第2章

智能傳感技術《智能制造概論》1傳感器原理2力傳感器本章要點3位移傳感器4速度傳感器5溫度傳感器6智能傳感器2.1傳感器原理2.1.1傳感器的定義

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。國家標準GB7665-87對傳感器的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器組成如圖所示，敏感元件是在傳感器中直接感受被測量的元件。即被測量通過傳感器的敏感元件轉換成一個與之有確定關系、更易于轉換的非電量。這一非電量通過轉換元件被轉換成電參量。轉換電路的作用是將轉換元件輸出的電參量轉換成易于處理的電壓、電流或頻率量。應該指出，有些傳感器將敏感元件與傳感元件合二為一了。2.1.2傳感器的分類傳感器由很多種分類方法，比較常用的有如下四種：1）按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、濕度、流量、氣體成份等傳感器。2）按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。3）按傳感器輸出信號的性質分類，可分為：輸出為“１”、"０”或“開”、“關”等開關量的開關型傳感器；輸出為模擬量的模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。4）根據(jù)傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉換型傳感器，前者是需要外電源供給，后者主要由能量變換元件構成，它不需要外電源。2.1.3傳感器的技術指標1.輸出線性度它是指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度，有零基線性度、端基線性度、獨立線性度及絕對線性度等四種表示方法。線性度定義如圖所示，定義式為：

（2-1）式中：為傳感器在全量程上的最大偏差值；為傳感器的量程。線性度示意圖2.靈敏度傳感器輸出的變化量△Y與引起此變化量的輸入變化量△X之比即為靜態(tài)靈敏度，表達示為：

（2-2）傳感器的校正曲線的斜率就是其靈敏度。線性傳感器，斜率處處相同，靈敏度K是一個常數(shù)。由于某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。即：

（2-3）3.輸出平滑性輸出平滑性是指傳感器在測量時，輸出信號隨時間的穩(wěn)定性，如圖所示。它可用理論電氣行程輸出信號電壓波動百分比表示。輸出平滑性受到接觸阻抗的變化，分辨率和在輸出中其他微量非線性輸出的影響，是影響傳感器性能的重要指標之一?？捎孟率奖硎荆?/p>

（2-4）式中：UCC：峰-峰值最大變化，輸出信號的最大波動值；U0：傳感器的理論輸出信號電壓。4.降功耗曲線傳感器的輸出功率與溫度之間的關系稱為降功耗曲線。一般以傳感器在-55℃到70℃時功耗為100%，70℃到125℃之間時功耗開始下降直至零。所以在使用時應注意環(huán)境溫度與功耗的關系，其關系圖如圖所示。5.遲滯傳感器在正反行程中的輸出輸入曲線不重合性稱為遲滯。遲滯可用偏差量與滿量程輸出之比的百分數(shù)表示，如下式：

（2-5）式中：△Hmax正反行程間輸出的最大差值；YFS為傳感器的滿量程輸出。遲滯特性如圖所示。6.重復性重復性是指傳感器在輸入按同一方向做全量程連續(xù)多次變動時所得的特性曲線不一致的程度。實際輸出校正曲線的重復特性，正行程最大重復性偏差為△Rmax1，反行程最大重復性偏差為△Rmax2。重復性誤差取這兩個最大偏差之中較大者△Rmax除以滿量程輸出y的百分數(shù)表示：

（2-6）檢測時也可以選取幾個測試點，對應每一個點多次從一個方向趨進，獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3……，yin算出最大值與最小值之差為重復性偏差△Ri，在幾個△Ri中取出最大值作為重復性誤差。重復特性如圖所示。7.分辨率與閥值分辨率是指傳感器在規(guī)定測量范圍內能檢測出被測輸入量最小變化值。有時對該值相對滿量程輸入值的百分數(shù)表示為分辨率。

閥值是能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨能力。有的傳感器在零位附近非線性嚴重，形成“死區(qū)”，則將這個區(qū)的大小稱為閥值；更多情況下閥值主要取決于傳感器噪聲的大小。傳感器能檢測出被測量的最小變化值一般相當于噪聲電平的若干倍，用公式表示：

