1、1 1、传感器的定义、传感器的定义一、传感器概述一、传感器概述 能够感受被测量并按照一定规律转换成可能够感受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。用输出信号的器件或装置。电涡流式传感器电涡流式传感器超声波传感器超声波传感器传感器名称传感器名称：发送器、传送器、变送器、：发送器、传送器、变送器、 检测器、检测器、 探头探头传感器功用传感器功用：一感二传：一感二传,即感受被测信息即感受被测信息,并传送出去。并传送出去。传感器是传感器是测量装置测量装置，能完成检测任务；，能完成检测任务；输入量输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物
2、量等；量、生物量等；输出量输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；输出输入输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。有对应关系，且应有一定的精确程度。 2 2、 传感器的地位和作用传感器的地位和作用人的五官：人的五官： 眼睛、耳朵、鼻子、舌头、皮肤眼睛、耳朵、鼻子、舌头、皮肤视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉传感器是人类传感器是人类五官的延长五官的延长，又称之为电五官。，又称之为电五官。传感器是传感器是获取信息获取信息的主要途径与手段。的主
3、要途径与手段。没有传感器没有传感器，现代化生产就失去了基础。，现代化生产就失去了基础。 传感器是传感器是边缘学科边缘学科开发的先驱。开发的先驱。 传感器已渗透到诸如传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。代化项目，都离不开各种各样的传感器。 传感器技术在传感
4、器技术在发展经济、推动社会进步发展经济、推动社会进步等方面起着重等方面起着重要作用。要作用。3 3、传感器的构成、传感器的构成 传感器传感器由敏感器件与辅助器件组成。由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。转换输出。辅助器件辅助器件对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。匹配，以便于后续仪表接入。 4 4、传感器的分类、传感器的分类分类法分类法型式型式说说 明明按基本效应分类按基本效应分类物理型物理型化学型化学型生物型生物型采用物理效应进行转换采用物理效
5、应进行转换采用化学效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换采用生物效应进行转换按构成原理分类按构成原理分类结构型结构型物性型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类按能量关系分类能量转换型能量转换型能量控制型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分按工作原理分电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式压电式压电式磁电式磁电式热电式
6、热电式光电式光电式光纤式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类按输入量分类长度、角度、振动、长度、角度、振动、位移、压力、温度、位移、压力、温度、流量、距离、速度等流量、距离、速度等以被测
7、量命名（即按用途分类）以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类按输出量分类模拟式模拟式数字式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、输出量为模拟信号（电压、电流、）输出量为数字信号（脉冲、编码、输出量为数字信号（脉冲、编码、） 化学传感器：它是由膜电极和电解液灌封化学传感器：它是由膜电极和电解液灌封而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。带电离子，通过电极将信号传出。 它的优点是：反映速度快、准确，稳定性它的优点是：反映速度快、准确，稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大于等好、能够定量检测，但寿命较短（大于等于两年）。于两年）。 它主
