《单元三机电一体系统传感检测技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单元三机电一体系统传感检测技术.ppt（141页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、1,机电一体化技术,任课老师：王慧萍,Mechatronics,单元三 机电一体化传感检测技术,3.1 传感器组成与分类3.2 典型常用传感器3.3 传感器的选择方法3.4 传感器数据采集及其与计算机接口,1.掌握传感器组成及工作原理2.熟悉传感器的分类3.掌握常用传感器在工业中的应用4.掌握开关量、数字量、模拟量传感器输出信号处理方法,4,汽车上的传感器,5,起重机械上的传感器,履带起重机,各种电子秤,安全检查门,离子感烟器,明火探测器,温度传感器,光电传感器,湿度传感器,机油压力传感器,超声波传感器,风速传感器,色标传感器,全自动血压机,自动旋转门,CNC机床内部功能构成实例,3.1 传感
2、器组成与分类,13,检测：利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。,图 自动检测系统原理框图,人体系统和机器系统比较眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）,感知外界信息 大脑 肌体,传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技术三大支柱之一。,17,传感器：能够检测出自然界中的各种物理量(或者化学量)，并转换成相应非电量或电量的装置，又称为变送器、换能器或探测器。,图 人与机器的机能对应关
3、系图,传感器定义有以下含义它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检测装置；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。按使用场合不同又称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头,传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,传感器的组成,辅助电源,敏感元件,转换元件,转换电路,被测量,电量,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，
4、它把输入转换成电路参量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,物理、化学、生物信息,传感器的分类,物理型：化学型：利用电化学反应原理 生物型：利用生物活性物质选择性,结构型：取决于几何尺寸和形状物性型：取决于材料性质,按传感器的工作原理,按被测量,温度、流量、压力、湿度、浓度、力学量、磁学量、光学量、气体成分等,根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器按可变电参量：电阻型、电感型或电容型按传感器技术发展：聋哑传感器(Dumb Sensor)、智能传感器(Sma
5、rt Sensor)、网络化传感器(Networked Sensor),其他分类,22,表3-1各种物理量的传感器,典型常用传感器,位置传感器,按照是否为接触检测，位置传感器可分为接触式开关、非接触式开关等。接触式开关包含封入式、微动开关、精密式等极限开关;非接触式又分为接近开关和光电开关。,24,1.极限开关(微动开关)接触式极限开关主要用于极限位置的检测，当机械挡块撞击到极限开关滚轮上时，极限开关动作。极限开关的外观和内部结构如,(a)外观;(b)接触形式:逆切换型,25,2.接近传感器 接近传感器是一种非接触式位置传感器，能够感知物体的靠近，利用位移传感器对接近物体所具有的敏感特性，达到
6、识别物体靠近、并输出开关信号的目的。,图3-4舌簧传感器结构图,图3-5舌簧传感器的位置控制方法,3.光电传感器 光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器，又称为光电开关。光电二极管是最常见的光电传感器。,光电传感器一般由发光元件(发光二极管，即LE D)和受光元件(光敏三极管)组合构成。,图3-6光电传感器的位置控制方法,表3-2光电效应的种类,3.2.2 位移传感器按照运动形态，位移传感器可分为直线位移传感器和角位移传感器。直线式位移传感器主要有差动变压器、电位器、光栅尺、光学式位移测定装置等。角位移传感器主要有旋转编码器等。,位移传感器还可以分为模拟式传感器和数字式传感器，模拟式
7、传感器输出是以幅值形式表示输入位移的大小，如电容式传感器、电感式传感器等;数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少表示位移的大小，如光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。光电编码盘的输出是一组不同的编码代表不同的角度位置。下面分别介绍模拟式位移传感器、数字式传感器的原理。1.模拟式位移传感器以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。,3.2.2 位移传感器,1.模拟式位移传感器以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。按其转换方式的不同，可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡
