第五章 传感器与执行器

1、第5章传感器和驱动器、5.1概要5.2传感器的正确选择和使用5.3驱动器练习题、5.1概要、5.1.1传感器的概念机电操纵系统依赖于正确的检查。 检查是人们利用专用的设备，以一定的方法对被检体收集信息，获取数据的过程。 检查的要点是被测量和标准量的比较。 但是，被测定物与直接标准量相比较的情况不多，许多被测定物和标准量被转换成容易两者比较的中间量。 例如，在水银温度补正来测定室温的情况下，室温用被变换玻璃管内的水银柱的热胀冷缩位移来表示，温度的标准量被变换为玻璃管上的刻度，即被测定量和标准量被变换为线位移的中间量。 因此，变换是检测的核心。 变换是指将测定出的物理量按照一定的规则变换为传输和处

2、理容易的其它物理量的过程。 能够进行某种转换的元件称为转换元件或者传感器。 传感器是能够感测被测定物理量，并将该物理量转换成容易传送和处理的其他物理量的装置或解老虎钳。 如果给传感器下面的定义，传感器就会感觉到测量了，能够以一定的关系转换为对应的输出量的装置。 在现代科学技术领域(特别是机电特罗尔系统)，收集信息不可缺少各种传感器，传感器能感受外界的各种“刺激”，并能迅速反映出来。 检查和传感器是综合性的技术学科，其研究对象是对各种材料、零配件、现场等进行无损探伤、测量和校正量，是自动化系统中各种残奥仪表的自动检查和检测出的各种分析计程仪信号，转换成对应的电信号(数字量)后，在小型支重轮上进行

3、信息处理等变送器3360是作为标准信号被输出的传感器，由于变送器的作用，测定失败的物理变量被变换为电或者瓦斯气体的标准信号，5.1.2传感器的分类传感器的种类很多，分类方法也不同，通常使用的分类方法有2种3360种，另一种是传感器此外，还有传感器材料、传感器自身能否产生电动势、投入产出特性等分类方法。 按被测定对象的残奥表分类的传感器有电压传感器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、液位传感器、力传感器、力矩传感器、流速传感器、振动传感器等。 按转换原理分类的传感器有电阻式传感器、静电容量式传感器、感应式传感器、压电式传感器、光电式传感器、光栅式传感器、热电式传感器、红外线传感器、

4、光纤传感器、医学超声传感器、激光传感器等。 通常将被测量残奥仪表和转换原理组合起来称为传感器，如电阻式压力传感器、静电容量式液位传感器、压电式加速度传感器等。 传感器的上述两种分类方式各有优缺点。 按被测量对象的残奥仪表分类，分类和实用性高，容易选择，但缺乏系统性。 例如测温用的传感器有很多，有利用热电转换原理的热电偶传感器、利用光电转换原理的光电高温计等。 虽然没有明确记载不同转换原理的分类和传感器的用途和名称，但显示了传感器相互的本质差异，容易理解各种传感器各自的特征。 1 .电阻-应变式传感器是能够将所测量的非电量(例如位移、应变、温度、大气湿度等)的变化转换成导电材料的电阻变化的装置，

5、被称为电阻式传感器。 物理学上发现的导电材料电阻不仅与材料的类型、几何尺寸有关，还与温度、大气湿度、变形等因素有关。 物理学也同样指出，不同导电材料对相同非电物理量的敏感度不同，差异很大。 因此，利用某导电材料的电阻对某非电物理量具有强敏感的特性，能够制作测定该物理量的电阻式传感器。电阻式传感器的种类很多，经常使用电阻应变式传感器、电位计传感器、热敏电阻传感器、气敏传感器、光电电阻传感器、磁敏电阻传感器等。 2 .静电容量式传感器静电容量式传感器以各种类型的电容器为传感器元件，将被测定物理量的变化转换为容量的变化，用电路变换(测定电路)转换为电压、电流或频率，达到检测的目的。 因此，对于能够引

6、起电容变化的非电力量，能够使用静电电容式传感器进行电转换。 电容式传感器不仅能测量重量、位移、振动、角度、加速度等机械量，还能测量压力、液面、材料面、成分含量等热工量。 该传感器具有结构简单灵敏度高、动态特性好等一系列优点，在机电操纵系统中占有十分重要的地位。 3 .感应式传感器感应式传感器是利用线圈的自电感量和互感电动势系数的变化来实现非电力电气测量的装置。 感应式传感器可测量位移、压力、振动、应变、产水量等残奥仪表。 由于其具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗扰度强、测量精度高等一系列优点，广泛应用于机电操纵系统。 其主要缺点是响应慢，不适合快速动态测量，而且传感器的极限分辨

