第1章 测量与传感器第1章测量与传感器第1章 测量与传感器第1章 测量与传感器.ppt

图1-1 自动平衡电位差计原理图 1—滑线电阻；2—电刷；3—指针；4—刻度尺； 5—传动机构；6—检零放大器；7—伺服电动机 图1-2 钢板厚度测量仪原理图 1—被测钢板；2—放射性物质；3—铅盒；4—γ射线； 5—射线探测器；6—差动放大器；7—指示仪表 1.2 传感器 1.2.1 传感器的定义、组成和分类 对于一个测量系统，它所测量的各种物理量，其形式是不一样的，可以是机械量、电磁量、热工量、光学量……，但不论是哪种物理量，它们都可以分为模拟量和数字量两大类。传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出，如电压、电流、频率等信号。这一定义包含以下方面。 （1）传感器是一种测量装置，能够完成一定的检测任务； （2）它的输入量种类很多，且多为模拟信号的非电量； （3）它的输出量是经转换后的电量信号，且有一定的对应关系和转换精度。 传感器是由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成的。其中敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件，通过它可以将被测量转换成为与之有确定关系的、便于转换的非电量信号。该信号再通过传感元件，被转换为电参量。测量转换电路的作用就是将传感元件输出的电参量再转换成易于处理的电压、电流或频率量。应当注意的是，不是所有的传感器都有敏感元件和传感元件之分，有些传感器则将两者合二为一。图1-3是传感器组成原理框图。 图1-3 传感器组成原理框图 敏感元件与传感元件在结构上常装在一起。为了减小外界对转换电路的影响，也希望它们装在一起，但限于空间结构，转换电路常装入单箱内。在转换电路后面，往往还有信号的放大、处理、显示等后续电路，它们通常不包含在传感器的范围之内。图1-4为电位器式气体压力传感器简图。传感器将被测气体压力转换成弹簧管自由端的位移，电位器将位移转换成电阻值的变化，通过测量电路再转换成电压的输出。这里的弹簧管就是敏感元件，电位器就是传感元件，同时它又是转换电路的一部分。 图1-4 电位器式气体压力传感器简图 1—弹簧管；2—电位器 测量气体压力，还可以用下面的传感器，如图1-5所示为电感式气体压力传感器结构简图。膜盒2的下半部与壳体1相连，上半部通过连杆与磁心４相连，磁心4置于两组线圈3中，线圈通过导线连接于转换电路5。其中，膜盒是敏感元件，它能将被测气体压力转换成膜盒中心的位移，通过连杆将此位移作用于磁心上，磁心与线圈组成的是电感传感器，它是一个传感元件。因而，膜盒的位移使传感器的自感L变化，并通过转换电路输出电压。 利用传感器可以对多种物理量进行检测，相同的被测量又有不同的测量方法，而不同的传感器又是由不同的工作原理制造出来的。为了便于全面了解传感器的性能与结构，下面将介绍几种不同的传感器分类方法。 图1-5 电感式气体压力传感器结构简图 1—壳体；2—膜盒；3—线圈；4—磁心；5—转换电路 1．按传感器输出量的性质分类 按传感器输出量的性质分类，传感器可以分为： （1）参数传感器：如触点传感器、电阻传感器（电位器、热敏电阻、光敏电阻、气敏电阻、压敏电阻等传感器）、电感传感器（自感、差动变压器、压磁、涡流等传感器）、电容传感器、气动传感器等； （2）光电传感器：如光电池、压电传感器、磁电传感器、热电偶、霍尔传感器等； （3）脉冲传感器：如光栅、磁栅和感应同步器等； （4）特殊传感器：如超声波探头，电磁检测装置等。 2．按被测量的性质分类 按被测量的性质分类，传感器可以分为机械量传感器（几何尺寸、几何形状、力、速度、加速度、振动、光洁度、产品计数等传感器）、热工量传感器（温度、温差、压力、流量、气体成分等传感器）、探伤传感器等。 3．按传感器的结构分类 按传感器的结构分类，传感器可以分为：直接传感器、差动传感器、补偿传感器等。 1.2.2 传感器的特性 传感器的特性一般是指传感器的输入、输出特性，它有静态和动态之分。传感器动态特性的研究方法与控制理论中介绍的相似，故不再重复。下面仅介绍被测物理量处于稳定状态时的静态特性的性能指标。 （1）灵敏度（Sensitivity）：是指在稳定状态下，传感器的输出量变化值与引起此变化的输入量变化值之比，用K来表示 式中，x为输入量；y为输出量；K为灵敏度。对于线性传感器来讲，灵敏度为一常数；对于非线性传感器，灵敏度是随输入量的变化而变化的。图1-6是传感器输出特性与灵敏度的关系曲线。从输出特性曲线上看，曲线越陡，则灵敏度越高，通过作该曲线切线的方法可以求得曲线上任一点处的灵敏度。 图1-6 传感器输出特性与灵敏度关系曲线 （2）分辨率（Resolution）：是指传感器能检测出的被测信号最小变化量。当被测信号的变化量小于分辨率时，传感器对输