2.4 速度传感器

2.4.1 速度测量概述

速度也是智能控制系统中最常见的被控量之一，有角速度和线速度两种，角速度一般表现为轴的转速，线速度则与生产过程中设备或产品的运动快慢有关，涉及生产的效率和设备运行的安全。测量速度主要是为了控制被测物的移动快慢、产品生产质量和效率等，进而控制它的空间位置或运行状态，以实现生产过程的自动化。用于速度量检测的传感器非常多，有磁电式、光电式、光纤式等。

2.4.2 磁电式速度传感器

磁电式传感器是最基本的速度传感器之一，它是目前最主要的测速传感器，在工业控制及家电产品中广泛使用，而且它还可用于其他物理量的检测，如位移、磁场、电流等，用途十分广泛。在航空、机械、冶金、建筑、石油化工等诸多行业都有应用，是一种很常见的传感器。

霍尔传感器（也叫霍尔元件）是一种基于霍尔效应的典型的磁电式传感器，已发展成一个品种多样的磁电传感器产品系列，并已得到广泛的应用，这里所介绍的磁电式传感器就是指霍尔传感器。按图2-32所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来便可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。

由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置装上霍尔开关电路，可制成速度表、里程表等。

如图2-33所示的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔元件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目可以得到流体的流速。若知道管道的内径，可由流速和管径求得流量。

由图2-34可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。

2.4.3 光电式速度传感器

光电式测速传感器是用途最广泛的速度传感器，它可以用于角速度和线速度的在线检测，在工业控制及家电产品中都有使用。如火箭发射、飞机机翼、水轮机组、阀门位置、旋转阀位置、油缸、轴径跳动检测，阀位检测与控制，辊缝间隙控制，金属加工检测以及气缸节气门位置、汽车悬挂梳、纺机、食品加工和机械手，等等，是一种很常见的多用途传感器。

光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空光电元件和半导体光电元件两大类。图2-35所示为常见的半导体光电元件——光敏电阻，在光线的作用下其阻值往往会变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。

光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图2-36所示。图中， Ф ₁ 是光源发出的光信号， Ф ₂ 是光电气件接受的光信号，被测量可以是 x ₁ 或者 x ₂ ，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号 I 。光电传感器设计灵活、形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。

按照光电传感器中光电元件输出电信号的形式可以将光电传感器分为模拟式和脉冲式两大类。

（1）模拟式光电传感器。这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定的函数关系，这类传感器通常有以下四种形式。

1）光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，如图2-37a所示。这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。

2）恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数，如图2-37b所示。这种形式的光电传感器可用于测量透明度、混浊度。

3）恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如图2-37c所示。反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。

4）从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置，如图2-37d所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。

（2）脉冲式光电传感器。在这种传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。

速度测量装置的示意图如图2-38所示，将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。光电转速传感器接有4根导线，其中黑线、黄线为电源输入线，红线为信号输出线，白线为共地线。测量头由光电转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。测量头用器件封装后，固定装在贴近信号盘的位置，当信号盘转动时，光电元件即可输出正负交替的周期性脉冲信号。信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的齿数。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低。该装置的优点是输出信号的幅值与转速无关，精确度高。如果将此装置外接放大、A/D转换和数字显示单元，则可成为数字式转速表。

这种测速法采用频率测量法，其测量原理为：在固定的测量时间内，计取转速传感器发生的脉冲个数（即频率），从而算出实际转速。设固定的测量时间 T （单位：min）内，计数器计取的脉冲个数为 N ，则被测转速为

2.4.4 光纤速度传感器

光纤传感器是近代发展起来的新型测速传感器之一，随着光纤新材料的不断出现，以及光电转换原理和信号处理技术的完善，这一新型传感器得到了越来越多的实际应用。它主要用于角速度和线速度的检测及电位的调节，在工业控制及家电产品中使用广泛。如火箭发射、飞机机翼、水轮机组、阀门位置、旋转阀位置、油缸、轴径跳动检测，阀位检测与控制，辊缝间隙控制，金属加工检测以及气缸节气门位置、汽车悬挂梳、纺机、食品加工和机械手等，是一种很常见的传感器。

光纤由导光的芯体玻璃（称为纤芯）和包层玻璃膜组成。 包层的外面用塑料或橡胶制成外护套保护着纤芯和包层，使光纤具有一定的机械强度。纤芯由比头发丝还细的玻璃、石英和塑料等透明度良好的电介质构成，其折射率略大于包层的折射率，一般包层直径为几微米到几十微米。

光纤位移传感器检测电动机转速的原理如图2-39所示。图中1为固定支架，起到固定传感器的作用；2是电动机调速电源，可对电动机进行转速调整；3为电动机；4是传感器光纤，它是反射光强调制型光纤；5为光纤的光源；6是光纤传感器的光电转换装置模块，它将反射光转换成电压信号；输出的电压信号经差动放大和低通滤波器滤波后由示波器和频率计显示出来，根据输出信号的频率可得电动机的转速。

