【正文】 第三章 檢測傳感器原理與應(yīng)用 ? 第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識 ? 第二節(jié) 角位移檢測傳感器 ? 第三節(jié) 線位移檢測傳感器 ? 笫四節(jié) 壓力檢測傳感器 下一頁 ? 第五節(jié) ? 第六節(jié) 轉(zhuǎn)速檢測傳感器 ? 第七節(jié) ? 習(xí)題與思考題 下一頁 上一頁 第一節(jié) 傳感器的基礎(chǔ)知識 ? 傳感器技術(shù)是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計、現(xiàn)代檢測技術(shù)和自動化控制技術(shù)的重要單元之一。它已廣泛地應(yīng)用到人類生活中的各個領(lǐng)域。上到宇宙探測，下到海洋開發(fā)，大到現(xiàn)代化生產(chǎn)線的自動化控制中，小到人們的日常生活中所用的家電產(chǎn)品，幾乎每一項現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都離不開傳感器。 ? 可以說，自動化的程度愈高，控制系統(tǒng)對所用傳感器的要求越高。在航空、航天、兵器工業(yè)、民用工業(yè)的發(fā)展中，傳感器技術(shù)對機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計的多功能起著決定性的作用。 ? 所以，傳感器技術(shù)也是現(xiàn)代技術(shù)中的三大技術(shù)（傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)）之一。傳感器技術(shù)的發(fā)展，大大地推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。新系統(tǒng)、新產(chǎn)品的開發(fā)研究，又推動了傳感器技術(shù)的發(fā)展。 ? 當(dāng)今傳感器技術(shù)的發(fā)展方向主要有兩個：一是開展基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)研究傳感器的新材料、新工藝、新方法；二是結(jié)合工程需要重點(diǎn)研究微型化、智能化、高精度、多功能式的各種傳感器。結(jié)合機(jī)電系統(tǒng)中的檢測系統(tǒng)設(shè)計需要，本章介紹各種信號檢測傳感器原理、性能、特點(diǎn)及應(yīng)用選用原則。 上一頁 下一頁 一、 ? 1. ? 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對溫度、壓力、流量、位移、液位和氣體成分 ? 2. ? 利用傳感器可對高溫、放射性污染以及粉塵彌漫等惡劣工作條件下的過程參量進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量與控制，并可實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。可用于溫控、防災(zāi)、防盜等方面的報警系統(tǒng)。在環(huán)境保護(hù)方面可用于對大氣與水質(zhì) ? 3. ? 傳感器可提供各種物理信號檢測信息，當(dāng)傳感器與計算機(jī)結(jié)合，使設(shè)備的自動化程度大大提高。在現(xiàn)代機(jī)器人設(shè)計中大量使用多種傳感器檢測多種物理信號，其中包括力、扭矩、力矩、壓力、位移、轉(zhuǎn)速和射線等多種傳感器。 上一頁 下一頁 ? 4. ? 傳感器可用于交通工具、道路和橋梁的監(jiān)測管理，以保證提高運(yùn)輸?shù)男剩乐故鹿实陌l(fā)生。還可用于陸地與海底資源探測以及空間環(huán)境、 ? 5. ? 利用傳感器可實(shí)現(xiàn)對病患者的自動監(jiān)測與監(jiān)護(hù)，可進(jìn)行微量元素的測定，食品衛(wèi)生檢疫等，尤其是作為離子敏感器件的各種生物電極，已成為生物工程理論研究的重要測試裝置。傳感器在民用設(shè)備中的應(yīng)用，例如 B超檢測儀、胃鏡檢測儀、變頻空調(diào)機(jī)、自動洗衣機(jī)、加濕器等，為病因檢測和家庭生活提供了使用方便。為機(jī)電產(chǎn)品性能安全、可靠 上一頁 下一頁 二、 ? 1. 傳感器的組成 ? 人們通常把能夠按照一定規(guī)律將被測物理量變換為與之相對應(yīng)的另一種物理量的裝置叫做傳感器，也叫變換器，又稱為探測器。