8、流式。互感型又称为差动变压器式。(1)可变磁阻式电感传感器。主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。,1-线圈;2-铁心;3-活动衔铁;4-测杆;5-被测件,适用于0.001-1mm较小位移的测量.,(2)差动变压器式电感传感器。互感型电感传感器是利用互感M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。,返回,(a),(b)工作原理;(c)输出特性,3.2.2 位移传感器,返回,2.数字式位移传感器 数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成直线形和
9、圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。(1)光栅位移传感器。光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种它的特点是测量精确高(可达1m)、响应速度快和量程范围大(一般为12 m，连接使用可达到10m)等。,1-光栅;2-光栏板;3-光电接收元件;4-光源,光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多.,什么是光栅？由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件,光栅栅距或光栅常数,W,条纹间距,W,条纹间距,光电元件,W,如何测量微小位移量？,光电元件,光电元件感受的光强变化是否明显？,条纹位置方向不同
10、,条纹运动方向不同,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头（与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,光栅的外形及结构,防尘保护罩的内部为长光栅,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅的外形及结构（续）,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,莫尔条纹特性,1.莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。2.当两光栅沿与栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。,3、莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线夹角而改变。4、莫尔条纹移过的条纹数与光栅移
11、过的刻线数相等。,光栅在机床上的安装位置（2个自由度）,光栅在机床上的安装位置（3个自由度）,数显表,光栅在机床上的安装位置（3个自由度）（续）,2自由度光栅数显表,X位移显示,Y位移显示,3自由度光栅数显表,光栅数显表（续）,三座标数显表,工作台,光栅传感器,位置指令,Pc,Pe,位置偏差,位置反馈,Pf,数控机床的位置控制系统,安装有直线光栅的数控机床加工实况,防护罩内为直线光栅,光栅扫描头,被加工工件,切削刀具,角编码器安装在夹具的端部,典型常用传感器,感应同步器,感应同步器主要是用在高精度数字显示系统或数控闭环系统中用以检测角位移或线位移信号。例如高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电
12、望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高精度位置检测系统中。,感应同步器种类,直线感应同步器：1.标准型尺：2.窄型尺：3.超窄型尺：4.带尺：5.组合尺：,圆盘型感应同步器：按尺寸：5吋；7吋；12吋按级数：360级，720级另外还有一体型等等,感应同步器的特点：,1.受环境条件的影响较小，抗干扰能力强。2.精度较高。（最高可到1微米和1角秒）3.长度较长，可接长。（最长到16米）4.使用寿命长。5.接长安装调试不便，安装要求高。6.成本相对较高。,典型常用传感器,感应同步器,图3-12感应同步器原理图,直线型感应同步器由定尺和滑尺组 成，测量直线位移，用于闭环伺服系统。分别安装在机械设备的固定
13、和运动部分，机械相对运动时，滑尺相对定尺移动,定尺和滑尺绕组分布见图：,定尺绕组,滑尺绕组,定尺绕组是连续的，其周期（T）是2毫米，均匀的分布在250毫米的长度上。滑尺上两相绕组，分别称为正弦绕组(SIN)和余弦绕组(COS)当滑尺上的绕组加上交流激磁电压时，根据电磁感应原理，定尺上的连续绕组有感应电压输出，感应电压的幅度和相位与激磁电压有关，也与滑尺和定尺的相对位置有关。通过检测定尺上的电压就能知道定滑尺之间的相对位置，我们的数显表就是通过这个原理来实现的。,典型常用传感器,圆盘式感应同步器 其转子相当于直线感应同步器的滑尺，定子相当于定尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。,(a)
