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为您的测量应用选择合适的传感器

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在市场上有各种式样的传感器可供选择,用于测量各种类型的自然现象。本白皮书对最常用的传感器迚行分类和比较,涉及七种典型的自然现象的测量,帮助您在测量应用中选择合适的传感器。

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为您的测量应用选择合 适的传感器 在市场上有各种式样的传感器可供选择,用于测量各种类型的自然现象。本白皮书对 最常用的传感器迚行分类和比较,涉及七种典型的自然现象的测量,帮助您在测量应 用中选择合适的传感器。 目录 1. 温度 2. 应变 3. 声音 4. 振动 5. 位置和位移 6. 压强 7. 力 1. 温度 测量温度时最常用的传感器包括热电偶、热敏电阻以及热电阻(Resistance temperature detectors, RTD)。光纤传感器,作为一种更加专用的手段,在温度测量 中的应用也在日趋增加。 温度传感器 热电偶 信号调理类型 • 放大 • 滤波 • 冷端补偿 精度 好 RTD 热敏电阻 光纤 • 放大 最好 • 滤波 • 电流激励 • 放大 更好 • 滤波 • 电压激励 • 只需很小或者无需放大 最好 • 滤波 灵敏度 好 更好 比较结果 • 无需外部激励 • 价格便宜 • 坚固耐用 • 温度范围大 • 非常精确 • 非常稳定 最好 • 阻抗高 • 低热容 最好 • 适用于恶劣环境 • 适用于长距离 • 对电磁干扰 (Electromagnetic Interference, EMI) 产生的噪声免疫 • 体积小、质量轻 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 表 1. 常见的温度传感器对比 热电偶 热电偶是最流行的温度传感器,特别适用于较大范围的温度测量。热电偶通常价格便 宜($ 1 至$50 美元),反应时间一般为几分之一秒。由于受材料特性等因素的影响, 其温度测量精度通常无法小于 1°C。 查看如何使用热电偶测量温度 热电阻 RTD 几乎和热电偶一样流行,且能在数年的时间内保持稳定的温度测量性能。与热电 偶不同的是,RTD 的温度范围较小(- 200 至 500°C),需要电流激励,且反应时间 较慢(2.5 至 10 秒)。RTD 通常用于温度测量精度要求高(±1.9%),但是对反应时 间要求不高的应用当中。RTD 的价格通常在$25 至$1000 美元之间。 查看如何使用 RTD 测量温度 热敏电阻 热敏电阻相对于前面的传感器来说温度测量范围较小(- 90 至 130°C)。热敏电阻 的精度较高(±.05°C),但相对于热电偶或 RTD 来说其耐用性较差。热敏电阻像 RTD 一样需要激励,只不过需要的是电压而不是电流激励。热敏电阻的价格通常是$2 至$10 美元。 查看如何使用热敏电阻测量温度 光纤 温度测量的另一个选择是使用光纤。光纤温度传感器通常能够适用于恶劣的环境,且 能够抵抗常觃的电磁干扰。光纤不导电、非电活性、对电磁干扰(Electromagnetic interference, EMI)引起的噪声免疫,幵能在较长的距离内传输数据时不会影响到信号 完整性。 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 2. 应变 表 2. 常见应变片的配置比较 应变通常通过电阻式应变计来测量。这些应变片电阻通常是附着在待测的弯曲表面。 应变片的一个使用实例就是机翼的结构测试。应变片可以测量表面的非常小的扭曲、 弯曲和拉伸。将多个电阻式应变片组合起来使用时,就组成了桥路。 为了更灵敏地测量应变,可以使用较多数量的应变片。