（2-7）式中：M—被測量最小變化量值；c—系數(shù)；N—噪聲電平；K—傳感器靈敏度。8.穩(wěn)定性穩(wěn)定性又稱長期穩(wěn)定性，即傳感器在相當長的時間內保持其原性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過一定規(guī)定時間間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，有時也用標定的有效期來表示。9.漂移漂移指在一定時間間隔內，傳感器的輸出存在著與被測輸入量無關的，不需要的變化。漂移常包括零點漂移和靈敏度漂移，每一種又可分為時間漂移（簡稱時漂）和溫度漂移（簡稱溫漂）。時漂是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點或靈敏度的變化。傳感器的零漂可表示為：

（2-8）△Y0：最大零點偏差；YFS：滿量程輸出傳感器的溫漂一般以溫度變化1℃時輸出的最大偏差與滿量程的百分比來表示：

（2-9）△Ymax—輸出的最大偏差；YFS—滿量程輸出；△T—溫度變化范圍。10.精確度通常精確度是以測量誤差的相對值來表示的。傳感器與測量儀表精確度等級以一系列標準百分數(shù)值（如0.001，0.005，0.02，0.05，．．．，1.5，2.5，．．．）進行分檔。這個數(shù)值是傳感器和測量儀表在規(guī)定條件下，允許的最大絕對誤差值相對于其測量范圍的百分數(shù)。精確度可表示為：

（2-10）A—傳感器的精度；△A—允許的最大絕對誤差；YFS—滿量程輸出。2.2力傳感器2.2.1力及壓力檢測概述力及壓力是智能制造中最常見的被控量之一，在航天、航空、電力、水利、石油化工、機械、軍工、醫(yī)療、紡織、汽車、煤炭、地震監(jiān)測等幾乎所有行業(yè)中需要進行智能控制的場合，都有力及壓力量檢測方面的需求。2.2.2應變式力傳感器1.電阻應變效應導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值也會發(fā)生相應的變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應變效應。如圖所示為最常用的應變片電阻電橋電路，其電源為U、輸出為Uo。2.應變片分類根據(jù)應變片的材質，主要有金屬和半導體應變片兩大類。金屬電阻應變片的結構形式有絲式、箔式和薄膜式三種。如圖a)所示絲式應變片，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上，基底可分為紙基，膠基和紙浸膠基等。圖b)所示為箔式應變片，該類應變片的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。2.2.3電容式力及壓力傳感器1.電阻應變效應電容式傳感器的基本工作原理可以用圖所示的平板電容器來說明，設兩極板相互覆蓋的有效面積為A(m2)兩極板間的距離為d(m)，極板間介質的介電常數(shù)為ε(F?m-1)，在忽略板極邊緣影響的條件下，平板電容器的電容量C(F)為 C=εA/d（2-11）2.2.4壓阻式傳感器1.壓阻效應單晶硅材料在受力作用后，電阻率將隨作用力而變化，這種物理現(xiàn)象稱為壓阻效應。半導體材料電阻的變化率ΔR/R主要由Δρ/ρ引起，即取決于半導體材料的壓阻效應，所以可以用下式表示

