【文章內(nèi)容簡介】 單，動態(tài)響應好，可進行非接觸測量，然而，輸入阻抗高，負載能力差 [4]。電容式傳感器精度 可達 ％。 其運用實例有電容傳聲器、轉(zhuǎn)速測量、電容測厚儀、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把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉(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，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。 電感式傳感器具有以下特點： （ 1）結(jié)構(gòu)簡單，傳感器無活動電觸點，因此工作可靠壽命長。 （ 2） 靈敏度和分辨力高，能測出 微米的位移變化。傳感器的輸出信號強，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數(shù)百毫伏的輸出 。 （ 3）線性度和重復性都比較 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 %~%。同時，這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應較低，不宜快速動態(tài)測控等缺點。 電感式傳感器種類很多，常見的有自感式，互感式和渦流式三種。 黃岡職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 第 9 頁 共 23 頁 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致線圈磁路的幾何尺寸 變化而引起的。當把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，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是： ① 無活動觸點、可靠度高、壽命長； ② 分辨率高； ③ 靈敏度高； ④ 線性度高、重復性好； ⑤ 測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低）； ⑥ 無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差； ⑦ 對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；⑧ 不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積 型和螺管插鐵型。在實際應用中，這三種傳感器多制成差動式，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覆蓋面積（即磁通截面）隨被測量的變化而改變 ,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。銜鐵隨被測物體移動時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)簡單，便于制作。 電感式傳感器的應用實例有：測厚、零件計數(shù)、側(cè)轉(zhuǎn)速、無損探傷、測微技術(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 , 是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時 , 其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。 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)成一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的 兩個極板 , 極板間黃岡職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 第 10 頁 共 23 頁 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，兩表面產(chǎn)生等量的正負電 荷，壓電元件的開路電壓為：aCQU? 。 壓電傳感器可以等效為一個電荷源與一個電容并聯(lián)。如下圖 (a) 壓電傳感器也可以等效為一個與電容相串聯(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 ? 壓電式傳感器的測量電路： 測量時，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；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：高阻抗、低能量；但是無靜態(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。 壓電式傳感器的應用有：壓電式測力傳感器、壓電式加速度傳感器、壓電式金屬加工切削力測量、壓電式玻璃破碎報警器等。 壓電式金屬加工切削力測量： C au a C aq( a ) ( b )黃岡職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 第 11 頁 共 23 頁 壓電式玻璃破碎報警 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原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止狀態(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬 (從直流到微波 )、動態(tài)范圍大 (輸出電勢變化范圍可達 1000:1)、壽命長等特點，因此獲得了廣泛應用。 金屬或半導體薄片置于磁感應強度為 B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。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：當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生 10℃溫升時，對應的控制電流值 最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對 應的控制電流值 （ 3） 不等位電勢：當霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應強度為零，測得的空載霍爾電勢。 （ 4） 寄生直流電勢 霍爾元件零位誤差的一部分 當 沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢 控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產(chǎn)生整流效應。 兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢 （ 5） 霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應強度和控制電流下，溫度每變化 1 度時，霍爾電勢變化的百分率。 黃岡職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 第 12 頁 共 23 頁 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。 霍爾傳感器動態(tài)性能好。 霍爾傳感器的基本測量電路如下：激勵電流由電壓源 E 供給，其大小由可變電阻來調(diào)節(jié)。 霍爾型傳感器的 應用有：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)學院畢業(yè)論文 第 13 頁 共 23 頁 第三 章 機電一體化系統(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、頻率響應特性、線性范圍、可靠性與穩(wěn)定性、精度、工作方式等幾個方面的因素。 (1)傳感器類型 為實現(xiàn)對某一參數(shù)的測試，可供選用的傳感器類型可能會有很多。不同類型的傳感器在原理、測量方式、信號輸出方式、精度、動態(tài)特性等諸多方面有著很大的差異。例如，測試機床主軸的振動時，可以選用電容式位移傳感器，而用電感式位移傳感器則無法滿足要求。 (2)靈敏度 一般來說，傳感器的靈敏度越高越好，因為靈敏度高的傳感器所能感受的最小被測參數(shù)變化小，當被測參數(shù)發(fā)生變化時，傳感器將會產(chǎn)生較大的輸出變化。但應注意： 靈敏度越高，外部干擾、噪聲越容易混入。 ，靈敏度越高測量（線性）范圍越小。 ，則各測量方向上的單向靈敏度越高越好、交叉靈敏度越低越好。 (3) 頻率響應特性 在被測參數(shù)的頻帶內(nèi)，所選傳感器應能實現(xiàn)近似的不失真測試；與幅頻 特性對應的靈敏度應盡可能高些，與相頻特性對應的響應時間越短越好。 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)定的時間內(nèi)實現(xiàn)指定功能的能力。傳感器的可靠性主要取決于 設計、制造及使用時的工作環(huán)境條件等因素，特別是受后者的影響很大。 穩(wěn)定性指的是測試裝置在長時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量值的一致程度。傳感器是測試系統(tǒng)最前沿的環(huán)節(jié)，其輸出能否真實準確地反映輸入的被測量值，將直接影響整個系統(tǒng)的使用性能。選用傳感器時，要綜合考慮精度的使用要求與經(jīng)濟性。一般在滿足精度使用要求的前提下，盡可能選用價廉的傳感器。 黃岡職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 第 14 頁 共 23 頁 (7) 工作方式 （ 1） 接觸測量與非接觸測量 。 （ 2） 破壞性檢驗與非破壞性檢驗 。 （ 3） 在線測試與非在線測試 。 其它 選 用傳感器時還要兼顧結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維護等因素。 數(shù)控機床中傳感器的選擇 (列舉 ) 傳感器的應 用范圍廣，種類繁多。 下面我們就以 數(shù)控機床 為例講講機電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇。 數(shù)控機床綜合了機械、自動化、計算機、測量、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，在制造業(yè)