第二章传感器输入换能器-检测装置.docx

第二章 传感器（输入换能器）－检测装置
input transducers －measuring devices

前言：

所有的工业控制都要正确迅速地检测被控变量，最好的方法是将被控变量转换成电气讯号，再用电气检测装置检测。

电气信号比起机械信号，有如下优点：
1 电气信号易于传送；
2 电气信号易于放大和过滤（amplify filter）；
3 电气信号易于处理，如时间积分，极限检查等

传感器常检测的物理量：位置、速率、加速度、力、压力、流速、温度、光强度、湿度。

敏感元件（sensor）：也称检测元件，是一种能够灵敏地感受被测参数并将被测参数的变化转换成另一种物理量的变化的元件。
传感器（transducer）：能直接感受被测参数，并将被测参数的变化转换成一种易于传送的物理量。
变送器（transmitter）：一种特殊的传感器，使用统一的动力源，输出是一种标准信号。

一个检测系统能正确传递信息，进行信号转换，实现参数的检测，是利用了自然规律中的各种定律、法则、效应，这些自然规律是参数检测的基础，可归纳为4个方面，守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则。
1 守恒定律，是自然界最基本的定律，包括质量、能量、动量、电荷量等守恒定律。
2 场的定律，物质作用的定律，如运动场的运动定律，电磁场的感应定律，光的电磁场的干涉现象等。
3 物质定律，是关于各种物质本身内在性质的定律、法则、规律，通常以物质所固有的物理量加以描述，与物质的材料密切相关。
4 统计法则，利用统计方法把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。

参数的检测以自然规律为基础，利用敏感元件特有的物理、化学和生物等效应，把被测量的变化转换为敏感元件某一物理（化学）量的变化，根据敏感元件的不同，参数检测一般有几种方法：
光学法、力学法、热学法、电学法、声学法、磁学法、射线法等。

一般有：
1机械式检测元件：将被测量转换为机械量信号（位移、振动频率、转角等），可用于压力、力、加速度、温度等检测，常用有弹性式和振动式检测元件。
2 电阻式检测元件：将被测量转换成电阻值的变化，常用电阻材料有导体、半导体等，
用于位移、形变、加速度、压力及温度等检测，常见的，电阻应变元件、热电阻、
湿敏电阻、气敏电阻等。
3 电容式检测元件：将某些物理量的变化转换为电容量的变化，用于位移、振动、角位移、加速度、压力、差压、物位等检测。
4 热电式检测元件：将温度变化转换为电量的变化，热电偶。
5 压电式检测元件：利用压电材料作为敏感元件，以其受外力的作用时在晶体表面产生电荷的压电效应为基础来实现参数测量的，可以把力、压力、加速度和扭矩等物理量转换成电信号输出。（石英晶体、压电陶瓷）。
6 光电式检测元件：将光信号转换为电信号的元件，物理基础是光电效应，一般由光源、光学元件、光电变换器3部分组成。光源发射出一定光强的光线，光学元件形成光路照射到光电变换器上，被测量的变化转换成光信号的变化，从而引起电信号的相应变化。

光电效应是指光照射到物质上引起其电特性（电子发射、电导率、电位、电流等）
发生变化的现象，分为外光电效应和内光电效应。
外光电效应：在光线作用下，使其内部电子逸出物体表面的现象，也称光电发射效
应，基于此的有光电管、光电倍增管。服从以下规律：
1） 入射光频谱成分不变时，光电流的大小与入射光的强度成正比。
2） 光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，与入射光的强度无关。
3） 光电子能否产生取决于是否大于红限频率（每种物体的光频阈值）。
4） 光电管即使没有阳极电压，由于光电子有初始动能，也会有光电流产生。
内光电效应：物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，但不逸出物体表面，仍留
在内部，导致物体的电阻率发生变化或产生电动势。使电阻率发生变化的称光电导效应，有光敏电阻；产生电动势的现象称光生伏特效应，有光电池、光敏二极管、光敏三极管等。
7 磁电式检测元件：通过电磁原理将被测量转换成电信号，有称电磁感应式或电动力式传感器，主要包括磁电感应式和霍尔检测元件。
8 磁弹性式检测元件：也称压磁式，简称压磁元件，新型。基于铁磁材料的磁弹性效应，即在受到机械力作用后，内部产生机械应力，引起磁阻或磁导率变化，主要用于测力、称重、温度测量及应力无损检测等。
9 核辐射式检测元件：利用被测物质对射线的吸收、散射、反射或射线对被测物质的电离作用工作，可用于检测厚度、物位、密度、成分、金属探伤等，主要由放射源、检测器、转换电路组成。