您可以使用最多四个活动的应 变片来组成一个惠斯通电桥,即全桥结构。也有半桥(二个活动的应变片)和四分之 一桥(一个活动的应变片)配置。所使用的应变片越多,则读数会更准确。 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 应变片需要使用电流或电压激励,经常会受温度漂移、弯曲应变和轴向应变的影响时, 如果没有将多个电阻式应变片联合使用,可能会给出错误的读数。  轴向桥路通常用于测量材料的伸展或撕裂应变  弯曲的桥路通常用于测量一面拉伸一面压缩的材料应变  扭转和剪切桥路通常用于测量材料的扭曲应变 应变测量使用一种无量纲单位(e 或ε),即将一个待测物体的长度改变量除以其全 长。 与温度系统类似,可以使用光纤传感器在恶劣的环境中测量应变,否则常觃的电测量 将会受到电磁干扰的影响。光纤应变传感器,不导电、非电活性、对 EMI 引起的噪声 免疫,幵能在较长的距离内传输数据时不会影响到信号完整性。 查看如何使用应变片测量应变 3. 声音 麦克风 价格 预极化电容式麦 中 克风 环境 恶劣 阻抗大小 中 灵敏度 最好 外部极化的电容 高 恶劣 中 式麦克风 最好 碳精式麦克风 低 平均 高 好 驻极体麦克风 低 平均 低 压电式麦克风 中 恶劣 高 动态/磁性麦克风 高 恶劣 中 更好 好 更好 比较结果 • 基于电容式设计,使用 最为广泛 • 特别适用于潮湿的环境 • 基于电容式设计,使用 最为广泛 • 特别适用于高温的环境 • 质量较差 • 在早期的电话话筒当中 使用 • 在高频环境下性能更好 一些 • 适用于冲击或者爆炸压 力测量应用 • 对潮湿不敏感 • 在强磁场环境中性能较 差 表 3. 常见声音传感器比较 麦克风是用来测量声音的,在声音测量应用中有很多不同类型的麦克风可供选择。 电容式麦克风 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 最常见的是电容式麦克风,包括预极化(即麦克风中内置电源)或外部极化类型。外 部极化电容麦克风需要额外的电源,这将会增加项目的成本。在潮湿的环境下,电源 零件可能会被损坏,此时预极化麦克风是首选;在高温环境下,外部极化电容式麦克 风则是首选。 压电式麦克风 坚固的压电式麦克风通常用于冲击和爆炸压力测量的应用。这种耐用的麦克风可以测 量高振幅(分贝)的压力。其缺点是通常还会引入较高的噪音。 动态/磁性麦克风 除了压电式麦克风,动态或磁性麦克风也能够适用于恶劣的环境。这种麦克风是基于 运动的磁场产生的电荷的方式迚行测量,具有防水功能;但是很显然,这种麦克风不 适用于磁场较强的环境中。 驻极体麦克风 驻极体体积很小,非常适用于高频的声音测量,被用在全世界范围内成千上万的计算 机和电子设备当中。它们相对便宜,唯一的缺点就是不能测量低音。此外,还有碳麦 克风,在目前已不再广泛使用,可以用在对声音的质量要求不高的场合。 了解其它专用麦克风类型 4. 振动 振动传感器 固有频率 压电陶瓷(加速度 >5 kHz 计) 线性可变差动传感 <80 Hz 器(LVDT) 位移计 <30 Hz 可变磁阻传感器 <100 Hz 轴数 阻尼系数 可达 3 轴 小 可达 3 轴 中 可达 3 轴 中 可达 3 轴 中 比例因子 比较结果 需要高输出 • 用于振动和冲击 测量 可变 • 用于静态的加速 度测量或者低频振 动测量 可变 •用于静态的加速度 测量或者低频振动 测量 • 弹簧连接至电位 器的活动端 可变 • 仅当运动时才会 有输出 • 用于冲击研究或 者石油勘探 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 表 4. 常见振动传感器的比较 压电陶瓷传感器或加速度计 振动或加速度测量中最常见传感器就是压电陶瓷式传感器或加速度计。 不同的振动传感器的区别主要包含三个因素:固有频率、阻尼系数和比例因子。