【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可進(jìn)行非接觸測(cè)量，然而，輸入阻抗高，負(fù)載能力差 [4]。電容式傳感器精度 可達(dá) ％。 其運(yùn)用實(shí)例有電容傳聲器、轉(zhuǎn)速測(cè)量、電容測(cè)厚儀、電容式油量表等。 電感式傳感器 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移，壓力，流量，振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。 電感式傳感器具有以下特點(diǎn)： （ 1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長(zhǎng)。 （ 2） 靈敏度和分辨力高，能測(cè)出 微米的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出 。 （ 3）線性度和重復(fù)性都比較 好，在一定位移范圍（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差可達(dá) %~%。同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低，不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)控等缺點(diǎn)。 電感式傳感器種類很多，常見(jiàn)的有自感式，互感式和渦流式三種。 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 9 頁(yè) 共 23 頁(yè) 圖中介紹的是自感式傳感器。由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸 變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點(diǎn)是： ① 無(wú)活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長(zhǎng)； ② 分辨率高； ③ 靈敏度高； ④ 線性度高、重復(fù)性好； ⑤ 測(cè)量范圍寬（測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低）； ⑥ 無(wú)輸入時(shí)有零位輸出電壓，引起測(cè)量誤差； ⑦ 對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；⑧ 不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測(cè)量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積 型和螺管插鐵型。在實(shí)際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動(dòng)式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 變間隙型電感傳感器 這種傳感器的氣隙 δ 隨被測(cè)量的變化而改變 ,從而改變磁阻（圖 1）。它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增大而減小，因此常常要考慮兩者兼顧。 δ 一般取在 ～ 毫米之間。 變面積型電感傳感器 這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對(duì)覆蓋面積（即磁通截面）隨被測(cè)量的變化而改變 ,從而改變磁阻（圖 2）。它的靈敏度為常數(shù)，線性度也很好。 螺管插鐵型電感傳感器 它由螺管線圈和與被測(cè)物體相連的柱型銜鐵構(gòu)成。其 工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵隨被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制作。 電感式傳感器的應(yīng)用實(shí)例有：測(cè)厚、零件計(jì)數(shù)、側(cè)轉(zhuǎn)速、無(wú)損探傷、測(cè)微技術(shù)等。 壓電式傳感器 壓 電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng) , 是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí) , 其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。 壓電式傳感器的等效電路：壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英晶體為絕緣體，因此可 以構(gòu)成一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的 兩個(gè)極板 , 極板間黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 10 頁(yè) 共 23 頁(yè) 物質(zhì)等效于一種介質(zhì) , 則其電容量為： ???? SCa 0?，壓電元件受外力時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電 荷，壓電元件的開(kāi)路電壓為：aCQU? 。 壓電傳感器可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)。如下圖 (a) 壓電傳感器也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。如下圖（ b） 電壓靈敏度與電荷靈敏度之間的關(guān)系為：aqu Ckk ? 壓電式傳感器的測(cè)量電路： 測(cè)量時(shí)，需把壓電傳感器用電纜接于前置放大器，前置放 大器作用： 一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)；二是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。 電壓放大器如圖（ a）： 電荷放大器如圖（ b）： （ b） 壓電式傳感器的性能特點(diǎn)：高阻抗、低能量；但是無(wú)靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗。需用低電容的低噪聲電纜。 壓電式傳感器的應(yīng)用有：壓電式測(cè)力傳感器、壓電式加速度傳感器、壓電式金屬加工切削力測(cè)量、壓電式玻璃破碎報(bào)警器等。 壓電式金屬加工切削力測(cè)量： C au a C aq( a ) ( b )黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 11 頁(yè) 共 23 頁(yè) 壓電式玻璃破碎報(bào)警 器： 霍爾式傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬 (從直流到微波 )、動(dòng)態(tài)范圍大 (輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá) 1000:1)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。