温度检测：热电偶、热电阻、辐射测温（光电高温计）、光纤温度传感器
压力检测：重力平衡法、机械力平衡法、弹性力平衡法、物性测量法；弹性压力计（弹性模片、波纹管、弹簧管）。压力传感器：应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式、光电式、光纤式、超声式等。
物位检测：液位、料位、界位
直读式、静压式、浮力式、机械接触式、电气式、光学式、射线式、光纤式等。
流量检测：体积流量计
容积式（椭圆齿轮、腰轮、皮膜式）、差压式（节流式、均速管、弯管、靶式、浮子）、速度式（涡轮、涡街、电磁、超声波）
质量流量计
推导式（体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量）、直接式（科里奥利、热式、冲量式）
气体成分检测：电化学式、热学式、磁学式、射线式、光学式、电子光学式、离子光学式、色谱式、物性测量仪表、其他（晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感仪）
机械量检测：包括长度、位移、速度、转角、转速、力、力矩、振动等。位移（电容式、电感式、差动变压器、光纤、光栅标尺、容栅标尺、磁栅标尺）、转速（离心力、光电码盘、空间滤波器）、力（金属应变、半导体应变、压敏导电橡胶）、加速度与振动（动电型振动检测、微机械加速度传感元件）
湿度检测：空气（或气体）中水汽含量。露点法、毛发膨胀法、干湿球温度测量法。电解质系湿敏传感器、陶瓷湿敏传感器、高分子聚合物湿敏传感器。

基本概念（基本性能指标）
1 测量范围、上下限、量程：
2 零点/量程迁移：
3 灵敏度/分辨率；误差；精确度：
4 输入-输出特性（滞环、死区、回差）：
5 重复性、再现性：
6 可靠性；线形度；稳定性：

学习目标：
1 解释电位计（potentionmeter）的线性和分辨率（linearity and resolution）
2 可变线性差分变压器（LVDT，linearity ）/线性可调差额变压器
3 波东管（Bourdon tube）；压力检测设备（波纹管bellow）
4 热电偶（thermocouple）；电阻性温度检测器（RTD，resistive temperature detector）；热电阻（thermistor）；固态温度转换器（solid-state temperature transducer）
5 光高温检测计（optical pyrometer）；光电池和光导电池（photovoltaic/photoconductive cell）；光转轴位置编码器（optical shaft-position encoder）；光位置编码器（optical position encoder）；光电池检测器（photocell detector）；LED；光电晶体（phototrasistor/photodiode）；光耦合器/光隔离器（optical coupler/isolator）；光纤（optical fiber）
6 超声波（ultrasonic wave）
7 应变规（strain gage）；应变规加速计（accelerometer）
8 转速计（tachometer）
9 霍尔效应（hall effect）近似检测器（proximity detector）、功率转换器（power transducer）、流量计（flowmeter）
10阻性湿度计/湿度计（resistive hygrometer/psychrometer）

2-1电位计（Potentionmeter）

最普通的一种电气换能器，将机械运动转换成电气变动。
带滑动接头的电阻器，滑动接头可以在电阻器上任意滑动或停留。
两种简图，实际形状成圆弧形，滑动接头的位置可借中间转轴的旋转加以改变（手或螺丝刀）。

