域得到应用。传感器广泛用于医疗诊断、交通、工业、农业、军事科研、工业机器人、以及环境监测、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域，是构建现代信息系统的重要组成部分。引言引言视觉传感器视觉传感器视觉传感器工作过程：♦采用图像摄取装置将被摄取目标转换成图像信号，传送给图像处理系统；♦图像处理系统根据像素分布和亮度、颜色等信息，进行运算来抽取目标的特征：面积、长度、数量、位置等；♦处理器根据预设判据输出结果：尺寸、角度、偏移量、个数、合格/不合格、有/无等；♦指挥执行机构进行诸如定位或分选等相应控制动作；♦显示系统实时显示图像采集情况；声敏传感器测量声音的大小，就要用到声敏传感器。它是一种将声能转换为电能的器件。它利用电磁感应、静电感应或压电效应等原理来完成声电转换的，主要有话筒、扬声器、压电陶瓷片、蜂鸣器等。声敏传感器将声音信号转换为相应电信号的声敏传感器又称为传声器。分类如下：分

类♦按结构形式分类声敏传感器按结构形式分为动圈式、晶体式、电容式、压电式、铝带式等。♦按工作原理分类声敏传感器按工作原理分为静电式和电动式两类。声敏传感器正确使用噪声探测器噪声检测♦噪声探测器的原理框图声敏传感器工作原理：噪声检测♦被测声压信号由电容式传声器接收，被转换为电压信号并经阻抗变换后由前置放大器输出低阻电压信号送入测量放大器。温度传感器在各种热电式传感器