8、要适用于毒性气体的检测，目前国际它主要适用于毒性气体的检测，目前国际上绝大部分上绝大部分毒气检测毒气检测采用该类型传感器。采用该类型传感器。连云港出动连云港出动200余人举行液氯泄漏余人举行液氯泄漏反恐预习演练反恐预习演练 120名消防员防范名消防员防范火情火情 安保使用毒气安保使用毒气检测仪检测仪旅客安检要照鞋底 机场实行双重安检 双重安检，即进入候机楼的所有人都要接受安全检查，旅客在登机前再进行一次安检。实行双重安检后，需要增加的是进入候机楼时的安检，最慢只需要40秒左右，并不会耽误乘客登机的很长时间。 记者来到桃仙国际机场，准备从一楼进入候机楼。刚进入候机楼大门，迎面就看见一位机场安检人
9、员手拿一块白色薄绵纸，在每一位进入候机楼的乘客的手上或随身携带的行李上轻轻擦拭一下。随后，记者和其他旅客排队等候在事先拦好的警戒区域内，不过十几秒，记者就被告知可以通过。机场实行双重安检 安检人员告诉记者，白色薄绵纸是用于检测易燃易爆物品的“试纸”。“这种试纸可以探测出人体、物品上是否有易燃易爆物品的成份，检查结果在7、8秒内就可以得出。行李则接受X光检查。被发现的危险品则要放在防爆罐内，保证绝对安全。” 现场有三种安检仪器可谓安检中的“法宝”，除了前面提到用来放置危险品的防爆罐外，还有两个奇怪的“盒子”。一个是放射物体检测仪，一个是生化毒气检测仪。这两个仪器通过空气就可以检测出几十米范围内的
10、人体或物品是否含上述成份。其中生化毒气检测仪还是首次在桃仙国际机场使用。 生物传感器：对生物物质敏感并将其浓度转生物传感器：对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。换为电信号进行检测的仪器。 传统的传感器中，信号感受器完全是由非生传统的传感器中，信号感受器完全是由非生命物质组成的。而生物传感器与传统的各种命物质组成的。而生物传感器与传统的各种物理传感器和化学传感器的最大区别，在于物理传感器和化学传感器的最大区别，在于生物传感器的感受器中含有生命物质。生物传感器的感受器中含有生命物质。 例如，将一定的植物细胞或动物细胞作为感觉器，例如，将一定的植物细胞或动物细胞作为感觉器，可以制成各
11、种细胞传感器；可以制成各种细胞传感器； 用生物组织作感受器可制成组织传感器（或称为组用生物组织作感受器可制成组织传感器（或称为组织电极）；织电极）； 将一些特定的细胞器从细胞里分离出来作为感受器，将一些特定的细胞器从细胞里分离出来作为感受器，可制成细胞器传感器；可制成细胞器传感器； 将微生物作为感受器可制成生物传感器；将微生物作为感受器可制成生物传感器； 而将生物分子如蛋白质、核酸等作为感受器，更成而将生物分子如蛋白质、核酸等作为感受器，更成为当代生物传感器发展的主流。为当代生物传感器发展的主流。乙醇传感器乙醇传感器 生物传感器可广泛用于食品工业生产中，如对食品生物传感器可广泛用于食品工业生产
12、中，如对食品原料、半成品和产品质量的检测，发酵生产中在线监原料、半成品和产品质量的检测，发酵生产中在线监测等。利用氨基酸氧化酶传感器可测定各种氨基酸测等。利用氨基酸氧化酶传感器可测定各种氨基酸（包括谷氨酸、（包括谷氨酸、L-天冬氨酸、天冬氨酸、L-精氨酸等十几种氨基精氨酸等十几种氨基酸）。食品添加剂的种类很多，如甜味剂、酸味剂、酸）。食品添加剂的种类很多，如甜味剂、酸味剂、抗氧化剂等，生物传感器用于食品添加剂的分析已有抗氧化剂等，生物传感器用于食品添加剂的分析已有许多报道。许多报道。 鲜度鲜度是评价食品品质的重要指标之一，通常用人的感是评价食品品质的重要指标之一，通常用人的感观检验，但感观检验
13、主观性强，个体差异大，故人们观检验，但感观检验主观性强，个体差异大，故人们一直在寻找客观的理化指标来代替。一直在寻找客观的理化指标来代替。食品新鲜度传感器食品新鲜度传感器 新鲜度传感系统由黄嘌噙氧化酶与核苷磷氧化酶的混合膜和氧化电极构成，该测定能够达到20%。使用这种传感器已经对比目鱼、鲷鱼、竹荚鱼、狼鲈鱼等的K值作过测定。另外，如果将IMP、HXR、HX的量辐射到3轴上（雷达图形）则根据条纹形状还可以从视觉的角度评价鲜度。现在，欧美诸国都使用组胺酶的量评价新鲜度。组胺酶是一种能够引起食物中毒的毒素，鱼放得久了就有可能生成这种东西。今后，在测定时同时使用K值测定和组胺酶的测定，就能更可靠地确保
14、食品的安全性。湖北神丹公司的技术人员正在检测蛋品的鲜度湖北神丹公司的技术人员正在检测蛋品的鲜度 应用：应用： 临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据；据； 生物工程产业中用生物传感器监测生物反应生物工程产业中用生物传感器监测生物反应器内各种物理、化学、生物的参数变化以便器内各种物理、化学、生物的参数变化以便加以控制；加以控制； 环境监测中用生物传感器监测大气和水中各环境监测中用生物传感器监测大气和水中各种污染物质含量；种污染物质含量； 食品行业中用生物传感器检测食品中营养成食品行