7、率与测量范围有关，测量范围宽，极限分辨率低，反而高。 感应式传感器种类繁多，一般分为自电感量式和互感电动势式两种。 一般来说，感应式传感器指的是自感应式传感器，但由于相互感应式传感器利用变压器的原理，所以大多为差动式，因此多被称为差动变压器式传感器。 4 .压电传感器的压电传感器是利用某个介电质材料具有逆压电效应的现象制作的。 一部分介电质材料，当外力(压力或拉伸力)在一定方向上作用而变形时，在其表面上产生电荷的外力被去除后，再次回到无带电状态，将机械能转换成电能的现象称为“正逆压电效应”，简称为逆压电效应。 当然，该介电质材料也具有“逆逆压电效应”，如果对对应的表面施加电压，则介电质材料发生

8、机械变形。 一旦去除电压，变形立即消失，电能转换为机械能。 反向逆压电效应也被称为电致伸缩效应。 压电式传感器只能按顺序逆压电效应制作。 压电材料多为结晶材料，但在自然段中多数结晶逆压电效应太弱，没有实用价值，只有水晶结晶和人造的制造的压电陶瓷混合双打具有良好的逆压电效应。 5 .光电传感器光电传感器是将光信号转换成电信号的传感器。 其理论基础是光电效应。 这种效果大致可分为三类。 第1个是外光电效应，即在光照射下可以使电子从物体表面逃逸。 利用这种效果制作的去老虎钳有真空光电管、光电子倍增管等。 二是内部光电效应，即光线照射下可以改变物质的电阻率。 这种去老虎钳包括各种半导体感光电阻。 第三

9、种是通过光生伏特效应，即光线在物体内产生电动势的现象，将该电动势称为光电动势。 这种去老虎钳包括光电池、光电晶体管等。 光电效应都是利用光电元件接受光时电气特性发生变化这一点。 敏感光的波长接近可见光，包括红外波长和子外波长。 光电传感器广泛应用于机电操纵系统。 6 .热电偶传感器将2种不同的金属导体与闭合电路连接，若两端温度不同(设为TT0)，则在电路中产生热电势。 由该温度产生电动势的现象称为热电效应。 两端的温差越大，产生的热电势也越大。 通常，将这些个2种不同导体的组合称为热电偶，将a、b两导体称为热电极。 两个接点中，一个是工作端(或也称为热端) t，测温时放置在被测量温度场上的另一

10、个自由端(或也称为冷端) T0要求冷端在某一温度下保持一定。7、数字传感器机电操纵系统对检测技术提出了数字化、高精度、高效率和高可靠性等一系列要求。 数字传感器可以满足这个要求。 它具有高测量精度，易于实现系统快速、自动化和数字化，易于与微处理器协同工作，组成数值操纵系统，在机械工业生产和自动测量中，广泛应用于机电操纵系统。 一般的数字传感器有查询密码盘式转角数字编码器、光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。 5.1.3传感器的基本特性传感器能否无失真地反映测量的变化，转换为对应的输出量变化，取决于传感器的基本特性静特性和动态特性。 静态特性是指测量状态稳定时与传感器投入产出值的关系。 动态特

11、性是指，随着时间的推移，与测量时传感器的投入产出值之间的关系。 1 .测量静态特性静态特性的性能指标是线性灵敏度极限分辨率或极限分辨率(逐一说明)延迟再现性；(1)线性(非线性误差)；线性是传感器的实特性曲线和拟合直线之间的最大偏差以及传感器全尺度输出的百分比，表示，即拟合直线的选择。 所谓(5-1)、(5-1)、(2)灵敏度、灵敏度是指传感器的稳定态下的输出变化值(dy )与输入变化值(dx )之比，用k表示，作为(5-2)的非线性传感器的灵敏度根据输入量的变化而变化，即传递系数是变量(参照图5-2 )。 例如，某传感器在位移变化1mm (输入信号变化量)时，输出电压变化为30mV (输出信

12、号变化量)，其灵敏度为30mV/mm。 (3)极限分辨率、极限分辨率极限分辨率和极限分辨率都是表示传感器和修正装置能够检测到被测定最小量的性能指标。 前者由最大数量的百分比表示，作为无量纲比率值的后者由最小范围的单位值表示，并且是维度的某个量的值。 如果测量的变化值小于极限分辨率，则传感器对输入量的变化没有任何反应。 (4)迟滞现象是指传感器的正方向特征与反方向特征曲线不一致的程度。 即，对于相同大小的输入信号，传感器正、反冲程时的输出信号大小不同。 迟滞现象h的值通常通过实验来确定。 迟滞现象现象的主要原因是传感器的机械部分有缺陷，如轴承磨损、有间隙、紧固件松动和材料内部分子之间的摩擦等。