14、定子;(b)转子,3.2.3 速度和加速度传感器,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发电机。根据定子磁极激磁方式的不同，直流测速机可分为电磁式和永磁式两种。如以电枢的结构不同来分，可分为无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。,3.2.3 速度和加速度传感器,光电式转速传感器光电式转速传感器将速度的变化转变成光通量的变化，在通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量变化，即利用光电脉冲变成电脉冲，光电转换元件的工作原理是光电效应。,光电效应,所谓光电效应就是指物体吸收光能后产生的电效应。可分为3类。（1）外光电效应。它是指物质在光的照射下发生电子逸出的现
15、象。如光电管,光电倍增管等。（2）内光电效应。它是指材料在光的照射下发生电阻率变化的现象。如光敏电阻，光导管等。（3）光生伏特效应。它是指物体在光的照射下，其内部产生一定电势的现象。如光敏二极管，光敏晶体管，光电池等。,工作原理,它是由装在轴上的带孔或缝隙的旋转盘（光电编码盘），光源，光接收器等组成，输入轴与被测轴相连接。光源发出的光通过缝隙旋转盘照射到光敏器件上，使光敏器件感光并产生电脉冲。转轴连续转动，光敏器件就输出一系列与转速及带缝隙旋转盘上缝隙数成正比的电脉冲数。在指示缝隙数一定的情况下，该脉冲数和转速成正比。,光电式转速传感器原理图（a）光线被遮住，接收器无信号（b）光线未被遮住，接
16、收器有信号,当带缝隙的旋转盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的相同，因此带缝隙旋转盘每转一周，光敏器件输出与之相等的电脉冲，根据测量时间内的脉冲数N就可测出测速为 n=60N/Zt式中，Z为带缝隙旋转盘上的缝隙数：n 为转速 电脉冲送入测量电路进行放大和整形后，再送入频率计显示。也即可专门设计一个计数器进行计数和显示,工作原理,特点：1、光电转速传感器为非接触式转速表光电转速传感器采用光学原理制造，属于非接触式转速测量仪表，它的测量距离一般可达200mm左右。光电转速传感器的测量无需与被测量对象接触，不会对被测量轴形成额外的负载，因此光电转速传感器的测量误差更小，精度更高。,2、
17、光电转速传感器的结构紧凑光电转速传感器的结构紧凑，主要由投射光线部件、接收光线部件也就是光敏元件和放大元件等组成，因此光电转速传感器的体积设计小巧、内部结构精致，一般重量不会超过200g，非常便于使用者的携带、安装和使用。,3、光电转速传感器的抗干扰性好光电转速传感器多采用LED作为光线投射部件，极少会出现光线停顿的情况，也不会存在灯泡烧毁等故障危险。另外，光电转速传感器的光源都是经过特殊方式调制的，有极强的抗干扰能力，不会受普通光线的干扰。,4、光电转速传感器的测量能力好光电转速传感器的可采用光纤封装，可于测量微小的物体，特别是微小旋转体的测量，特别适用于高精密、小元件的机械设备测量。光电转
18、速传感器的运行稳定，有良好的可靠性，测量的精度较高，能满足使用者的测量要求。,3.2.3 速度和加速度传感器,加速度传感器工作原理：利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，间接度量被测加速度。最常用的有应变式、压电式、电磁感应式等。,应变式传感器基本工作原理应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。,若通过弹性体或试件把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换成应变，则可测量上述各量，而做成各种应变式传感器。,
19、压电式传感器的工作原理是利用某些介质材料的压电效应。当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。,某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。,1.压电效应及压
20、电材料,3.2.3 速度和加速度传感器,正（顺）压电效应示意图,1.压电效应,反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。,图 压电效应的可逆性,1.压电效应,石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。,1.压电材料,压电晶片的连接方式,在实际应用中，由于单片的
21、输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。,并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。,串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。,下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。,压电式加速度传感器结构图,
22、压电式加速度传感器,当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即,F=ma,式中：F质量块产生的惯性力；m质量块的质量；a加速度。,与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。,此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为,3.2.4 温度传感器,工作原理：能感受温度并转换成可用输出信号的传感器,测量方法,工作原理,温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。,温度测量分类,3.2.4 温度传感器,CPU散热风