如下圖： 霍爾元件的主要性能參數(shù)： （ 1） 輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻：控制電極間的電阻 輸出電阻：霍爾電極之間的電阻 （ 2） 額定控制電流和最大允許控制電流 額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生 10℃溫升時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制電流值 最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對(duì) 應(yīng)的控制電流值 （ 3） 不等位電勢(shì)：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)。 （ 4） 寄生直流電勢(shì) 霍爾元件零位誤差的一部分 當(dāng) 沒(méi)有外加磁場(chǎng)，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢(shì) 控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。 兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(shì) （ 5） 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化 1 度時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率。 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 12 頁(yè) 共 23 頁(yè) 霍爾傳感器的靈敏度和線性度主要取決于磁路系統(tǒng)和霍爾元件的特性。 霍爾傳感器動(dòng)態(tài)性能好。 霍爾傳感器的基本測(cè)量電路如下：激勵(lì)電流由電壓源 E 供給，其大小由可變電阻來(lái)調(diào)節(jié)。 霍爾型傳感器的 應(yīng)用有：霍爾轉(zhuǎn)速表、霍爾式微壓力傳感器、各種位移傳感器等。 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 13 頁(yè) 共 23 頁(yè) 第三 章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇 傳感器的選用 選擇傳感器主要考慮傳感器的類型、靈敏度、頻率響應(yīng)特性、線性范圍、可靠性與穩(wěn)定性、精度、工作方式等幾個(gè)方面的因素。 (1)傳感器類型 為實(shí)現(xiàn)對(duì)某一參數(shù)的測(cè)試，可供選用的傳感器類型可能會(huì)有很多。不同類型的傳感器在原理、測(cè)量方式、信號(hào)輸出方式、精度、動(dòng)態(tài)特性等諸多方面有著很大的差異。例如，測(cè)試機(jī)床主軸的振動(dòng)時(shí)，可以選用電容式位移傳感器，而用電感式位移傳感器則無(wú)法滿足要求。 (2)靈敏度 一般來(lái)說(shuō)，傳感器的靈敏度越高越好，因?yàn)殪`敏度高的傳感器所能感受的最小被測(cè)參數(shù)變化小，當(dāng)被測(cè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，傳感器將會(huì)產(chǎn)生較大的輸出變化。但應(yīng)注意： 靈敏度越高，外部干擾、噪聲越容易混入。 ，靈敏度越高測(cè)量（線性）范圍越小。 ，則各測(cè)量方向上的單向靈敏度越高越好、交叉靈敏度越低越好。 (3) 頻率響應(yīng)特性 在被測(cè)參數(shù)的頻帶內(nèi)，所選傳感器應(yīng)能實(shí)現(xiàn)近似的不失真測(cè)試；與幅頻 特性對(duì)應(yīng)的靈敏度應(yīng)盡可能高些，與相頻特性對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間越短越好。 物性型傳感器的頻響特性 比結(jié)構(gòu)型傳感器要好；非接觸式傳感器的頻響特性比接觸式傳感器要好。 (4) 線性范圍 任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)試精度的基本條件。 線性范圍一般與靈敏度相互矛盾。 (5) 可靠性與穩(wěn)定性 可靠性是指儀器、裝置及其它產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)指定功能的能力。傳感器的可靠性主要取決于 設(shè)計(jì)、制造及使用時(shí)的工作環(huán)境條件等因素，特別是受后者的影響很大。 穩(wěn)定性指的是測(cè)試裝置在長(zhǎng)時(shí)間工作后或工作條件 發(fā)生變化后保持其性能不變的能力。穩(wěn)定性主要有時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是傳感器可靠工作的條件和保證。 (6) 精度 傳感器的精度表示其輸出與輸入的被測(cè)量值的一致程度。傳感器是測(cè)試系統(tǒng)最前沿的環(huán)節(jié)，其輸出能否真實(shí)準(zhǔn)確地反映輸入的被測(cè)量值，將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的使用性能。選用傳感器時(shí)，要綜合考慮精度的使用要求與經(jīng)濟(jì)性。一般在滿足精度使用要求的前提下，盡可能選用價(jià)廉的傳感器。 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 14 頁(yè) 共 23 頁(yè) (7) 工作方式 （ 1） 接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量 。 （ 2） 破壞性檢驗(yàn)與非破壞性檢驗(yàn) 。 （ 3） 在線測(cè)試與非在線測(cè)試 。 其它 選 用傳感器時(shí)還要兼顧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維護(hù)等因素。 數(shù)控機(jī)床中傳感器的選擇 (列舉 ) 傳感器的應(yīng) 用范圍廣，種類繁多。 下面我們就以 數(shù)控機(jī)床 為例講講機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇。 數(shù)控機(jī)床綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、測(cè)量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器，由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特點(diǎn)，在制造業(yè)