(2-12)式中π為壓阻系數(shù)；σ為壓應力；ρ為半導體材料的電阻率。固體壓阻式傳感器膜片芯體結構壓阻式傳感器的核心是硅膜片，通常多選用N型硅晶片作硅膜片，在其上擴散P型雜質，形成四個阻值相等的電阻條。2.壓力測量壓阻式壓力傳感器的結構如圖2-11所示。傳感器硅膜片兩邊有兩個壓力腔。一個是和被測壓力相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，通常和大氣相通。2.2.5壓電式壓力傳感器1.壓阻效應某些晶體在一定方向受到外力作用時，內部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應地在晶體的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當卸下外力后，又恢復到不帶電狀態(tài)，且當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。石英晶體的外形、坐標軸及切片圖當沿著X軸對壓電晶片施加力時，將在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應。沿著Y軸施加力的作用時，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，這稱之為橫向壓電效應。當沿著Z軸方向受力時不產(chǎn)生壓電效應。石英晶片受壓力或拉力時，電荷的極性如圖所示。2.壓電傳感器的其它應用壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動等許多非電量的測量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動傳感器等等。下圖所示的5100系列力傳感器是一種利用石英晶體的縱向壓電效應，將“力”轉換成“電荷”，通過二次儀表轉換成電壓的壓電式力傳感器。2.3位移傳感器2.3.1位移測量概述位移是智能制造中最常見的被控量之一，有角位移和線位移之分，測量位移主要是為了控制被測物的移動距離、速度或加速度，進而控制它的空間位置或姿態(tài)，以實現(xiàn)制造過程的自動化、智能化。在航天、航空、電力、水利、石油化工、機械、軍工、醫(yī)療、紡織、汽車、煤炭、地震監(jiān)測等幾乎所有行業(yè)中需要進行自動控制的場合，都有位移量檢測的要求。2.3.2電位器式位移傳感器1.工作原理電位器式位移傳感器通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數(shù)關系的電阻或電壓輸出。下圖所示為電位器式位移傳感器結構原理圖。其工作原理是：物體的位移引起電位器移動端的電阻變化，阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。輸入與輸出可用式2-13表示：

（2-13）式中：U0為傳感器輸出信號電壓；x為被測量位移；L為傳感器敏感電阻長度；Ui為輸入電壓，可以是直流，也可以是交流。2.精密導電塑料角位移傳感器基本結構電位器式角位移傳感器最典型的是精密導電塑料角位移傳感器，它主要由電阻體、轉軸及電刷組件和殼體等幾部分組成，整體結構如圖所示。2.3.3霍爾位移傳感器1.霍爾效應放置在磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向I與磁場方向B不一致時，載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間將會產(chǎn)生一定的電動勢，這主要是由于導電粒子受到洛侖茲力的作用發(fā)生沿導體橫向運動所致，這種物理現(xiàn)象叫霍爾效應?；魻栃a(chǎn)生的電壓叫霍爾電壓，它的形成過程分析如下：磁場B垂直于導體正面，此時導體中的自由電子不僅在外加電壓作用下運動，而且還受到磁場作用產(chǎn)生定向移動，從而在導體的頂面堆積正電荷，底面堆積負電荷，從而形成了附加的內電場EH，稱其為霍爾電場，其電位差為：（2-14）式中UH為電位差，KH為霍爾靈敏度，B為磁場的磁感應強度，I為電流。2.霍爾式角位移傳感器結構霍爾式角位移傳感器主要包括信號調理電路9、磁鐵2、軸承透蓋3、絕緣隔套8、軸承座4、尼龍軸套7、轉軸6、開口擋圈5和后蓋11等組成。1-AS5045霍爾元件；2-柱形磁鐵；3-軸承透蓋；4-軸承座；5-開口擋圈；6-轉軸；7-尼龍軸套；

8-絕緣隔套；9-信號調理電路；10-輸出接口；11-后蓋2.3.4光柵、磁柵及容柵位移傳感器1.光柵測量位移原理光柵位移傳感器利用光柵副產(chǎn)生的莫爾條紋進行位移的測量，主要由光源系統(tǒng)、光柵副和光電接收元件所組成，如圖所示。1-光源；2-透鏡；3-主光柵；4-指示光柵；5-光電元件主光柵和指示光柵的具體結構類型有長光柵和圓光柵兩類，如圖1、2所示。a)圓光柵結構示意圖b)柵線放大示意圖a)長光柵結構示意圖b)柵線放大示意圖1-長光柵結構示意圖2-圓光柵結構示意圖閃耀光柵的柵線形狀，如圖2-22所示，W為光柵常數(shù)，柵線形狀有對稱型和非對稱型。a)不對稱型

