第四章 传感器与执行元件基础.ppt

计算机控制技术第四章 传感器与执行元件基础 教学要求 【教学目的】 了解传感器与执行元件的基本概念 对常用传感器、执行器的原理有所了解 能够根据实际需要对常用类型的传感器和执行元件进行合理选择与应用。 【教学重点】 热电偶的测温原理和方法 各种传感器的特点及应用领域 1、传感器概述基础 4.1 传感器概述 定义： GB7665-87：传感器(Transducer，Sensor)是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 通常：能够将一个被测量（物理量、化学量、生物量）按照一定规律转换成易于传输和处理的量（一般是电信号）的器件或装置。 传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等 传感器概述－2 传感器的输出信号通常是电量, 它便于传输、 转换、 处理、 显示等。 电量有很多形式, 如电压、电流、电容、电阻等, 输出信号的形式由传感器的原理确定。 传感器的原理各种各样，其种类十分繁多, 分类方法也很多, 但目前一般采用两种分类方法: 一是按被测参数分类, 如温度压力、位移、速度等; 二是按传感器的工作原理分类, 如应变式、电容式、压电式、 磁电式等。 传感器的重要性 传感器是信息的源头，是控制系统包括计算机控制系统的关键部件 传感器的技术水平和质量直接影响计算机控制的水平和质量 4.1.1.1 传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件以及测量电路等部分组成，如图4.1-1所示。 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分; 转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。 由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。 随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用, 传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。 此外, 信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源, 因此, 信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。 4.1.1.2 传感器的分类 用于测控领域的传感器种类繁多，一种被测量可以用多种传感器测量，而同一原理的传感器通常又可测量多种被测量。表4.1-1给出了传感器多角度的分类方法。表4.1-2具体归纳了传感器按工作原理的分类。 4.1.2 常用传感器的选择与应用 通常要求传感器能够快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换。具体而言，选择传感器时应考虑的主要因素有： ①具有很好的信号选择能力，以便从干扰信号中提取有用信号； ②具有足够大的工作范围或量程，且有一定的过载能力； ③输出信号与被测输入信号具有确定关系(通常希望为线性)，且灵敏度高，与测量或控制系统匹配性好； ④传感器本身是测量用的特殊系统，应该具有满足测量要求的静态响应和动态响应，即必须有足够快的反应速度、较高的稳定性（如时漂、温漂小）和准确性，而且工作可靠性高； ⑤适用性和适应性强，即传感器动作能量小，对被测对象的状态影响小，以防止破坏被测对象的正常工作状态；内部噪声小又不易受外界干扰，使用安全等； ⑥使用经济，成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。 4.1.2.1 温度传感器－热电偶 温度测量是工业生产和日常生活常见的测量 工业测温一般采用热电偶 热电偶结构 热电偶的结构 热电偶是将两根不同材料的金属丝(热电极)的一端焊接在一起而成。其中，焊接端称为测量端，用于感受被测温度，也称为工作端或热端；未焊接端称为自由端，也称为参比端或冷端，作为热电偶的信号输出端。 测温原理 两种不同的金属A和B构成闭合回路当两个接触端T﹥ T0时，回路中会产生热电势 热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定 热电势大小只与热电极材料及两端温度有关，与热偶丝的粗细和长短无关。 热电极材料确定以后，热电势的大小只与温度有关 当自由端温度一定时，热电偶输出的热电势与工作端的温度具有非线性单值函数关系（分度表） 热电势存在必须具备两个条件： 一、两种不同的金属材料组成热电偶， 二、它的两端存在温差。 热电偶测温的三大定律 1. 匀质导体定律 2. 中间导体定律 3. 连接导体定律 常用热电偶种类（结构角度） ①普通热电偶 ②铠装热电偶 ③薄膜热电偶 热电偶的冷端补偿 为什么要对热电偶进行冷端补偿 热电偶的热电势大小取决于热电偶两端的温度，只有冷端温度T0恒定时，热电势E(T,T0)才是测量端(热端)温度T的单值函数。热电偶分度表是在冷端温度T0=0℃时分度的，测温仪表是根据分度表刻度的，因此，测温时必须对热电偶进行冷端温度补偿。 冷端补偿的方法 1. 补偿导线法 2. 热电偶冷端温度恒温法 3. 计算修正法 4. 冷端补偿电桥法 补偿导线法 热电偶冷端温度恒温法