2.4.5 激光速度传感器

激光传感器虽然具有各种类型，但它们都是将外来的能量（电能、热能、光能等）转化为一定波长的光，并以光的形式发射出来。激光传感器是由激光发生器、激光接收器及其相应的电路所组成的。车速测量仪采用小型半导体砷化镓（GaAs）激光器，其发散角的范围为15°～20°，发光波长为0.9μm。其光路系统如图2-40所示，图中1是激光源；2为发射透镜；3为接收透镜；4为光敏元件。砷化镓激光器及光敏元件分别置于透镜的焦点上，砷化镓激光经发射透镜2成平行光射出，再经接收透镜3会聚于光敏元件。根据阻隔1m激光距离所耗费的时间，就可以算出速度的值。

2.5 温度传感器

2.5.1 温度测量概述

温度是很多工业产品生产过程中最为关键的工艺参数之一，如化工产品、轻工产品、农产品、冶金产品等。温度检测主要是为了保证产品生产过程中各个工艺环节的正常温度，进而确保产品品质并实现生产过程的自动化控制。在航天、航空、电力、水利、石油化工、机械、军工、医疗、纺织、汽车、煤炭、地震监测等需要进行自动控制的行业中，几乎都有检测和控制温度的需要。用于温度检测的传感器有许多，传统的有电阻式、热电式、集成式等，现代的有红外式、半导体式等；根据输出信号的类型可分为模拟式和数字式两大类。

2.5.2 热电阻与热敏电阻

热电阻和热敏电阻是目前使用最广泛的温度检测与控制用传感器，也是比较传统的温度传感器。随着生产过程自动化程度的不断提高，绝大多数工业产品在生产过程中都需要对环境温度或工艺温度进行精确控制，需要用到温度传感器。热电阻主要用于产品生产现场的温度检测，热敏电阻则主要用于生产设备关键部件及电子电路中关键器件的温度控制。

1.热电阻

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测传感器。 它的主要特点是测量精度高，性能稳定。 其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的温度基准仪。铂电阻的电阻值与温度之间的关系可用下式表示

式中， R _t 为温度为 t 时的电阻值； R ₀ 为温度为0℃时的电阻值； A 为常数， A ＝3.96847×10 ^-3 ； B 为常数， B ＝5.847×10 ^-7 ； C 为常数， C ＝-4.22×10 ^-12 。

2.热敏电阻

热敏电阻是一种利用半导体制成的敏感元件， 其特点是电阻率随温度而显著变化。 热敏电阻因其电阻温度系数大、灵敏度高、热惯性小、反应速度快、体积小、结构简单、使用方便、寿命长、易于实现远距离测量等特点得到广泛的应用。

热敏电阻的阻值与温度之间的关系可以表示为

式中， R _T 为温度 T 时的电阻值； R ₀ 为温度为 T ₀ 时的电阻值； B 为常数，由材料、工艺及结构决定。热敏电阻的热电特性曲线如图2-41所示。

根据电阻值的温度特性，热敏电阻有正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界热敏电阻几种类型。热敏电阻的结构可以分为柱状、片状、珠状和薄膜状等形式。

2.5.3 热电偶传感器

由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。

有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接（见图2-42），且两接点处的温度不同，一端温度为 T ，称为工作端或热端，另一端温度为 T ₀ ，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为热电效应，两种导体组成的回路称为热电偶，这两种导体称为热电极，产生的电动势则称为热电动势。

国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐七种标准型热电偶。我国生产的符合IEC标准的热电偶包括铂铑 ₃₀ —铂铑 ₆ 热电偶（即B型）、铂铑 ₁₀ —铂热电偶（即S型）、镍铬—镍铝热电偶（即K型）、镍铬—康铜热电偶（即E型）、铁—康铜热电偶（J型）、铜—康铜热电偶（T型）、铂铑 ₁₃ —铂（即R型）。图2-43所示为热电偶温度变送器实物。

2.5.4 红外辐射式温度传感器

对于不适合接触式测量的高温和超高温场合，需要用到非接触式测温方式，红外辐射是自然界所有物体都具有的普遍特性，红外辐射式温度传感器是已经得到广泛应用的一种非接触式测温方法。这里主要探讨红外辐射温度传感器的结构原理、测量电路及其应用情况。

红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长不同而已。下面是将各种电磁波按照波长（或频率）排成如图2-44所示的波谱图，称为电磁波谱。

红外线属于不可见光波的范畴，它的波长范围一般为0.76～600μm，而红外区通常又可分为 近红外、中红外、远红外 和 极远红外 。

能把红外辐射转换成电学量变化的装置，称为红外传感器，主要有热敏型和光电型两大类。热敏型是利用红外辐射的热效应制成的，其核心是热敏元件。热敏元件的响应时间长，一般在毫秒数量级以上。光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电元件。因此它的响应时间一般比热敏型短得多，最短的可达到微秒数量级。

在锻造厂里，工件在锻造之前需要在加热炉内加热到900℃，其误差不得超过±5℃，否则会影响锻件的质量，所以控制锻件的温度是个关键问题，采用红外辐射测温计，通过加热炉口可以直接对准工件的表面，从而测量出工件的温度，如图2-45所示。当锻件加热到900℃时，红外探测器便输出电信号，起动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压加工。这样利用红外探测器就可对整个工作过程实现自动控制。