b)對稱型2.磁柵位移傳感器磁柵位移傳感器的工作原理是：先用錄磁設備將磁信號錄制到磁柵上，在測量位移時由讀磁頭讀取磁柵上預先錄制的信號，再通過信號處理部分處理后就得到磁頭與磁柵的相對位移量。長磁柵結構圖3.容柵位移傳感器容柵位移傳感器借鑒了光柵的結構形式，將變面積式電容傳感器的電極做成柵型，大大提高了測量的精度和范圍，實現(xiàn)了大位移的高精度測量。直線容柵的結構原理示意圖如下圖所示：主要由動尺和定尺兩部分組成，之間保持非常小的間隙，如a)圖所示。直線型容柵結構原理示意圖2.3.5電感式位移傳感器電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感的變化，從而導致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量的，是測量微小位移和進行位置控制的主要傳感器之一。電感式傳感器根據(jù)其工作原理不同，有變間隙式、變面積式、差動螺管式、差動變壓器式及電渦流式等許多種。1.自感式電感傳感器工作原理電感傳感器的結構示意圖如圖所示。a)變面積型電感傳感器 b)電感傳感器特性曲線2.互感式電感傳感器在實際使用中,常采用兩個相同的電感線圈共用一個銜鐵,構成差動電感式位移傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測量誤差。下圖所示為變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式結構原理。3.電渦流式位移傳感器電渦流式位移傳感器是利用位移變化引起渦流效應變化進行位移測量的位移式傳感器。

下圖所示為電渦流式位移傳感器。2.3.6超聲波位移傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性，實現(xiàn)自動檢測的測量元件。超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，它是由與介質相接觸的振蕩源所引起的。設有某種彈性介質及振蕩源，如圖所示。振蕩源在介質中可產(chǎn)生兩種形式的振蕩，即橫向振蕩如圖a所示和縱向振蕩如圖b所示。超聲波測液位是利用回聲原理進行工作的，如下圖所示。當超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲脈沖，經(jīng)過時間t后，探頭接收到從液面反射回來的回音脈沖。因此探頭到液面的距離L可由下式求出

（2-16）式中，c為超聲波在被測介質中的傳播速度；t為超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波到接收到超聲波的時間差。2.4速度傳感器2.4.1速度測量概述速度也是智能控制系統(tǒng)中最常見的被控量之一，有角速和線速兩種，角速一般表現(xiàn)為軸的轉速，線速則與生產(chǎn)過程中設備或產(chǎn)品的運動快慢有關，涉及到生產(chǎn)的效率和設備運行的安全。測量速度主要是為了控制被測物的移動快慢、產(chǎn)品生產(chǎn)質量和效率等，進而控制它的空間位置或運行狀態(tài)，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。2.4.2磁電式速度傳感器磁電式傳感器是最基本的速度傳感器之一，它是目前最主要的測速傳感器，用途十分廣泛?；魻杺鞲衅鳎ㄒ步谢魻柶骷蚧魻栐┦且环N基于霍爾效應的典型的磁電式傳感器，按下圖所示的各種方法設置磁體，將它們和霍爾開關電路組合起來可以構成各種旋轉傳感器。a)徑向磁極b)軸向磁極

c)遮斷式圖1霍爾流量計圖2霍爾車速表的框圖2.4.3光電式速度傳感器光電式測速傳感器是用途最廣泛的速度傳感器，它可以用于角速度和線速度的在線檢測，可以檢測出其接收到的光強的變化。光電元件是光電傳感器中最重要的部件，常見的有真空光電元件和半導體光電元件兩大類。下圖所示為常見的半導體光電元件--光敏電阻。光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成，如圖所示。圖中，Ф1是光源發(fā)出的光信號，Ф2是光電器件接受的光信號，被測量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號I。按照光電傳感器中光電元件輸出電信號的形式可以分為模擬式和脈沖式兩大類。1.模擬式光電傳感器