作用是將各種非電量轉(zhuǎn)換成其他量，由接口電路轉(zhuǎn)換輸出電壓量。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路組成，如圖 31 ? (1) 敏感元件 : 直接感受被測量，并以確定關(guān)系輸出某一物理量，如 ? (2) 轉(zhuǎn)換元件 : 將敏感元件輸出的非電物理量（如位移、應(yīng)變等）轉(zhuǎn) ? (3) 基本轉(zhuǎn)換電路 : 將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電量如電壓、電流、 上一頁 下一頁 圖 31 傳感器組成框圖 上一頁 下一頁 ? 2. ? ? (1) 按被測物理量分類。這種方法明確表明了傳感器的作用，便于使用者選擇，如位移傳感器用于測位移，壓力傳感器用于測量壓力等。 ? (2) 按傳感器工作原理分類。這種方法表明了傳感器工作原理，有利于傳感器設(shè)計和應(yīng)用，如應(yīng)變式傳感器、壓阻式傳感器、壓電式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式、熱電式、半導(dǎo)體式傳感 ? (3) ? ① 能量轉(zhuǎn)換型又稱發(fā)電型，不需外加電源而將被測量轉(zhuǎn)換成電能輸 ? ② 能量控制型又稱參量型，需外加電源才能輸出測試電壓量。這類傳感器有電阻、電感、霍爾式等傳感器以及熱敏電阻、光敏電阻、濕 上一頁 下一頁 ? (4) 按傳感器工作機(jī)理分類 : ? ① 結(jié)構(gòu)型。被測參數(shù)變化引起傳感器的結(jié)構(gòu)變化 ,使輸出電量變化 ,利用物理學(xué)中的定律和運(yùn)動定律等構(gòu)成 ,如電感式、電容式傳感器等。 ? ② 物性型。利用某些物質(zhì)的某種性質(zhì)隨被測參數(shù)變化的原理構(gòu)成。傳感器的性能與材料密切相關(guān)，如壓電傳感器、光電傳感器、各種半導(dǎo)體傳感器等。 ? (5) 按傳感器輸出信號的形式分類 : ? ① ? ② ? 習(xí)慣上，常把工作原理和用途結(jié)合起來命名傳感器，如電阻應(yīng)變式位移傳感器、壓阻式壓力傳感器、應(yīng)變式力傳感器、壓電式加速度傳感器等，有利于設(shè)計檢測系統(tǒng)選擇。 上一頁 下一頁 三、 ? 隨著科學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展，使傳感器性能、功能和可靠性得到提高。傳感器技術(shù)的發(fā)展是：開展基礎(chǔ)研究，采用新原理，開發(fā)新材料，采用新工藝，與現(xiàn)代 ? 1. ? 利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)等各種傳感器的基本原理，啟發(fā)人們進(jìn)一步去發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)，結(jié)合新開發(fā)的材料和新工藝，并以此研制出具有新原理、新型物理型傳感器 ,這是發(fā)展高性能、多功能傳感器的重要途徑。 ? 2. ? 集成化是指在同一芯片上或?qū)⒈姸嗤活愋偷膯蝹€傳感器集成為一維、二維陣列型傳感器， ? 或?qū)鞲衅髋c調(diào)整、補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w化。 上一頁 下一頁 ? 3. ? 多功能化就是使傳感器能同時具有多種檢測功能。多功能集成傳感器是傳感器發(fā)展的一個重要方向，即在一個芯片上集成多種功能敏感元件或同一功能的多個敏感元件，如復(fù)合壓阻傳感器，一個芯片可同時檢測壓力和溫度。 ? 4. ? 智能化的傳感器是一種帶微型計算機(jī)兼有檢測、放大、信息處理、人機(jī)交互、自診斷和保護(hù)等功能的傳感器。例如 : 智能式 PPT壓力傳感 ? 5. ? 大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設(shè)計師。它通過漫長的歲月，不僅造就了集各種感官于一體的人類本身，而且還設(shè)計了許多功能奇特、性能高超的生物傳感器，且這些功能與性能是人類本身的感官能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上的或缺少的 上一頁 下一頁 四、 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用傳感器選擇 ? 