23、扇,低温时为蓝色,温度升高后变为红色,3.2.4 温度传感器,3.2.4 温度传感器,热敏电阻器：是一种有代表性的接触式温度传感器。它是一种半导体热敏元件，其电阻值随温度的变化而变化。其制作方法是以锰(Mn),镍(Nib)、钻(Co)等金属氧化物为主要成分的半导体，在高温下烧结成陶瓷热敏电阻器。,(a)珠形;(b)片形,表3-3热敏电阻器的种类与特性,一般不适合高精度测量，但在测温范围较小时，也可获得较好的精度，非常适合用于家用电器如：空调、复印机、电子体温计（常见的电子体温计基本上都是体积较小的珠粒状热敏电阻）等产品中作为测温元件。,CTR：自动控温和报警电路，构成热控制开关，温度低于某一个
24、温度/开，温度高于某一个温度/关，恒温控制箱，中央空调可以用。PTC：恒温控制装置，温度超过某一限定值，实现控制。彩色电视机自动消磁装置；功率型PTC作为发热元件。NTC：构成热测量装置，或者温度补偿。,应用,3.2.4 温度传感器,热敏探头、引线和壳体,MF12型TC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,热敏电阻结构形式,3.2.4 温度传感器,其他形式的热敏电阻,MF58 型热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,3.2.4 温度传感器,带安装孔的热敏电阻,3.2.4 温度传感器,贴片式NTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻,3.2.4 温度传感器,MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻,MF5A-
25、3型热敏电阻,3.2.4 温度传感器,1）电阻温度系数绝对值大，因而灵敏度高，测量线路简单，甚至不用放大器便可输出几伏的电压；2）体积小、重量轻、热惯性小；3）本身电阻值大，不需要考虑引线长度带来的误差，因而适合远距离测量；4）热敏电阻产品已经系列化生产，便于设计选用；5）工作寿命长，且价格便宜。,热敏电阻特点,优点：,3.2.4 温度传感器,1）非线性大，在电路上需要进行线性化补偿；2）稳定性稍差，有老化现象；3）同一型号有35的阻值误差，常数B也有3左右误差，所以一致性差，要互换时要进行挑选。,缺点：,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,应用举例,大功率PTC热敏电阻可用在电吹风作为发热
26、元件。,当温度升高时，其阻值升高，从而达到自动限流保护的功能。,热敏电阻体温表及电路图,热敏电阻用于CPU的温度测量,热敏电阻用于电热水器的温度控制,铂热电阻器,3.2.4 温度传感器,工作原理基于热电阻效应。,随着温度的增高，金属材料的电阻率会随着发生变化，这个电阻率变化的比例我们用一个系数来表示，称为材料的电阻温度系数t，这种现象我们就称为热电阻效应。,热电阻传感器的结构,铂热电阻器,薄膜型及普通型铂热电阻,小型铂热电阻,防爆型铂热电阻,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,热电偶传感器和热电阻传感器的区别,工作原理 热电阻工作原理基于热阻效应 热电偶工作原理基于热电效应测温范围 热电阻测温
27、范围,铂：-200850,铜：-50150,热电偶测温范围广：-2601800,特性,相同温度下，热电阻测温输出信号大，容易测量。热电阻感温部件尺寸较大，反映较慢。,热电偶,3.2.4 温度传感器,3.2.5 红外线传感器,红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。,双元热释电红外传感器,3.2.5 红外线传感器,红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等
28、组成。,双元热释电红外传感器,3.2.5 红外线传感器,分类,根据红外线传感器的工作原理，大体上可以分为两种类型:一种为热型红外线传感器，另一种为量子型红外线传感器。热型红外线传感器的特点是:灵敏度和响应速度均较低，波长带域较宽，可以在常温下使用，使用时比较方便等。量子型红外线传感器则具有检测的灵敏度高，响应速度快等特点。,111,热型红外线传感器利用了红外线的热效应，使传感元件受热而温度上升，因而使传感元件的电气性能发生变化，检测这一变化并转换成标准电信号输出。热型红外线传感器主要作为红外分光器使用。原理、特点及应用见表3-4,3.2.5 红外线传感器,112,3.2.5 红外线传感器,表3
29、-4热型红外线传感器的原理、特点及应用实例,红外线辐射温度计外形,红外线辐射温度计用于食品温度测量,红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用,耳温仪,2023/6/4,115,军用热成像传感器的效果,白亮处有一辆坦克,通过红外传感系统达到遥感的无人驾驶飞机,军事上的应用,红外遥感反卫星系统核心-红外传感器,对目标国家和地区的资源状况的监视 监视对方军事部署和大规模的军事移动 可以帮助分析局部的地形、资源状况，从而帮助己方进行战术行动的方案判断,军事上的应用,第三代双波段红外传感坦克,军事上的应用,生活中的应用,宝马夜视红外热成像系统,红外线遥控鼠标器：在机械式鼠标器底部有一个露出一部分的塑胶小