13、(5-3)、(5)重复性能够用下式表示传感器使输入量在同一方向上连续地多次变动时得到的特征曲线的不一致的程度，如图5-4所示。 产生不一致的原因和产生迟滞现象现象的原因是一样的。 反复多次测试的曲线为重原来如此，该传感器的反复性越好，表示使用时的误差越小。 2动态特性传感器测量静态信号时，测量和记录的过程不受时间限制，因为测量的时间不会超过。 然而，实际的检测器大量测得的是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要正确地显示测得的幅度，还需要显示测得的随时间变化的规则，即，测得的波形。 传感器能够测量动态信号的能力由动态特性表示。 动态特性是在传感器测量动态信号时输出对输入的响应特性。 与静态

14、特性的主要不同之处在于，动态特性中的输出量和输入量的关系不是一定值，而是根据输入信号的频率而变化的时间的函数。 动态性好的传感器再现随时间变化的规则和输入量随时间变化的规则，即，具有相同的时间函数。 然而，除了理想情况外，实际传感器的输出信号和输入信号并不具有相同的时间函数，从而导致动态误差。5.1.4传感器的发展方向，传感器是检测系统的重要组成部分，其精度、可靠性、稳定性、抗扰度直接关系到机电操纵系统的性能。 因此，有必要开发新的传感器用于检测系统。 (1)传感器均应采用新材料、新技术、新技术及新理论来发展传感器，以利用材料的各种效应、特性等将非电量转换为电量。 (2)为了应对纠正备用机器处

15、理信息，应该开发数字传感器，使得它可以省略模拟计程仪数字电路变换，直接连接到纠正备用机器。 (3)为满足工业和实验中非接触检测的需要，使用声发射、激光、微波、红外等。 (4)发展“传像技术”。 随着科学的发展，不断要求传感“个别非电力”，要求传感被测量源的全部信息(即传达相)。 因此，传感器不仅仅是小型和小型的，还必须从单一发展成组合式(传感器阵列)的形式，其中，小的传感器能够检测出被测量源的一个“像素”，整体构成一个“感光器件”，显示在显视器上等。 (5)发展“仿生传感器”。 生物体内充满了视觉感知、听觉、嗅觉、味觉、触觉、冷热感觉等具有传感作用的细胞球，这些个的感觉细胞将非电力转换为“生物

16、电流”，神经系统传递到大脑进行处理，发出各种控制命令。 (6)传感器属于传感技术的范畴，传感元件是基础元件，只有具有优良的传感元件才能实现高性能的传感器，因此必须优先开发新的领域和原理，生产优良的传感元件。5.2传感器的正确选择和使用、5.2.1传感器的选择传感器的种类很多，对同一种类的被测量物理量选择不同的传感器。 例如，被测量物理量是位移，可以选择电阻应变式传感器、静电电容式传感器、感应式传感器、数字式传感器等。 当然，在选择传感器时需要考虑的因素很多，但在选择时未必满足要求，根据被测定残奥仪表的变化范围、传感器的性能指标、环境等要求进行选择，侧重点不同。 通常，传感器的选择应该将测定目的

17、、被测定物理量的特征、测定范围、输入信号的最大值和带宽、测定精度的要求、测定所需的时间等作为测试条件来考虑。 传感器性能包括精度、稳定性、响应速率、输出量(是模拟计程仪量还是数字量)、给予被测物负载效应的补偿周期、输入端保护等。 使用条件主要包括长环境条件(温度、大气湿度、振动等)的设置、时间的测量、所需的电力容量、与其他设备的连接、设备和维护服务等。 为了提高测量精度，通常的正常显示值以全光栅尺的50%左右选择测量范围(或光栅尺范围)。 即，由于传感器的基本工作原理，要注意可能出现在被测定对象上的负载效应，所选择的传感器在满足要求的同时价格低廉。 5.2.2传感器的正确使用传感器的正确使用是

18、处理传感器输出特征的主要问题：线性化和补偿问题传感器的标定问题噪声问题，1 .在线性化处理和补偿问题传感器的实际应用中，如果需要将输出量直接记录为显示并直读，则需要处理输出量。 由于许多传感器的投入产出特性是非线性的，或者曲线没有经过原点，因此为了将这些个的输出量转换成直接读数，必须将输出量乘以一定的系数进行校正补偿。 如果经由微处理器，则可以用软件进行线性化处理，另一方面，在模拟计程仪电路中，采用具有与传感器输出的输入特性相反的特征的元件，可以通过硬件进行线性化除法运算。 另一个处理用于当输出量包含被测量物理量以外的因素时克服这些个因素的影响。 2 .标定问题传感器或测量系统的结果应可靠。 这个验证过程称为校准。用于定位传感器和测量系统的基本方法是在对传感器或测量系统提供准确的已知变量样本之后，观察传感器或测量系统的响应以验证其适合度。 标定可以是静态的或动态的，取决于传感器和测量系统的类型和用途。 但是，由于很难得到已知的动态信号源，因此动态标定往往基于静态标定。 如果系统是线性的，可以进行单点标定。 但是，通常无论系统是线性的还是非线性的，都需要绘制响应曲线。 动态校准还需要绘制振幅响应