15、业中用生物传感器检测食品中营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。体检只需一滴血体检只需一滴血 生物芯片是指在固体基片生物芯片是指在固体基片(包括玻片、硅片、尼龙包括玻片、硅片、尼龙膜等材料膜等材料)表面所构建的微型生物化学分析系统，表面所构建的微型生物化学分析系统，可以实现对基因、蛋白、细胞和组织进行准确、可以实现对基因、蛋白、细胞和组织进行准确、快速和大信息量的分析检测。快速和大信息量的分析检测。 走进医院的大门，市民不必再一个个科跑来跑去，走进医院的大门，市民不必再一个个科跑来跑去，只凭借一滴血液，最多两天就可以查出自己身上只凭借一滴血液，最多两
16、天就可以查出自己身上所有犯病的部位，连传染病也不例外所有犯病的部位，连传染病也不例外这这决不是科幻，决不是科幻，10年后，如此一幕将变成现实。年后，如此一幕将变成现实。 物性型传感器物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。理性质的变化来实现信号变换的。例如：例如： 利用水银的热胀冷缩现象制成水银温度计来测利用水银的热胀冷缩现象制成水银温度计来测温；温； 利用石英晶体的压电效应制成压电测力计等利用石英晶体的压电效应制成压电测力计等 结构型件感器结构型件感器则是依靠传感器结构参数的则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。变化而实现信号转换的。
17、例如：例如： 电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量变化；变化； 电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感变电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感变化等。化等。 能量转换型传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的。 例如：热电偶温度计、弹性压力计等。 但由于这类传感器是被测对象与传感器之间的能量传输，必然导致被测对象状态的变化，而造成测量误差。 能量控制型传感器是从外部供给辅助能量使其工作的并由被测量来控制外部供给能量的变化。 例如，电阻应变测量中，应变计接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而通过被测量变化所引起应变计的电阻变化来控制电桥的不平衡程度。传
18、感器的性能要求 无论何种传感器，尽管它们的原理、结构不同，使用环境也不尽相同，但基本要求却是相同的。即： 1)灵敏度高输入和输出之间应具有较好的线性关系；灵敏度高输入和输出之间应具有较好的线性关系； 2)噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； 3)滞后、漂移误差小；滞后、漂移误差小； 4)动态特性良好；动态特性良好； 5)接入测量系统时对被测量产生影响小；接入测量系统时对被测量产生影响小； 6)功耗小，复现性好；功耗小，复现性好； 7)防水及抗腐蚀等性能好能长期使用；防水及抗腐蚀等性能好能长期使用； 8)结构简单，容易维修和校正；结构简单，容易维修和校正； 9)低
19、成本，通用性强。低成本，通用性强。传感器选用原则 传感器的传感器的灵敏度灵敏度越高，可以感知的变化量越小，越高，可以感知的变化量越小，即被测量稍有微小变化，传感器即有较大的输出。即被测量稍有微小变化，传感器即有较大的输出。但灵敏度越高，与测量信号无关的外界噪声也容但灵敏度越高，与测量信号无关的外界噪声也容易混入，并且噪声也会被放大。因此，对传感器易混入，并且噪声也会被放大。因此，对传感器往往要求有较大的信噪比。往往要求有较大的信噪比。 传感器的量程范围是和灵敏度紧密相关的一个传感器的量程范围是和灵敏度紧密相关的一个参数。当输入量增大时，除非有专门的非线性校参数。当输入量增大时，除非有专门的非线
20、性校正措施，否则传感器不应在非线性区域工作更正措施，否则传感器不应在非线性区域工作更不能在饱和区域内工作。有些需要在较强的噪声不能在饱和区域内工作。有些需要在较强的噪声干扰下进行的测试工作，被测信号叠加干扰信号干扰下进行的测试工作，被测信号叠加干扰信号后也不应进入非线性区。因此过高的灵敏度会后也不应进入非线性区。因此过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。影响其适用的测量范围。线性范围 任何传感器都有一 定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。 为了保证测量的精确度，传感器必须在线性区域内工作。 例如，机械式传感器的弹性元件，其材料的弹性极限是决定