這種傳感器中光電元件接受的光通量隨被測量連續(xù)變化，因此，輸出的光電流也是連續(xù)變化的，并與被測量呈確定的函數(shù)關系，這類傳感器通常的四種形式如圖所示。2.脈沖式光電傳感器在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號。其速度檢測裝置安裝如圖所示，將信號盤固定在電動機轉軸上，光電轉速傳感器正對著信號盤。2.4.4光纖速度傳感器光纖傳感器是近代發(fā)展起來的新型測速傳感器之一，它是隨著光纖新材料的不斷出現(xiàn)，結合光電轉換原理和信號處理技術的完善，使得這一新型傳感器得到了越來越多的實際應用。它主要用于角速度和線速度的檢測及電位的調節(jié)，在工業(yè)控制及家電產(chǎn)品中使用廣泛。下圖所示為用光纖位移傳感器來檢測電動機的轉速。圖中1為固定支架，2是電機調速電源，3為電動機，4是傳感器光纖，5為光纖的光源，6是光纖傳感器的光電轉換裝置模塊。2.4.5激光速度傳感器激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是將外來的能量(電能、熱能、光能等)轉化為一定波長的光，并以光的形式發(fā)射出來。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應的電路所組成的。其光路系統(tǒng)如下圖所示，圖中1是激光源，2為發(fā)射透鏡，3為接收透鏡，4為光敏元件。2.5溫度傳感器2.5.1溫度測量概述溫度是很多工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中最為關鍵的工藝參之一，如化工產(chǎn)品、輕工產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品冶金產(chǎn)品等，溫度檢測主要是為了保證產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各個工藝環(huán)節(jié)的正常溫度，進而確保產(chǎn)品品質并實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制。用于溫度檢測的傳感器有許多，傳統(tǒng)的有電阻式、熱電式、集成式等，現(xiàn)代的有紅外式、半導體式等；從輸出信號分有模擬式和數(shù)字式兩大類。2.5.2熱電阻與熱敏電阻熱電阻和熱敏電阻是目前使用最廣泛的溫度檢測與控制用傳感器，也是比較傳統(tǒng)的溫度傳感器。熱電阻主要用于產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場的溫度檢測，熱敏電阻則主要用于生產(chǎn)設備關鍵部件及電子電路中的關鍵器件的溫度控制。1.熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測傳感器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的溫度基準儀。鉑電阻的電阻值與溫度之間的關系可用下式表示

Rt=R0(1+At+Bt2)0-650℃；Rt=R0[(1+At+Bt2+C(t-100)t3]-200-0℃(2-18)式中，Rt為溫度為t時的電阻值；R0為溫度為0℃時的電阻值；A、B、C均為常數(shù)。2.熱敏電阻熱敏電阻是一種利用半導體制成的敏感元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。熱敏電阻的阻值與溫度之間的關系可以用下式表示

(2-19)熱敏電阻的熱電特性曲線如下圖所示。2.5.3熱電偶傳感器由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。圖1熱電偶回路圖2熱電偶溫度變送器實物2.5.4紅外輻射式溫度傳感器對于不適合接觸式測量的高溫和超高溫場合，需要用到非接觸式測溫方式，紅外輻射是自然界所有物體都具有的普遍特性，紅外輻射式溫度傳感器是已經(jīng)得到廣泛應用的一種非接觸式測溫方法。紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實現(xiàn)自動檢測的傳感器。各種不同的電磁波按照波長(或頻率)排成如圖所示的波譜圖，稱為電磁波譜。能把紅外輻射轉換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器，主要有熱敏型和光電型兩大類。熱敏型是利用紅外輻射的熱效應制成的，其核心是熱敏元件。紅外輻射測溫計示意圖2.6智能傳感器2.6.1智能傳感器簡介智能傳感器（Intelligentsensor或Smartsensor）自1970年代初出現(xiàn)以來，隨著微處理器技術的迅猛發(fā)展及測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補償。所謂智能傳感器，就是一種帶有微處理機的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。即智能傳感器就是將傳統(tǒng)的傳感器和微處理器及相關電路組成一體化的結構。智能傳感器系統(tǒng)一般構成框圖如下圖所示。其中作為系統(tǒng)“大腦”的微型計算機，可以是單片機、單板機，也可以是微型計算機系統(tǒng)。智能傳感器的結構框圖以智能溫度傳感器為例，它可以將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號，并用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。如下圖所示，前端敏感元件是熱電偶或熱電阻，信號轉換器主要由測量單元、信號處理和轉換單元組成，同時增加顯示單元和現(xiàn)場總線功能。智能溫度傳感器原理框圖2.6.2智能傳感器的分類智能傳感器按其結構分為模塊式智能傳感器、混合式智能傳感器和集成式智能傳感器三種。①模塊式智能傳感器這種智能傳感器是由微型計算機、信號處理電路模塊、輸出電