机电一体化系统设计第三章传感检测及其接口电路.ppt

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1、第三章第三章 传感检测及其接口电路传感检测及其接口电路第一节第一节 传感器传感器一、传感器定义及分类一、传感器定义及分类1、定义：、定义：传感器是将力、温度、位移、速度等量传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的元件。转换成电信号的元件。2、分类：、分类：按输出信号分：按输出信号分：二、机电一体化对检测系统的基本要求二、机电一体化对检测系统的基本要求精度、灵敏度、分辨率高；精度、灵敏度、分辨率高；线性、稳定性和重复性好；线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；抗干扰能力强；静、动态特性好。静、动态特性好。此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、

2、便于安装与维修，耐环境性能好等。修，耐环境性能好等。三、传感器特性：三、传感器特性：静态特性：静态特性：1、线性度线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差之间的偏差 2、灵敏度灵敏度：输出变化对输入变化的比值：输出变化对输入变化的比值 3、迟滞性迟滞性：在正反行程期间输入：在正反行程期间输入输出特性曲线不输出特性曲线不重合程度重合程度 4、重复性重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度曲线的不重合程度动态特性：动态特性：传递函数、时间响应函数、频率响应函数、传递函数、时间响应函数、频率响应函数、脉冲响应函

3、数。脉冲响应函数。四、传感器选用原则四、传感器选用原则 快速、准确、可靠、经济快速、准确、可靠、经济的获取信号的获取信号1）足够的量程）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高3）精度适当、稳定性高）精度适当、稳定性高4）反应速度快、工作可靠）反应速度快、工作可靠5）适用性和适应性强）适用性和适应性强6）使用经济）使用经济第二节第二节 位移测量传感器位移测量传感器一、电容传感器一、电容传感器1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器：当动极板因被测量变化而向上移动使当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电减小时，电容量增大容量增大。注意：注意：传感

4、器输出特性是非线性的，规定在较小间传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。隙变化范围内工作。/0 00.10.1 2.变面积型电容传感器变面积型电容传感器 原理：原理：它与变极距型不同的是，被测量它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积盖面积A改变，从而得到电容的变化。改变，从而得到电容的变化。这种传感器的输出特性呈这种传感器的输出特性呈线性线性。因而其量程不受线性范围的限制，适因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大直线位移和角位移。合于测量较大直线位移和角位移。3变介质型电容传感器变介质型电容传感器原原理理结结构

5、构如如图图。图图中中两两平平行行极极板板固固定定不不动动，极极距距不不变变，相相对对介介电电常常数数不不同同的的电电介介质质以以不不同同深深度度插插入入电电容容器器中中，从而改变电容。从而改变电容。应应用用：这这种种电电容容传传感感器器有有较较多多的的结结构构形形式式，可可以以用用来来测测量量纸纸张张、绝绝缘缘薄薄膜膜等等的的厚厚度度，也也可可以以用用来来测测量量粮粮食食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。二、电感式传感器二、电感式传感器将被测量转换为电感量变化的装置。将被测量转换为电感量变化的装置。变换原理：变换原理：电磁感应原理。电磁感应原

6、理。按变换方式的不同分为按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式与自感型（可变磁阻式与涡流式涡流式)与互感型与互感型(差动变压器）差动变压器）。1、自感型、自感型（一）可变磁阻式（一）可变磁阻式 1线圈 2铁心 3衔铁 由此可见：只要由此可见：只要改变空气隙厚度或改变气隙截改变空气隙厚度或改变气隙截面积面积，即可改变线圈的电感量。，即可改变线圈的电感量。注意：改变空气隙厚度注意：改变空气隙厚度传感器输出特性是非线传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。性的，规定在较小间隙变化范围内工作。（二）涡流式（二）涡流式原理：金属板在交变磁场原理：金属板在交变磁场中的涡电流效应。中的涡电流

7、效应。金属板置于一线圈附近，金属板置于一线圈附近，相互间距为相互间距为。当线圈中。当线圈中有高频交流电流通过时，有高频交流电流通过时，便产生磁通便产生磁通。此交变。此交变磁磁通通过相邻近的金属板，通通过相邻近的金属板，金属板上便产生感应电流，金属板上便产生感应电流，这种电流在金属体内是闭这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。合的，称为涡流。影响因素：影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的线圈与金属板间距离；金属板的电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。变化线圈与金属板间距离，可作为位移、变化线圈与金属板间距离，可作为位移、振动测量。变化金属板的电阻率、磁导率，振动

8、测量。变化金属板的电阻率、磁导率，可作为材质鉴别或探伤等。可作为材质鉴别或探伤等。应用：应用：可用于动态非接触测量。用作涡流式可用于动态非接触测量。用作涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等。仪等。特点：特点：结构简单，使用方便，不受油污等介结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。质的影响。2、互感型：、互感型：差动变压器式差动变压器式 原理：原理：将被测位移转换成线圈互感变化。将被测位移转换成线圈互感变化。注意注意：1、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比。只反映铁心、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比。只反映铁心位移大小，不反映移动极性。位移大小