图2-1 电位计简图，a）圆弧形画法，比较接近实际形状，b）直线画法
2-1-1电位计的直线性（Potentionmeter Linearity）

图2-2 电位计电阻和转轴角度关系，a）真正线性电位计，b）实际电位计，和直线有偏差，c）步进式或非连续电阻变动。

线性：不论滑动接头在什么地方，滑动接头移动相同距离，就改变相同的电阻大小。即电阻器是均匀分布的。
绝大多数电位计是线性的。

百分线性。理想线性图。
真正，偏离理想直线，偏差最严重的地方决定电位计的百分线性，偏差的百分比（占全部电阻的）即线性。如，偏差10％，即线性10％。

2-1-2电位计解析度（Potentionmeter Resolution）

实际电位计多用导线绕成，在一个圆柱绝缘物上缠绕多圈而成，电位计调整时，滑动接头由一圈移向另一圈，结果是所得的电阻值并非完全平滑变动，而是以步进（step）方式改变，示意如图2-2 c）（夸大后）。

电位计解析度：最小可能电阻变化量，也可以全部电阻的百分率表示。
（一般，解析度约高则线性约差，反之亦然。若二者皆好，价格也贵（20倍以上）。）
电位计两端加电压，则将电阻转换成电压输出。
在电桥上常用到电位计。

图2-3 用于检测线路的电位计，a）电位计用作简单的分压器，b）电位计构成一边的电桥，c）电位计只是电桥的一只脚。
2-2可变线性差分变压器（LVDT，Linear Variable Differential Transformer）
（线性可调差额变压器）

将物体位移用交流电压表示出来。

[电磁相关知识补充]
Magnetic field（简易定义：能够产生磁力的空间存在着磁场。磁场是一种特殊的物质。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。）
电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。而现代理论则说明，磁力是电场力的相对论效应。
与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B，也可以用磁感线形象地图示。然而，作为一个矢量场，磁场的性质与电场颇为不同。运动电荷或变化电场产生的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢量场，磁力线是闭合的曲线族，不中断，不交叉。换言之，在磁场中不存在发出磁力线的源头，也不存在会聚磁力线的尾闾，磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零，即磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标量函数。
电磁场是电磁作用的媒递物，是统一的整体，电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和动量，电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的“特殊”只在于没有静质量。
磁现象是最早被人类认识的物理现象之一，指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的，地球，恒星(如太阳)，星系（如银河系），行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程，必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。 地球的磁级与地理的两极相反。
磁场方向：规定小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该电磁场的方向。
磁感线：在磁场中画一些曲线，使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同，这些曲线叫磁力线。磁力线是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为磁力线的方向。磁铁周围的磁力线都是从N极出来进入S极，在磁体内部磁力线从S极到N极。
电磁场 electromagnetic field，有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。
磁场类型
1. 恒定磁场，磁场强度和方向保持不变的磁场称为恒定磁场或恒磁场，如铁磁片和通以直流电的电磁铁所产生的磁场。
2. 交变磁场，磁场强度和方向在规律变化的磁场，如工频磁疗机和异极旋转磁疗器产生的磁场。
3. 脉动磁场，磁场强度有规律变化而磁场方向不发生变化的磁场，如同极旋转磁疗器、通过脉动直流电磁铁产生的磁场。
4. 脉冲磁场　用间歇振荡器产生间歇脉冲电流，将这种电流通入电磁铁的线圈即可产生各种形状的脉冲磁场。脉冲磁场的特点是间歇式出现磁场，磁场的变化频率、波形和峰值可根据需要进行调节。
     恒磁场又称为静磁场，而交变磁场，脉动磁场和脉冲磁场属于动磁场。磁场的空间各处的磁场强度相等或大致相等的称为均匀磁场，否则就称为非均匀磁场。离开磁极表面越远，磁场越弱，磁场强度呈梯度变化。

