常见传感器分类和工作原理
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传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器有许多种，在先进测量技术这门课中提到了许多传感器，在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。 1 位移传感器 传感器的分类是可以通过转换原理、用途、输出信号以及制作材料和工艺分。根据工作原理可以分为两大类，分别是物理传感器和化学传感器。目前最常用的传感器之一是位移传感器。 位移传感器它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。 电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。 2 光栅传感器 计量光栅通常用于数字检测系统，用来检测高精度直线位移和角位移，是数控机床上应用较多的一种检测装置。光栅传感器的空间分辨率一般可达1μm左右，单根光栅的长度可达600mm以上，主光栅能够进行拼接，测量范围可达几米以上。如图所示光栅由4光源，透镜，2指示光栅，3光电元件，驱动电路和1标尺光栅组成。 当两光栅面相对叠合，中间留有很小的间隙，并使两者栅线之间保持很小夹角θ，透射光就会形成明暗相间的莫尔条纹。光栅主要是利用莫尔条纹实现测量的。莫尔条纹具有以下特点： （1）平均效应 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除短周期误差的影响。光栅的工作长度越大，参加工作的刻线越多，这一作用就越显着。 （2）放大作用 由于θ角很小，从式（1-4）可明显看出光栅有放大作用，放大比为：K≈1 /θ （3）对应关系 两光栅沿与栅线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿栅线方向移动。两光栅相对移动一个栅距P，莫尔条纹移动一个条纹间距W。光栅反向移动时，莫尔条纹亦反向移动。利用这种严格的一一对应关系，根据光电元件接收到的条纹数目，就可以知道主光栅所移过的位移值。 3 红外传感器 另一种传感器也非常常用，在非典期间就经常出现红外温度传感器，红外线传感器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。 自然界一切温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体。由于分子的热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波。其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克（Plank）定律。红外测温的原理是一样的，都是根据普朗克原理。一般理解红外测量的是物体的温度。其实测的是目标物与传感器或者说是物体与环境温度之间的差值。物体辐射能量的大小直接与该物体的温度有关。具体地说，是与该物体热力学温度的4次方成正比。用公式可表达为： E=δε（T4-T4o） （1） 式中，E是辐射出射度。单位是W／m3； δ是斯蒂芬一波尔兹曼常数，5.67x10-8W／（m2·K4）； δ是物体的辐射率： T是物体的温度（K）； To是物体周围的环境温度（K）。 人体主要辐射波长为9 μm-10 μm的红外线。通过对人体自身辐射红外能量的测量便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而也可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。 红外温度传感器利用热电偶原理，测量目标物与传感器或者物体与环境温度之间的差值。热电偶的原理是二种不同的金属A和B构成一个闭合回路，当二个接触端温度不同时（T>To），回路中产生热电势Eab，其中T称为热端、工作端或测量端，To称为冷端、自由端或参比端。A和B称为热电极。热电势的大小由接触电势（也叫伯尔贴电势）和温差电势（也叫汤姆逊电势）决定。 4 结语 在温度测量系统中，温度传感器是一个重要的器件，它的性能直接影响温度测量的准确度。需要根据不同的测量精度来选择传感器，对于红外温度传感器来说，因为它是非接触式的，所以对环境的要求特别高，采用热电偶的测量原理，对环境温度进行补偿，从而获得准确的测量效果。红外线传感器产品一般采用单片机进行数字信号处理，对其采集到的温度电信号进行处理。再经过滤波和放大，把温度的标准电信号提取出来进行MD转换，最终在液晶显示器（LMD）上显示出来。 |