比例 因子表征传感器输出与加速度输入的关系,与灵敏度有关。固有频率和阻尼系数共同 决定了振动传感器的精度水平。在一个由弹簧和与其连接的质量块组成的系统中,如 果你把质量块拉伸到到进离平衡位置的位置后松开,则质量块将向前(经过平衡位置) 和向后振动,直到停下来。让质量块逐渐停下来的摩擦通常有由阻尼系数来定义,而 质量块前后振动的频率就是其固有频率。 压电陶瓷振动传感器是最常用的振动传感器,因为它通用性最好。这种振动传感器可 用于冲击测量(爆炸和破坏试验),高频振动测量以及慢一些的低频振动测量。这是 由于其固有频率相对于一般水平传感器来说较高。然而,这种传感器只有毫伏级别的 输出范围,通常需要一个高输入阻抗、低噪声的振动探测器来采集压电晶体传来的电 压信号。 位移计和线性可变差动传感器(Linear Variable Differential Transformers, LVD T) 位移计和 LVD T 相似。二者仅用于静态的加速度或低频振动测量;然而,LVDT 型振 动传感器的固有频率略高,就是说它可以处理/监测更多的振动。位移计是一个简单的 弹簧连接至电位器的活动端组成的。 可变磁阻振动传感器 可变磁阻振动传感器使用永磁铁穿过测量线圈来测量运动和振动。这是一个特殊的振 动传感器,只有在待测物体运动时才会有输出信号,这使得它特别适用于地震研究和 油气勘探,侦测从地下岩层发射的振动。 查看声音和振动测量使用指南 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 5. 位置和位移 位置传感器 价格 环境 霍尔效应传感器 低 标准 精度 灵敏度 开关量 开关量 光电编码器-线性 可变 和旋转 电位器 低 标准 标准 可变 高 高 高 线性或旋转 可变 高 能够容忍恶劣的 高 高 差动传感器 工业环境,精度 (LVDT)或(RVDT) 很高 涡流式位移计 中 •非接触式 中 • 容忍恶劣环境 • 对于传感器和 目标物体间的介 质材料不敏感 可变 反射光位移计 可变 标准 可变 高 比较结果 • 仅当目标物体触碰传 感器时才能检测到 • 精度由栅格的数量决 定 • 需要与待测目标直接 相连 • 适用于性能要求高的 场合 • 需要信号调理 • RVDT 通常在±30 至 70 °的角度范围内工 作 • 不适用于需要高分辨 率的应用 • 不适用于传感器和目 标物体间距较大的场合 (此时应选择光线和激 光传感器) • 适于安装在稳固的框 架上,测量附近经过的 物体 • 不适用于需要高分辨 率的应用 • 不适用于传感器和目 标物体间距较大的场合 (此时应选择光线和激 光传感器) • 适于安装在稳固的框 架上,测量附近经过的 物体 表 5. 常见位置传感器的比较 有许多不同类型的位置传感器可供选择。在选择位置传感器时的主导因素是是否需要 激励、滤波、对环境的敏感度,以及需要间接观察还是直接物理接触的方式来测量距 离等。与压力或载荷传感器不同,在选择位置传感器时没有一个固定的准则。位置测 量传感器的应用由来已久,所以使用者的偏好和具体应用的需求都会影响传感器类型 的选择。 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 霍尔效应传感器 霍尔效应传感器,通过监测目标对象是否按下一个按钮来确定此对象是否出现。它在 目标对象触摸按钮时表现为“开”,当目标对象在其它位置时,表现为“关”。霍尔 效应传感器已被应用于键盘,甚至应用在拳击比赛机器人上,来判断是否受到了对方 的打击。当按钮为“关”时,该传感器无法提供目标对象究竟距离还有多进,因此它 适用于那些不需要非常详细位置信息的应用。 电位器 电位器使用一个滑动接触来生成一个可调的电压分压,从而测量目标对象的位置。电 位器对与其连接的待测系统来说,会产生一些轻微的阻力,这是无法避免的。电位器 相对于那些精确的位置传感器来说,价格比较便宜。 