21、测量量程的基本因素，超过弹性极限时将产生非线性误差： 然而任何传感器都不容易保证其绝对线性，在某些情况下，在许可限度内也可以在其近似线性区域应用。例如变极距型电容、电感传感器，均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作，因此选用时必须考虑被测物理量的变化范围，令其非线性误差在允许范围以内。响应特性 传感器的响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。实际传感器的响应总有一定的迟延，但迟延时间越短越好。 一般光电效应、压电效应等物性型传感器，响应时间短，可工作频率范围宽、而结构型，如电感、电容、磁电式传感器等，出于受到结构特性的影响，其固有频率低。 在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响
22、，选用时应充分考虑到被测物理量的变化特点，如稳态、瞬变、随机等。稳定性 传感器的稳定性是指经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。 为了保证稳定性，在选用传感器之前应对使用环境进行调查，以选择合适的传感器类型。 例如电阻应变式传感器，湿度会影响其绝缘性，从而会影响其零漂，长期使用会产生蠕变现象。又如，对于变极距型电容传感器，环境湿度改变或油剂侵人间隙时，会改变电容器介质的性质。光电传感器的感光表面有灰尘或水泡时，会改变感光性质。磁电式传感器或霍尔效应元件等，在电场、磁场中工作时亦会带来测量误差。滑线电阻式传感器表面有灰尘时将会引入噪声。 在有些机械自动
23、化系统或自动检测装置中，所用的传感器往往是在比较恶劣的环境下工作灰尘、油剂、温度、振动等的干扰是很严重的，这时传感器的选用必须优先考虑稳定性因素。精确度 传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。因为传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接影响。 然而，传感器的精确度也并非愈高愈好，因为还要考虑到经济性。传感器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出发来选择。 首先应了解测试目的，是定性分析还是定量分析，如果属于相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，此时对传感器的精确度要求可低些。然而对于定量分析，为了获得精确量值，传感器必须有足够高的
24、精确度。 几何形状是客观世界中最广泛、最具体的物质形态,几何量是表征物质大小、形状及位置的物理量。 其中长度量是最基本的几何参量,包括距离、位移及长度等 。 随着科学技术的发展,大到天文尺度,小到纳米尺度的长度测量技术都有了飞速的发展,同时在各领域的应用中,对长度量的测量也在不断提出新的要求。长度的测量范围长度的测量范围 测量长度的常用工具有 （钢） 直尺、 钢卷尺等. 用这些工具测量可准确测出0.1cm，要准确测出更小尺度， 则需用游标卡尺、 螺旋测微器 （又叫千分尺） 外， 还可用光学显微镜、 电子显微镜 等精确度更高的测量仪器. 使用这些仪器不仅可测出细如毛发的物体的直径， 还可测出是毛
25、发直径千分之一或万分之一的物体的长度。例如， 用电子显微镜可测出钨 （可做灯丝）原子的直径为210-10m， 即20nm （nm是 “纳米” 的符号， 1nm=10-9m， 约相当于头发丝的一万分之一） . 隧道扫描显微镜 ，还观测了许多原子分子. 用这种仪器的扫描探针可对表面进行纳米级加工 . 人们利用科学的测量方法， 还可以测量出极大的长度 （如星星之间的距离） . 例如， 人们已准确测出光在真空中（即电磁波在真空中） 的传播速度约为299792458m/s. 这个速度相当于每秒钟可绕地球赤道走7.5圈， 是迄今为止人们所认识的物体运动的最大速度. 宇宙是无限广阔的， 星星之间的距离十分遥
26、远， 如果用 “米” 做单位来表示星星之间的距离， 将会出现很大的数字， 即 “天文数字” . 为简化计数， 人们用光在1年的时间内通过的距离作为长度的单位， 叫做 “光年” . 1光年约等于9.461015m. 如果我们乘超音速飞机， 走完1光年的路程， 大约需要80多万年， 光年虽大比不过宇宙大.如果用光年来表示宇宙， 那么银河系的直径就达1.3万光年， 即光从银河系的一端走到另一端， 也需要1万3千年.各数量级的长度测量各数量级的长度测量 天体距离测量天体距离测量 不同的天体用不同的测量方法,太阳系内和太阳系外的天体距离测量使用的方法是完全不同的。地球与月亮的距离测量地球与月亮的距离测量
