常見傳感器分類和工作原理

　　傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器有許多種，在先進測量技術(shù)這門課中提到了許多傳感器，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。

　　1  位移傳感器

　　傳感器的分類是可以通過轉(zhuǎn)換原理、用途、輸出信號以及制作材料和工藝分。根據(jù)工作原理可以分為兩大類，分別是物理傳感器和化學(xué)傳感器。目前最常用的傳感器之一是位移傳感器。

　　位移傳感器它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，位移傳感器超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，接通電源后，在開關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。

　　電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應(yīng)用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制。位移是和物體的位置在運動過程中的移動有關(guān)的量，位移的測量方式所涉及的范圍是相當廣泛的。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動變壓式、渦流式、霍爾傳感器來檢測，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來測量。其中光柵傳感器因具有易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達到納米級）、抗干擾能力強、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點，在機床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。

　　2 光柵傳感器

　　計量光柵通常用于數(shù)字檢測系統(tǒng)，用來檢測高精度直線位移和角位移，是數(shù)控機床上應(yīng)用較多的一種檢測裝置。光柵傳感器的空間分辨率一般可達1μm左右，單根光柵的長度可達600mm以上，主光柵能夠進行拼接，測量范圍可達幾米以上。如圖所示光柵由4光源，透鏡，2指示光柵，3光電元件，驅(qū)動電路和1標尺光柵組成。

　　當兩光柵面相對疊合，中間留有很小的間隙，并使兩者柵線之間保持很小夾角θ，透射光就會形成明暗相間的莫爾條紋。光柵主要是利用莫爾條紋實現(xiàn)測量的。莫爾條紋具有以下特點：

　�。�1）平均效應(yīng)

　　莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除短周期誤差的影響。光柵的工作長度越大，參加工作的刻線越多，這一作用就越顯著。

　�。�2）放大作用

　　由于θ角很小，從式（1-4）可明顯看出光柵有放大作用，放大比為：K≈1 /θ

　　（3）對應(yīng)關(guān)系

　　兩光柵沿與柵線垂直的方向相對移動時，莫爾條紋沿柵線方向移動。兩光柵相對移動一個柵距P，莫爾條紋移動一個條紋間距W。光柵反向移動時，莫爾條紋亦反向移動。利用這種嚴格的一一對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)光電元件接收到的條紋數(shù)目，就可以知道主光柵所移過的位移值。 

　　3  紅外傳感器

　　另一種傳感器也非常常用，在非典期間就經(jīng)常出現(xiàn)紅外溫度傳感器，紅外線傳感器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學(xué)效應(yīng)。

　　自然界一切溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體。由于分子的熱運動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克（Plank）定律。紅外測溫的原理是一樣的，都是根據(jù)普朗克原理。一般理解紅外測量的是物體的溫度。其實測的是目標物與傳感器或者說是物體與環(huán)境溫度之間的差值。物體輻射能量的大小直接與該物體的溫度有關(guān)。具體地說，是與該物體熱力學(xué)溫度的4次方成正比。用公式可表達為：

　　E=δε（T4-T4o） （1）

　　式中，E是輻射出射度。單位是W／m3；

　　δ是斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，5.67x10-8W／（m2·K4）；

　　δ是物體的輻射率：

　　T是物體的溫度（K）；

　　To是物體周圍的環(huán)境溫度（K）。

　　人體主要輻射波長為9 μm-10 μm的紅外線。通過對人體自身輻射紅外能量的測量便能準確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因而也可利用人體輻射的紅外能量精確地測量人體表面溫度。

　　紅外溫度傳感器利用熱電偶原理，測量目標物與傳感器或者物體與環(huán)境溫度