9、不反映移动极性。2、零点残余电压。原因：两次级线圈结构不对称；初、零点残余电压。原因：两次级线圈结构不对称；初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。铁心处在中间位置时，输出不为零。铁心处在中间位置时，输出不为零。解决办法：解决办法：后接电路。后接电路。应用：应用：位移测量仪。位移测量仪。三、光栅 光栅是一种新型的位移检测元件，它的特光栅是一种新型的位移检测元件，它的特点是测量精确度高点是测量精确度高、响应速度快和量程范围响应速度快和量程范围大等。大等。1、光栅的构造：、光栅的构造：2、工作原理：、工作原理：把指示光栅平行地

10、放在标尺光栅上面，并且使它们把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜的刻线相互倾斜 一一 个很小的角度，这时在指示光栅上个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条绞。它们是沿就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条绞。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列。着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列。3、光栅的莫尔条纹有如下特点：、光栅的莫尔条纹有如下特点：（1）起放大作用。）起放大作用。（2）莫尔条纹的移动与栅距成正比。）莫尔条纹的移动与栅距成正比。主光栅和被测物体相连，他随被测物体的主光栅和被测物体相连，他随被测物体的直线位移而产生位移。当主光栅产生位移时，直

11、线位移而产生位移。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生上、下位移，若用光电莫尔条纹便随着产生上、下位移，若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的位移，也就测得了被测物体知主光栅移动的位移，也就测得了被测物体的位移量。的位移量。n1.感应同步器结构感应同步器结构四、感应同步器四、感应同步器 sinsin coscos 节距节距节距节距22（2mm2mm）节距节距节距节距（0.5mm0.5mm）滑尺滑尺滑尺滑尺定尺定尺定尺定尺 测量方法测量方法 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不

12、同，感应同步器的测量方式出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有有鉴相式鉴相式和和鉴幅式鉴幅式两种工作法。两种工作法。二、感应同步器二、感应同步器(1)鉴相式鉴相式 根据感应电动势的相位来检测位移量，根据感应电动势的相位来检测位移量，在滑尺的正弦绕组上分别输入频率、振在滑尺的正弦绕组上分别输入频率、振幅相同但相位差幅相同但相位差90。的励磁电压。的励磁电压。UA=UMsintUB=UMcosteA=KUAcoseB=KUBsine=eA+eB=KUAcos KUBsin=KUMsint cos K UMcost sin=KUMsin(t)：滑尺、定尺相对位移的折算角=(L/W)360L=(

13、/360)W W绕组的节距。2鉴幅式 根据感应电动势的振幅变化来鉴别位移量。根据感应电动势的振幅变化来鉴别位移量。在滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别输入相同在滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别输入相同频率和相位，振幅不同的交流电压，即频率和相位，振幅不同的交流电压，即UA=UMsin1sintUB=UMcos1sinteA=KUAcoseB=KUBsine=eA+eB=KUAcos KUBsin=KUMsint sin1 cos K UMsint cos1sin=KUMsintsin(1 )位移与感应电动势幅值KUMsin(1 )联系起来第三节第三节 速度、加速度传感器速度、加速度传感器一、直流测速

14、机一、直流测速机:直流测速机是一种测速元件，实际上它就是直流测速机是一种测速元件，实际上它就是台台微型的直流发电机。直流测速机的持点是输出斜率大、微型的直流发电机。直流测速机的持点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。杂，摩擦转矩较大。测速机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为测速机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为永磁式测速机原理电路图。永磁式测速机原理电路图。n 恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势

15、经换向器和电刷转换成与转子速度成正比经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。的直流电势。n 直流测速机在机电控制系统中，主要用作直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，测速和校正元件。在使用中，为提高检测为提高检测灵敏度、尽量把它连接到电机轴上灵敏度、尽量把它连接到电机轴上，有的，有的电机本身就已安装了测速机。电机本身就已安装了测速机。二、光电式转速传感器二、光电式转速传感器 光电式转速传感器是由装在被光电式转速传感器是由装在被测轴测轴(或与被测轴相连接的输入或与被测轴相连接的输入轴轴)上的带缝隙圆盘、光源、光上的带缝隙圆盘、光源、光电器件及指示缝隙盘组成，如图

16、电器件及指示缝隙盘组成，如图3-25所示。光源发出的光通过缝所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。件上。n当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与指因此圆盘每转一周，光电器件输出与指示缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间示缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数内的脉冲数N，可测出转速为，可测出转速为 n=60N/ZtnZ一一圆盘一一圆盘 上的缝隙数；上的缝隙数；nn转速转速(rmin)；nt测量时间测量时间(s)。第四

17、节第四节 位置传感器位置传感器 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置。是否已到某一位置。因此、它只需要产生能反映因此、它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。某种状态的开关量就可以了。位置传感器分位置传感器分接触式和接近式接触式和接近式两种。两种。所谓接触所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信息式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某一范围内