27、 采用激光测距法,设发出信号和返回信号之间的时间间隔为t , c为光速,那么测量目标的距离就是L=tc/2。 自上个世纪70年代阿波罗号宇航员在月球上放置了激光反射器以后,测量精度不断提高,目前已经达到1 cm。常规尺度长度量的测量常规尺度长度量的测量 这里的常规尺度是指从千米级到毫米级的、区别于宏观的天体尺度和微观的微米、纳米尺度的几何尺度。 常规尺度的长度量的测量方法主要有超声波测距和激光测距两种。超声波测距超声波测距 超声波测距是靠超声在介质中传播,遇到障碍物时反射,然后由声波在介质中的传播速度和传播时间来确定距离。 设声波在介质中传播速度为c,从发射波到接收到反射波的时间是t,则距离L
28、=ct/2。超声波传感器超声波传感器 超声在空气中传播速度受空气温度、湿度及压强等因素的影响,而受温度影响最大. 在室温下温度变化1对超声声速的影响是06m/s. 实际测量时应该对超声传播速度进行温度补偿。超声波测距超声波测距微观尺度的长度量测量微观尺度的长度量测量 微观尺度的长度量测量可分为电学测量技术、光学测量技术和显微镜测量技术等。 电学测量技术有电涡流传感器测量、电容传感器测量等。 光学测量法具有非接触、材料适应范围广、测量精度高等特点。近二十年来随着电子技术和计算机技术的飞速发展,光学测量技术研究也取得了很多成果并应用到了工业生产领域。按使用的光学原理不同,光学测量技术可分为激光干涉
29、法、光杠杆法、光栅尺测量技术等。光栅尺测量光栅尺测量 当两块光栅以微小的角度相交倾斜重叠时,在光栅刻痕上方可以看见明暗交替的莫尔条纹。当任一光栅沿垂直于刻痕的方向移动时,莫尔条纹沿着垂直于交角平分线的方向移动,因此可以通过测量莫尔条纹的移动量来得到光栅的位移量,这就是光栅尺测位移的基本原理。 用这种方法来测量纳米级位移的关键在于光栅和莫尔条纹的细分,由于加工技术的飞速发展,现在光栅技术测量微位移的精度达到了001 nm的水平。 扫描隧道显微镜技术 扫描隧道显微镜STM(scanning tunneling microscope）是应用了隧道效应,所谓隧道效应是量子力学中一种粒子跃迁的现象,在隧
30、道状态下隧道电流与隧道间隙呈负指数关系变化, 当针尖与样品的间隙改变01 nm,引起的隧道电流改变量为10倍,由隧道电流随距离变化的特性,可测出探针与样品间的距离变化。显微镜测量技术显微镜测量技术原子力显微镜原子力显微镜 原子力显微镜AFM(atomic force microscope)是利用了物质表面原子间力的作用,当一个对微弱力极其敏感的微悬臂在纵向充分逼近被测样品表面时,探针尖端的原子与样品表面的原子之间就会产生相互作用的原子力,使微悬臂发生一定的偏转。微悬臂的偏转量与针尖到物体表面的距离成一定的曲线关系,利用这种原理的原子力显微镜可用于非导体的微位移测量。扫描电子显微镜扫描电子显微镜
31、 扫描电子显微镜SEM ( scanning electron micro-scope)在观测物体表面微观形态时测量精度能达到几个埃的水平。SEM的放大倍数最大可达101 000 000倍,分辨率最大可达05 nm。以扫描电子显微镜为基础发展出了各类电子显微镜,如透射电子显微镜 、反射电子显微镜等。 以上所述显微镜测量技术,只能局限在实验室研究使用,若要将其应用于生产现场,还需要广大科研工作者的努力。埃 一百亿分之一米,即10e-10 米发展趋势发展趋势 在天体距离测量方面,由于对距离地球比较近的天体位移测量时,都需要对角位移进行精确测量,所以天体距离的测量会随着微观位移测量技术的进步而得到更
32、高的精度。 微观长度测量领域,利用光学测量原理的方法中, 测量精度直接受激光源质量和感光元件灵敏度的影响,随着制造加工技术的发展,势必给微位移测量带来新的发展。 而显微镜测量仪器会趋于微型化,这种高精度的纳米级位移测量技术不久就会走出实验室真正应用到生产中去。 位移测量按被测量来分有线位移测量和角位移测量，如机械工程中经常要求测量零部件的位移或位置； 按测量参数的特性分有静态位移和动态位移，许多动态变化的参数如力、扭矩、速度、加速度等都是以位移测量为基础的。位移测量位移测量 位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，因此位移是矢量。一般情况，应使测量方向与位移方向重合，这样才能真实地测量出位
33、移量的大小。如果测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅是该位移量在测量方向上的分量。 位移测量时，应当根据不同的测量对象选择适当的测量点、测量方向和测量系统。传感器的选择恰当与否对测试精度影响很大，必须特别重视。位移测量位移测量 长度单位和定义长度单位和定义 目前，我国采用的长度单位与国际单位制是目前，我国采用的长度单位与国际单位制是一致的，即以国际单位制的基本单位之一一致的，即以国际单位制的基本单位之一米米(m)作为我国法定的长度计量单位。作为我国法定的长度计量单位。1 1、电容传感器、电容传感器优点优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、