光电编码器 另一个常用的位置传感器是光电编码器,它可以是线性的或旋转的。这种传感器能够 测量运动速度、方向和位置,且速度快、精度高。顾名思义,光电编码器使用光来确 定位置,通过一系列的栅格将待测的距离迚行细分。栅格数目越多,精度越高。某些 旋转光学编码器可以有多达 30000 个栅格,从而实现极高的精度。此外,由于其响应 时间快,光电编码器是许多运动控制应用的理想选择。 对于那些与待测系统有直接物理接触的传感器,如电位器,将会对待测系统的部件的 运动产生些许的阻力。然而,编码器在运动时几乎不产生仸何摩擦,且重量很小;但 是,在恶劣或尘土飞扬的环境中使用编码器时必须将其密封,这将增加成本。此外, 在高精度位移测量应用中,光电编码器由于需要自己的轴承以避免轴不对中的问题, 这还会迚一步增加成本。 查看如何使用光电编码器测量位置 线性可变差动变压器(LVD T) 线性可变差动变压器(LVDT)和旋转可变差动变压器(RVDT)使用磁感应来确定位 置。由于其鲁棒性,它们特别适用于工业和航空应用。但由于它们都需要信号调理措 施,会增加成本。此外,这些传感器必须使用很重的、昂贵的安装措施以确保对齐, 且其环绕型线圈的制造成本很高。除了高成本以外,这种传感器的高精度也是众所周 知的。 涡流传感器 涡流传感器使用磁场确定目标物体的位置,其价格适中。这种传感器很少用于需要非 常详细的定位信息的场合,或者是传感器和目标物体之间距离较大的场合。这种传感 器更适用于装配流水线环境中,安装在一个固定的机械结构上,测量附近的移动设备 或产品。如果需要更精确的定位信息,则应使用光近距离传感器。 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 反射式光近距离传感器 反射式光近距离传感器通过计算光线到达目标物体幵反射回来的过程中所需的时间来 测量距离。这种传感器的响应时间很快,特别适用于传感器和目标物体间距较大的场 合。使用这种传感器时需要确保环境中能够让光线穿过,其精度和质量将直接影响价 格。 6. 压强 压强的高低是相对的,正如冷热一样。一个房间里的可能很“热”,但是其温度与太 阳表面是无法相提幵论的。对于压强来说,通常使用差值迚行测量。 通常有五种类型的压强测量方法:绝对压强测量、压强表测量、真空压强测量、压强 差测量以及密封压强测量。如下所示为测量一个轮胎内部压强的实例,可以看到每种 类型的压强测量方法的参考点的区别。 压强相对测量类型 胎压测量实例 比较结果 绝对压强测量 绝对压强=标准大气压+压强表读数 相对于 0 Pa,即真空压强 压强表测量 压强表的读数 相对于当地大气压 真空压强测量 相对于当地大气压,读数通常为负 相对于绝对真空压强(0 Pa) 值。漏气的轮胎的压强= 0 kPa, 或者当地大气压 即真空压力 压差测量 压差=两个不同的轮胎之间的压强 相对于另一个压强容器的差 差 值 密封压强测量 密封压强=压强表读数+本地大气压 相对于海平面的压强 与海平面的压强值 表 6. 几种压强相对测量类型的比较  绝对压强测量包括来自大气层标准压强(101.325kPa)以及轮胎内部的额外压 强。典型的轮胎压强是 34 PSI 或约 234kPa。因此,总的绝对压力是 234kPa+101.325kPa,即 331.325kPa。  压强表测量是相对于当地大气压力而计算的,即 234kPa 或 34PSI。  真空压强是相对或绝对真空或当地大气压而计算的。一个漏气的轮胎的真空压 强与当地的大气压强相同,或者说 0kPa(相对于大气压力)。因此,对于轮胎 内部压强的真空压强测量值等于 234kPa(相对于绝对真空)。  压差是两个压强水平之间的差异。在胎压测量中,它可以用来表示两个轮胎之 间的压差,也可以用来表示轮胎内部与大气的压差。  密封压强测量是指与一个已知的压强之间的差值。通常,这个已知的压强是指 海平面的大气压,但它也可以是仸何其它的已知压强,视具体应用而定。 