30、球,当鼠标器在操作桌面上移动时,小球随之转动在鼠标器内部装有三个滚轴与小球接触,其中有两个分别是X轴方向和Y轴方向滚轴,用来分别测量X轴方向和Y轴方向的移动量,另一个是空轴,仅起支撑作用。拖动鼠标器时,由于小球带动三个滚轴转动,X轴方向和Y轴方向滚轴又各带动一个转轴(称为译码轮)转动译码轮两侧分别装有红外发光二极管和光敏传感器,组成光电耦合器。光敏传感器内部沿垂直方向排列有两个光敏晶体管A和B。由于译码轮有间隙,故当译码轮转动时,红外发光二极管发,照相机中的红外线传感器夜视功能,索尼数码摄像机首创了红外线夜视摄影功能，能够在全黑环境下进行拍摄，甚至连肉眼也不能分辨清楚的物体，现在也可以清晰地拍
31、摄下来。,生活中的应用,条形码扫描器,打印机红外线轴套扫描器,生活中的应用,红外传感器应用在智能机器人中,随着时代和科技的发展，越来越多的智能产品出现在我们的面前。我们之所以称它们智能，是因为他们拥有一个比较发达的“大脑”当然，这个大脑就是计算机。除了这个大脑以为，还有一个使它们具有智能化的重要原因就是在它们的内部拥有各式各样的内部信息传感器和外部信息传感器。这样就使得它们拥有人类一样的嗅觉，视觉，触觉，听觉等等。右图是现在全世界非常著名的 QRIO机器人在打太极拳的图片,124,3.3 传感器的选择方法,传感器,信号调理,信号处理、显示,125,1）测试的对象、目的和要求测量的对象；目的；被
32、测量的选择；测量范围；输入信号的最大值；频带宽度；测试精度要求；测量所需要的时间等。2）传感器的特性静、动态特性指标；输出量的类型；校正周期；过载信号保护；配套仪器等。,.传感器选用注意事项,126,3）测试条件包括传感器的设置场所；环境(温度、湿度、振动等)；测量时间；与其它设备的连接距离；所需功率等。4）与购买和维护有关的事项性价比；零配件的储备；售后服务与维修制度、保修时间；交货日期等。,127,选择传感器时要考虑的事项很多，但无需满足所有的事项要求，应根据实际使用的目的、指标、环境等，有不同的侧重点。例如，长时间连续使用的传感器就必须重视经得起时间考验等长期稳定性问题；而对机械加工或化
33、学分析等时间比较短的工序过程则需要灵敏度和动态特性较好的传感器。为了提高测量精度，应注意以平常使用时的显示值要在满刻度的50左右来选择测定范围或刻度范围。选择传感器的响应速度，目的是适应输入信号的频带宽度。合理选择设置场所，注意安装方法，了解传感器的外形尺寸、重量等。,128,选用传感器需要注意的几点注意事项中，比较重要的一点就是必须对所选传感器的性能特点有足够的了解。如果仅仅是简单的应用，则可以通过对传感器的性能指标的了解来选择传感器；若应用要求较高，环境复杂，则还需要从传感器的原理等方面对传感器的性能进行考察，如从传感器的工作原理出发，分析被测物体中可能会产生的负载效应等问题，以确定选择哪
34、一种传感器最合适。,如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器，需要认真考虑以下六个问题：灵敏度；响应特性；线性范围；稳定性；精确度；测量方式。,传感器的选用原则,灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下问题。当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，难以保证传感器的输入在线性区域内工作。过高的灵敏度，影响其适用的测量范围，应要求传感器的信噪比愈大愈好。当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度
35、愈小愈好；如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。,传感器的选用原则,131,响应特性 传感器的响应特性是指，在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。但实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率宽；而结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响、机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、随机等)。,传感器的选用原则,线性范围在
36、线性范围内，传感器的输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。为了保证测量的精确度，传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。然而，在某些情况下，保证传感器绝对工作在线性区域内也是不容易的。在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。,传感器的选用原则,稳定性传感器的稳定性是经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。为了