34、动态响应时间短、易实现非接触测量等。动态响应时间短、易实现非接触测量等。电容器是电子技术的三大类电容器是电子技术的三大类无源元件无源元件(电阻、电感和电电阻、电感和电容容)之一。之一。电容式传感器电容式传感器：利用电容器的原理，将：利用电容器的原理，将非电量转换成电非电量转换成电容量容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，它进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。实质上是一个具有可变参数的电容器。工作原理与类型用两块金属平板作电极可构成电用两块金属平板作电极可构成电容器，其电容容器，其电容C为为:AAACr0 A极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积； 极
35、板间距离；极板间距离； r相对介电常数；相对介电常数； 0 真空介电常数，真空介电常数， 电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。、A A和和r r中的某一项变化，就改变了电容中的某一项变化，就改变了电容: :改变改变极板距离极板距离，称变极距型传感器（测小位移）；，称变极距型传感器（测小位移）；改变极板面积改变极板面积A，称变面积型传感器（较大范围测线，角位移）；，称变面积型传感器（较大范围测线，角位移）；改变极板介质改变极板介质 ，称变介质型传感器（测液面高度，料位）。，称变介质型传感器（测液面高度，料位）。 变极距变极距( (）型型: (a)、(e) 变面积型变面积型(S)(
36、S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 图中极板图中极板1固定不动，极板固定不动，极板2为可动电极为可动电极(动片动片)，当动片随被测，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化。量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化。初始电容初始电容:000ACr000000/11CACCCr极距变化电容变化极距变化电容变化:ACr02变极距型电容传感器1CC- 特性曲线00A000000/11CACCCr由上式可知由上式可知C 是反比非线性关系。所以这
37、种传感器被限制在一是反比非线性关系。所以这种传感器被限制在一个较小的个较小的 范围内变化才能近似线性。当范围内变化才能近似线性。当 减小减小 时时,电容电容C增加增加 C 。ACr00000000/1/11CCCCCC灵敏度：灵敏度：20000011ACCKr求灵敏度：求灵敏度：特点特点： 输出输出非线性非线性，只有，只有 W ，位移放大，位移放大， 提高灵敏度提高灵敏度可调性可调性：夹角夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性准确性：大量刻线大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提提 高精度高精度 B(2) 光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：精度高：可达
38、可达1m或更小或更小量程大量程大：光栅尺长（米）：光栅尺长（米）响应快响应快：可用于动态测量：可用于动态测量要求高要求高：对环境要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动温度、湿度、灰尘、振动成本高成本高：电路复杂：电路复杂 光栅式位移传感器易于实现数字化测量和自动控光栅式位移传感器易于实现数字化测量和自动控制，是制，是数控机床和精密测量数控机床和精密测量中应用较广的检测元件。中应用较广的检测元件。 缺点是对使用环境要求较高，在现场使用时要求密缺点是对使用环境要求较高，在现场使用时要求密封，以防止油污、灰尘、铁屑等的污染。封，以防止油污、灰尘、铁屑等的污染。 光栅主要由光栅主要由主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。等组成。主光栅主光栅的有效长度即为测量范围。必要时，的有效长度即为测量范围。必要时，主光栅主光栅还可接长。还可接长。指示光栅比指示光栅比主光栅主光栅短得多，但两者刻有同样栅距。短得多，但两者刻有同样栅距。 使用时两光栅相互重叠，两者之间有微小的空隙使用时两光栅相互重叠，两者之间有微小的空隙d，使其中，使其中一片固定，另一片随着被测物体移动，即可实现位移测量。一片固定，另一片随着被测物体移动，即可实现位移测量。(3) 光栅传感器结构光栅传感器结构 (4) 代表性产品代表性产品