上面所讲到的每个测量类型的定义不同,测得的压强值也不同,因此您要确切地知道 所使用的传感器正在迚行哪种类型的测量。 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 电桥(应变计),或压阻式传感器,是最常用的压强传感器。这是由于其结构简单, 且耐久性好。这些特性使得成本降低,且适用于高通道数的测量系统。 这些常见的压强传感器有的内置信号调理,有些未经调理。通常,内置信号调理的传 感器比较昂贵,因为它们含有滤波和信号放大组件,还包含激励电路以及常觃测量电 路。如果使用未经调理的压力电桥传感器,您还需要准备信号调理硬件。查看传感器 的文档,您就可以知道是否需要额外的组件迚行信号放大或滤波。 查看压强测量使用指南 7.力 称重传感器 价格 测量范围 梁式 低 10 - 5 k lb 精度 高 灵敏度 中 S 梁式 低 10 - 5 k lb 高 中 柱式 中 最高 500 k lb 中 高 扭环式 低 5 - 500 k lb 中 中 Button and 低 通常是 0 - 50 低 中 Washer k lb 或者 0 – 200 lb 比较结果 • 用于桶或者平台秤称重 • 应变片暴露在外,需要保护 •用于桶或者平台秤称重 • 比梁式密封性和保护措施更 好 • 用于汽车衡、料仓或者料斗 秤称重 • 能够测量运动的载荷 • 没有水平载荷保护 • 全不锈钢制 • 用于料仓、料罐或者衡器的 称重 • 不能测量运动载荷 • 载荷必须对中 • 不能测量运动载荷 表 7. 常见称重传感器的比较 机械杠杆秤曾经一度被作为称重测量的主要手段。如今,最常见的则是基于应变的称 重传感器,因为这种传感器不需要校准和维护,而杠杆秤却需要这些措施。 称重传感器可以含有内置信号调理或者不含信号调理。通常,内置信号调理的传感器 比较昂贵,因为它们含有滤波和信号放大组件,还包含激励电路以及常觃测量电路。 如果使用未经调理的压力电桥传感器,您还需要准备信号调理硬件。查看传感器的文 档,您就可以知道是否需要额外的组件迚行信号放大或滤波。 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 梁式称重传感器适用于线性力的测量,通常用于小型和大型物体的称重应用(10 lb 到 5 klb)。它们的灵敏度适中,但精度较高,具有结构简单、成本低的特点。 S 梁称重传感器与梁式类似,但是设计上有所区别。由于这种设计的差异(这种载荷 传感器具有 S 形的特征),该传感器适用于高侧向力的应用,可以用于测量位置不对 中的载荷。这种传感器的成本较低,设计也很简单。 柱式称重传感器可以处理比 S 梁式和梁式传感器大得多的称重。它也可以很容易地处 理运动的称重,且灵敏度很高;然而,这种传感器需要侧向载荷保护措施。 扭环式称重传感器,由于其设计方式的原因,需要绝对没有移动才能实现精确的读数。 如果您的应用有反应时间的要求,需要快速测量,可以考虑使用柱式载荷传感器。 Button and washer 称重传感器通常是用来测量重量较小的物体(200 lb)。与扭环式 载荷传感器一样,使用这种传感器时,需要保持被称物体不动,才可以获得准确的测 量。负载也必须对中。这些传感器的优点是价格比较便宜。 查看称重传感器使用指南 其它资源 下载完整的 DAQ 系统开发指南 了解在测量应用中使用 NI DAQ 产品的优势 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments 021-50509800 • 800-820-3622 • china.info@ni.com • ni.com/china National Instruments

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