37、保证传感器长期稳定地工作，而不需经常地更换或校准，在选择和使用传感器时应注意以下两个问题。根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑湿度的影响；又如，对变极距型电容式传感器和光电传感器，环境灰尘油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质和感光性质。对于磁电式传感器或霍尔效应元件等，应考虑周围电磁场带来测量误差。滑线电阻式传感器表面有灰尘时，将会引入噪声。要创造或保持良好的使用环境。,传感器的选用原则,精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。在某些情况下，要求传感器的精确度愈高
38、愈好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在0.10.001mm范围内。在实际中，需要同时兼顾测量目的和经济性。对于定性分析的试验研究，应要求传感器的重复精度高，而不要求测试的绝对量值准确；对于定量分析，那么必须获得精确量值。,传感器的选用原则,测量方式传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。例如，在机械系统中，对运动部件的被测参数，往往采用非接触测量方式。例如回转轴的误差、振动、扭矩等情况，采用电容式、涡流式、光电式等非接触式
39、传感器很方便，若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。例如，生产过程监测或产品质量在线检测等，宜采用涡流探伤、超声波探伤、核辐射探伤以及声发射检测等。尽可能选用非破坏性检验，以直接获得经济效益。,传感器的选用原则,在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。对于自动化过程检测与控制系统，往往要求在线检测。实现在线检测是比较困难的，对传感器与测试系统都有一定的特殊要求。例如，在加工过程中，实现表面粗糙度的检测，以往的光切法、千涉法、触针法等都无法运用，取而代之的是激光、光纤或图像检测法。研制在线检测的新型传感器，也是当前测试技术发展的一个方面。除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾
40、结构简单、体积小。重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。,传感器的选用原则,3.4传感器数据采集及其与计算机接口,1.模拟型测量电路 模拟型测量电路适合于电阻式、电感式、电容式、电热式等输出模拟信号的传感器。,2.数字型测量电路 数字型测量电路有绝对码数字式和增量码数字式。绝对码数字式传感器输出的编码与被测量一一对应，每一码道的状态由相应的光电元件读出，经光电转换、放大整形后，得到与被测量相对应的编码。,3.4传感器数据采集及其与计算机接口,3.开关型测量电路 传感器的输出信号为开关信号，如光电开关和电触点开关的通断信号等。这类信号的测量电路实质为功率放大电路。,4.转换电路 中间转换电
41、路的种类和构成由传感器的类型决定。这里对常用的转换电路，如电桥、放大电路、调制与解调电路、模/数(A/D)与数/模(D/A)转换电路等的作用做一简单说明，其工作原理及应用电路请参考相关资料。(1)电桥。电桥适用于参量式传感器。其作用是被测物理量的变化引起敏感元件的电阻、电感或电容等参数的变化，转化为电量。,3.4传感器数据采集及其与计算机接口,(2)放大电路。放大电路通常由运算放大器、晶体管等组成，用来放大来自传感器的微弱信号。,(3)调制与解调电路。由传感器输出的电信号多为微弱的、变化缓慢的类似于直流的信号，若采用一般直流放大器进行放大和传送，零点漂移及干扰等会影响测量精度。因此常先用调制器
42、把直流信号变换成某种频率的交流信号，经交流放大器放大后再通过解调器将此交流信号重新恢复为原来的直流信号形式(4)模/数与数/模转换电路。在机电一体化系统中，传感器输出的信号如果是连续变化的模拟量，为了满足系统信息的传输、运算处理、显示或控制的需要，应将模拟量变为数字量，或再将数字量变为模拟量，前者就是模/数转换，后者就是数/模转换。,小结,1.传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。2.传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。3.按传感器输出信号类型分为模拟型、开关型和数字型传感器。4.按照是否为接触检测，位置传感器可分为接触式开关、非接触式开关等。
43、接触式开关包含封入式、微动开关、精密式等极限开关；非接触式又分为接近开关和光电开关。5.位移传感器可分为直线位移传感器和角位移传感器。直线式位移传感器主要有差动变压器、电位器、光栅尺、光学式位移测定装置等。角位移传感器主要有旋转编码器等。6.光栅莫尔条纹的特点是起放大作用，用W表示条纹宽度，P表示栅距，表示光栅条纹间的夹角，则有W=P/。7.直流测速机是一种测速元件，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。8.在传感器线性范围内，灵敏度越高，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但传感器灵敏度高，外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。,谢谢大家,
