感测器物理量转换-电脑整合制造与控制室.ppt

生產自動化 感測器 感測器概述 甚麼是感測器 感測器分類 感測器需要的特性 感測器物理量轉換 甚麼是感測器 控制系統中可量測物理量(諸如：溫度，壓力，或位置)、監視系統輸出，並可轉換系統輸出成電氣信號，再饋回控制器的元件，稱為感測器。 感測器分類 感測器需要的特性 尺寸。 準確度。 精確度。 操作範圍。 響應速度。 校正。 可靠度。 經濟性。 穩定性。 溫度限制。 容易應用。 感測器物理量轉換 基本上，感測器對物理量的變化會變換成電阻、電流或電壓等形式之變化量，最後需以一轉換電路轉換成電壓輸出。其方塊圖如下圖： 感測器物理量轉換 一般而言，圖中最後的電壓輸出均相當小，因此通常需要再利用放大電路來加以放大訊號，然後才可以經由控制單元介面擷取至電腦中進行處理做各種自動化控制的應用，完整感測電路應如下圖： 依據變化量分類 變化量在1μm~ 10000μm範圍：有應變計(STRAIN GAGE)，或光之干涉作用產生的明暗變化之測定方式等。 變化量在0.01mm~ 10mm：有差動變壓器(LVDT)，光電開關脈波數測定法，磁場強度測定法，電容量測定法等。 變化量在1mm~ 1000mm：可使用電位計(Potentiometer)，光電開關脈波數測定法，電磁感應脈波數測定法等。 變化量在0.1m以上者：可使用超音波反射測距法，光波反射測距等方式。 應變計(STRAIN GAGE) 應變計又稱為負荷囊(load cell)，在1856年由Load Kelvin所發現，由金屬材料加壓變形後，金屬阻抗產生變化所做成的。當金屬材料受到拉力或張力時，金屬材料變細，電氣阻抗增加。反之，受到壓縮時，則金屬阻抗變小。應用這種方法做成的被稱為應變計。此類感測裝置可以將物理現象中的壓力變換成電氣信號輸出，因此常被用在荷重、張力、壓力轉換的場合之中。 應變計的構造 下圖是一個標準典型的應變規。一個只有幾微米厚度金屬阻抗薄片固著在一片電子絕緣材料上使用一特定的接著劑。為適合所需的外形，在照相蝕刻過程中已將不需要的部份去除掉，如此輸出阻抗改變值的導線就可以固定了。應變計阻抗一般皆設為120Ω、 350Ω 。 應變計原理 應變在測量金屬線（或金箔）上由於應變而改變電子阻抗，現在我們就來研究當金屬線產生應變時，電子阻抗改變的情況。 應變計原理 金屬樣本的電阻，可由下式定出 應變計原理 應變計原理 例題 有一電阻值為120Ω的金屬線，試求1000μm/m應變所造成的電阻變化。 解： 應變計的一般特性 非線性。 應變計電流。 感應頻率。 破壞。 　 1.非線性 雖然應變計會由於型式、外形、尺寸及構造的差異而使線性有所差別，但應變在3000到4000 * 10-6所測得的應變值，大約近似1%的非線性。 應變在增加時應變計常數有降低的傾向。在應變6000到8000 * 10-6時會有3到5%的改變。假若應變繼續增加，應變計會剝離或不與測試體接觸。一般而言，應變計大致會在應變10000到30000 * 10-6時剝離。 2.應變計電流 應變計所使用電流的上限為20mA，雖然會因為應變計的尺寸和測試體的熱當量（此因素會　影響熱能的消散）而有差異產生。所以，應變計適用的最大電壓為：橋式應變規120Ω電壓5V，350Ω應變規電壓14V。 3.響應頻率 在使用應變計測量動態現象時，應變是經由基座及黏膠而傳送到電阻感應器上。此傳送過　程非常的迅速。例如震動現象，應變計上的應力分佈並不是均勻的，因為會受到測試體內　部結構元件所傳送彈性應力波的影響。從實驗獲得，在應變計長10mm及3mm時各別的傳送節點大約近似1.6μs及0.47μs （至少頻率為170KHZ及360KHZ）。因此除了特例外，機件或結構元件的快速應變行為可僅僅使用應變計量測。 4.破壞 假若施於應變計上的應變非常多且大，就可能導致阻抗增加，導線及抗阻器無法接續，且由於揚起的導線而使接著的基座剝離，這些因素會導致應變計無法繼續使用，稱之應變計”破壞”。應變計破壞的耐久性和應變所施於及循環有關，且和型式、外形、尺寸都有關。生命週期的設定是用高於100 * 10-6的應變變化的週期應變和示波器上±1500 * 10-6反覆應變的長釘形波形作比較而得。一般應變計的生命週期為105次循環。 磁感測器(Magnetic Sensor) 將一個線圈安置於一磁場中，當有物體接近，干擾了磁場，線圈即根據此一磁場之變化而輸出電壓信號，以此作為應用即為磁感測器。 磁感測原理 1.安培定律：電流I通過一導體時，會在周圍空間產生一垂直於電流方向分佈的磁場B如下圖所示，電流越大，磁場就越強而離導線越近，磁場也增強。 磁感測原理 2.科學家楞次(Lentz)在做電磁鐵實驗時，他把磁鐵由線圈中拿出，結果注意到線