电磁感应electromagnetic induction，因磁通量变化产生感应电动势的现象（闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应）。1820年H.C.奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题，1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在测量地磁强度时，偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。1824年，阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验，发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜盘不同步，稍滞后。电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象，但由于没有直接表现为感应电流，当时未能予以说明。1831年8月，M.法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈 ，其一为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针，另一与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验，把产生感应电流的情形概括为5类 ：变化的电流，变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应。进而，法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。
后来，给出了确定感应电流方向的楞次定律以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律。并按产生原因的不同，把感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种，前者起源于洛伦兹力，后者起源于变化磁场产生的有旋电场。
电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。
若闭合电路为一个n匝的线圈，则又可表示为：式中n为线圈匝数，Δ为磁通量变化量，单位Wb ，Δt为发生变化所用时间，单位为s.ε 为产生的感应电动势，单位为V。
1.感应电动势的大小计算公式
1)E＝nΔΦ/Δt（普适公式）｛法拉第电磁感应定律，E：感应电动势(V)，n：感应线圈匝数，ΔΦ/Δt:磁通量的变化率｝
2)E＝BLVsinA(切割磁感线运动) E=BLV中的v和L不可以和磁感线平行，但可以不和磁感线垂直，其中sinA为v或L与磁感线的夹角。     ｛L:有效长度(m)｝
3)Em＝nBSω（交流发电机最大的感应电动势） ｛Em:感应电动势峰值｝
4)E＝BL2ω/2（导体一端固定以ω旋转切割）   ｛ω:角速度(rad/s)，V:速度(m/s)｝

2.磁通量Φ＝BS   {Φ:磁通量(Wb),B:匀强磁场的磁感应强度(T),S:正对面积(m2)}
3.感应电动势的正负极可利用感应电流方向判定｛电源内部的电流方向：由负极流向正极｝
*4.自感电动势E自＝nΔΦ/Δt＝LΔI/Δt｛L:自感系数(H)(线圈L有铁芯比无铁芯时要大)，ΔI:变化电流，∆t:所用时间，ΔI/Δt:自感电流变化率(变化的快慢)｝
感应电流产生的条件(如果缺少一个条件,就不会有感应电流产生)
1. 电路是闭合且通的
2. 穿过闭合电路的磁通量发生变化。
[补充结束]

典型的如图，由1个初级线圈和2个二级线圈组成，都绕在同一个架子上。架子本身中空，内有磁性铁心，铁心可左右移动。
当铁心在正中间时，2个二级线圈内的磁通相同，因此感应电压也相同，当铁心左右移动时，2个二级线圈的磁通不再相同，产生的感应电压也有差别，二者之差即可体现铁心的位移，即LVDT将铁心的位移转换成2个二级线圈的电压差（与位移成比例）。
实际应用时，2个二级线圈反向串联连接，若铁心在中央，二级线圈电压相同，输出电压为0，若铁心移动，则输出电压的大小表示铁心偏离中心点的距离，相位（phase）则表示偏离的方向。
多数的LVDT，位移范围在1英寸，若需测量大的位移，可附加适当的机械缩小装置（如齿轮组）即可。
多数LVDT的输入电压小于交流10V，全额输出电压差不多大小（从交流0.5V到10V不等）。

LVDT位移传感器的特点
· 结构简单，工作可靠，寿命长，线性度好，重复性好
· 最高精度可达0.05％，绝对误差1um重复性0.1um
· 灵敏度高,每毫米位移量输出信号电压可高达几百mV到几伏
· 分辨率高,一般为0.1um,最高可达0.0001um
· 测量范围广 +/-0.1mm 到+/-500mm
· 时间常数小,频带宽,可达200HZ(5ms)甚至更高

图2-4 a）LVDT的结构，b）LVDT示意图，c）LVDT的铁心在正中央，Vout为0，d）铁心上移，Vout和Vin通相，e）铁心下移，Vout和Vin反相。

LVDT位移传感器在工业和科学中的应用
· LVDT 用于汽车悬挂系统
· 用于注塑机控制位置
· 用于伺服阀门
· 数控机床控制
典型的如：LVDT位移传感器 （1000TD 2000TD 3000TD 4000TD 5000TD 6000TD LVDT）（线性差动变压器式位移传感器）主要适用于：汽轮机主汽门油动机行程阀门开度，高压缸、中压缸、低压缸油动机行程的测量，用于测量如位移、距离、伸长、移动、厚度、膨胀、液位、应变、压缩、重量等各种物理量。广泛应用于航天、航空、电力、石油化工、机械、军工、纺织、汽车、煤炭、地震监测、高等院校及科研院所等领域，既可以与仪表使用，也可单独使用。外壳为不锈钢，静态线性良好、结构简单、工作可靠、