18、是否有某物体的一种传感器。物体的一种传感器。一、接触式位置传感器一、接触式位置传感器 这类传感器用微动开关之类的触点器这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成。件便可构成。二、接近式位置传感器二、接近式位置传感器 接近式位置传感器按其上作原理主要接近式位置传感器按其上作原理主要分：分：电磁式；电磁式；光电式；光电式；静电容式；静电容式；气压式；气压式；超声波式超声波式。其基本工作原。其基本工作原理可用图理可用图338表示出来。表示出来。接近传感器的应用接近传感器的应用 接近传感器在工业自动化控制、航天、航海技术、接近传感器在工业自动化控制、航天、航海技术、日常生活中都有广泛的应用。日常生活中

19、都有广泛的应用。在安全防盗方面，如资料、财会、仓库、博物馆、在安全防盗方面，如资料、财会、仓库、博物馆、金库等重要场合也都装有各式各样的接近传感器。金库等重要场合也都装有各式各样的接近传感器。在一般工业生产自动控制中大都采用涡流式或电容在一般工业生产自动控制中大都采用涡流式或电容式接近传感器。在环境比较好的场合，可采用光电式式接近传感器。在环境比较好的场合，可采用光电式接近传感器。接近传感器。而在防盗系统中，大都使用红外热释电接近传感器、而在防盗系统中，大都使用红外热释电接近传感器、超声波接近传感器和微波接近传感器。超声波接近传感器和微波接近传感器。有时为了提高识别的可靠性，几种接近传感器可以

20、复有时为了提高识别的可靠性，几种接近传感器可以复合使用。合使用。图325是生产线工件计数装置的示意图。接近传感器设置在工件传送带的一侧，当传送带运行时，一个个工件经过接近传感器，当工件靠近接近传感器时，传感器输出脉冲开关信号，该信号可直接送往计数器进行计数。第五节第五节 传感器前期信号处理传感器前期信号处理一、测量放大器一、测量放大器 在许多检测技术应用场合，传感器输出在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等电和电磁耦合等共模干扰共模干扰，对这种信号的放对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以大就需

21、要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。表放大器。V1V2VV测量放大器放大倍数二、程控增益放大器二、程控增益放大器 经过处理的模拟信号，在送入计算机进行经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，即进行模拟一数字变处理前，必须进行量化，即进行模拟一数字变换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处理。理。当模拟信号送到模数变换器时为减少转当模拟信号送到模数变换器时为减少转换误差一般希望送来的

22、模拟信号尽可能大，换误差一般希望送来的模拟信号尽可能大，如采用如采用A AD D变换器进行模数转换时，在变换器进行模数转换时，在A AD D输输入的允许范围内，希望输入的模拟信号尽可能入的允许范围内，希望输入的模拟信号尽可能达到最大值；达到最大值；然而，当被测参量变化范围较大时，经传然而，当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟小信号变化也较大，在这种感器转换后的模拟小信号变化也较大，在这种情况下、如果单纯只使用一个放大倍数的放大情况下、如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，就无法满足上述要求；在进行小信号转换器，就无法满足上述要求；在进行小信号转换时，可能会引入较大的误差。为解决这个问题

23、时，可能会引入较大的误差。为解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法，来工程上常采用通过改变放大器增益的方法，来实现不同幅度信号的放大，如万用表、示波器实现不同幅度信号的放大，如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变换等。等许多测量仪器的量程变换等。选择不同的开关闭合，即可实现增益的变选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。换。如果利用软件对开关闭合进行选择，即可如果利用软件对开关闭合进行选择，即可实现程控增益变换。实现程控增益变换。图为利用图为利用AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器，通过改变其外接电阻增益放大器，通过改变其外接电

24、阻RG的办法来实现增益的办法来实现增益控制。控制。三、隔离放大器三、隔离放大器 在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。第六节第六节 传感器接口技术传感器接口技术 采样保持电路采样保持电路在在A/D转换之前，是为转换之前，是为A/D进进行转换期间，保持输入信号不变而设置的。对于行转换期间，保持输入信号不变而设置的。对于模拟输入信号变化率较大的信号

25、通道，一般都需模拟输入信号变化率较大的信号通道，一般都需要。对于直流或者低频信号通道则可不用。采样要。对于直流或者低频信号通道则可不用。采样保持电路对系统精度起着决定性的影响。要求采保持电路对系统精度起着决定性的影响。要求采样时，存储电容尽快充电，以跟随参量变化。保样时，存储电容尽快充电，以跟随参量变化。保持时，存储电容漏电必须接近于零，以便使输出持时，存储电容漏电必须接近于零，以便使输出值保持不变。值保持不变。一、采样/保持器原理二、集成采样二、集成采样/保持器保持器一般目的：一般目的：AD582AD583 LF198LF398高速场合：高速场合：HTS-0025HTS-0010 HTC-0300高分辨率：高分辨率：SHA1144