在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計中，信號的檢測顯示與檢測控制是系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，所選用的傳感器工作條件差，工作時間長。傳感器的優(yōu)劣，一般通過主要性能指標(biāo)來表示。 ? 1. ? (1) ? (2) ? (3) ? (4) ? (5) ? (6) ? (7) ? (8) ? (9) 上一頁 下一頁 ? ? 在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計中，可檢測的物理量各種各樣，可采用的傳感器品種很多，為了滿足工程實(shí)際設(shè)計使用要求，對傳感器的選擇就顯得更加重要。對于同一種的被測物理量，可選擇各種不同的傳感器。 ? ? (1) 傳感器的量程應(yīng)大于測試信號最大值的 ～ ? (2) 傳感器的固有頻率應(yīng)大于測試信號頻率的 5～ 10 ? (3) 傳感器的準(zhǔn)確度小于系統(tǒng)總不確定度的 1/3 ? (4) ? (5) 傳感器工作溫度大于傳感器測量溫度的 2 ? (6) 長期使用重復(fù)性誤差小于 177。 ? (7) ? (8) 上一頁 下一頁 五、 ? 傳感器性能分為靜態(tài)性能指標(biāo)，動態(tài)性能指標(biāo)。常采用的評價方法是靜態(tài)標(biāo)定方法，動態(tài)標(biāo)定方法。根據(jù)國家計量規(guī)程要求，在傳感器出廠前或者是在使用前都必須進(jìn)行標(biāo)定。對于不同類型的傳感器采用不同的標(biāo)定或校準(zhǔn)方法，確保傳感器在使用中可靠性好、安全性好、準(zhǔn) ? 確度應(yīng)滿足檢測使用要求。 ? 1. ? 標(biāo)定是指利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知非電量（標(biāo)準(zhǔn)量），或用基準(zhǔn)量來確定傳感器輸出電量與非電輸入量之間關(guān)系的過程。 ? (1) 標(biāo)定系統(tǒng)的組成。 一般由被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，待標(biāo)定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)器和顯示、記錄 ? (2) 靜態(tài)標(biāo)定方法。 指輸入已知標(biāo)準(zhǔn)非電量，測出傳感器的輸出電壓，給出標(biāo)定曲線，求標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計算靈敏度、線性度、滯后性、重復(fù)性等傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)。 上一頁 下一頁 ? (3) 動態(tài)標(biāo)定方法 : 用于確定傳感器動態(tài)性能指標(biāo)。通過確定其線性工作范圍（用同一頻率不同幅值的正弦信號輸入傳感器，測量其輸出），頻率響應(yīng)函數(shù)，幅頻特性和相頻特性。 ? 2. ? 傳感器需定期檢測其基本參數(shù)，判定是否可繼續(xù)使用，如能繼續(xù)使用，則應(yīng)對其有變化的主要指標(biāo)（如靈敏度）進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。確保傳感器的測量準(zhǔn)確度的過程，稱之為傳感器的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)與標(biāo)定的內(nèi)容是基本相同的 , 上一頁 返回 第二節(jié) 角位移檢測傳感器 ? 一、 電阻式角位移傳感器 ? 1. 線繞電位器式角位移傳感器原理結(jié)構(gòu) ? 電位器式角位移傳感器的工作原理如圖 32所示，結(jié)構(gòu)如圖 33所示。傳感器的轉(zhuǎn)軸與待測角度的轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)待測物體的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過一個角度時，電刷在電位器上轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的角位移，于是在輸出端產(chǎn)生一個跟角度成正比的輸出電壓 U。