機電系統(tǒng)綜合設計2PPT學習課件

1、第三章 機電系統(tǒng) 中的傳感技術 機電系統(tǒng)綜合設計 3.1 傳感器概述 傳感器 英文名稱：transducer/sensor 是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或 其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。 GB7665-87的定義：能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律(數學函數法則)轉換成可用信號的器件 或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。 傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。 3.1 傳感器概述 常見傳感器 在信號采集和控制系統(tǒng)中需要測量的典型變量有：位移、速度、加速度，力、轉矩、張力、壓強，溫

2、度，流量，濕度，等等。 完備的測量系統(tǒng)組成示意 感測頭、放大器、電源、顯示或處理單元 3.2 傳感器基礎 精度 在任何一個測量系統(tǒng)中，精度是一個主要的指標。 精度與重復性 （a）精確 （b）重復，但不精確 （c）不重復，不精確 3.2 傳感器基礎 傳感器的輸入與輸出 傳感器有動態(tài)響應帶寬，也有靜態(tài)輸入輸出特征。 傳感器的動態(tài)響應用它的頻率響應或是帶寬指標來表示。傳感器的帶寬決定了傳感器能所測物理信號 的最大頻率。 對于精確的動態(tài)信號測量，傳感器的帶寬最少比測量變量最大頻率高一個數量級。 3.2 傳感器基礎 傳感器的輸入與輸出 傳感器能被看做一個具有確定帶寬和靜態(tài)輸入輸出特征的濾波器。理想濾波器

3、的所測物理變量(輸入)和 輸出信號之間是線性關系，實際上并非如此。 3.2 傳感器基礎 傳感器的非理想特性 增益變化，偏移（偏置或零點漂移）變化，靈敏度，遲滯，死區(qū)（閾值），時間漂移 3.2 傳感器基礎 傳感器的校正 一般來說，傳感器需要調整來適應特定的應用。 如果傳感器顯示有時間漂移，那么它必須被定期校準。 傳感器校正涉及調整傳感器放大補償上述變量，目的是使得輸入（被測信號）和輸出（傳感器的輸出 信號）關系保持不變。 校正過程涉及到為補償增益、靈敏度、遲滯、死區(qū)和時間漂移變化而做出的調整。 3.2 傳感器基礎 典型的傳感器應用實例 應用電阻型傳感器和運算放大器進行信號測量和放大的電路。傳感器

4、原理是基于傳感器的電阻隨著測 量變量（如溫度，張力，壓強）變化而按一定的函數變化。 3.3 傳感器負載誤差 負載誤差 傳感器的負載誤差是由于引入傳感器和相關聯(lián)的信號處理系統(tǒng)而產生的誤差。 有兩種典型的負載誤差：機械負載誤差，電氣負載誤差。 3.3 傳感器負載誤差 機械負載誤差實例 考慮測量容器中液體的溫度。如果在容器中插入一個玻璃水銀溫度計，將有一定熱量在液體和溫度計之間傳遞。 當液體和溫度計之間的溫度相同時，測量達到平穩(wěn)狀態(tài)。事實是溫度計與液體之間的熱傳遞必然改變液體的溫 度。如果液體的體積相比于溫度計來說很小的話，那機械測量的誤差將會很大；如果液體的體積相較于溫度計 來說很大的話，誤差就可

5、以忽略不計。 嚴格的說，無偏差測量一個物理數量是不可能的，引入傳感器的這一行為改變了原始的物理環(huán)境。因此每一個 傳感器都存在一些機械負載誤差。關鍵是使誤差盡可能的小。 3.3 傳感器負載誤差 電氣負載誤差實例 假如測量裝置有內部電阻 ，不考慮測量 裝置，我們想要測得電壓的理想值是 m RmR m R * 1 12 oi R VV RR n一旦測量裝置在電路中的A點和B點之間連接， 它就改變了電路。A點和B點之間的等效電阻 是 * 1 1 1 m m R R R RR nA點和B點之間的電 壓是 * 1 * 12 oi R VV RR 3.3 傳感器負載誤差 A點和B點之間的電壓實際上是 m R

6、mR n當Rm 時，Vo=Vo* n若Rm接近R1， Vo/Vo*偏離1 n當Rm=R1時 11 112 /() /() mm o mm R RRR V R RRRR 1 12 2 oi R VV RR n多數測量系統(tǒng)中Rm和R1的關系 應該是： n從而有 3 1 10 m RR 1000 2001 oi VV 3.3 傳感器負載誤差 多數測量系統(tǒng)中Rm和R1的關系應該是： 從而有 m RmR n理想電壓為 n由于電氣負載帶來的相對誤差為 3 1 10 m RR 1000 2001 oi VV * 1000 2000 oi VV (1000 / 2001)(1 / 2) 1000.0499%

7、(1 / 2) v e 3.3 傳感器負載誤差 對于上述實例的情況，測量裝置的輸入阻抗如果達到了二端子裝置 （即被測電壓的裝置）等效電阻的1000倍，則電氣負載引起的測量 誤差是可以忽略的。 因此，為了減少測量電路的電氣負載誤差影響，測量裝置應該有很大 的輸入電阻（輸入阻抗）。輸入阻抗越大，在電壓測量中電氣負載誤 差越小。 m RmR 3.4 惠斯登電橋 惠斯登電橋用于把電阻的變化轉化為電壓的輸出。它是用在傳感器調 整裝置中的一個標準電路。 惠斯登電橋有一個電壓源Vi和四個安在電橋電路中的電阻R1R4。通 常某一個電阻分支就是傳感器電阻。 熱敏電阻 應變片 m RmR 3.4 惠斯登電橋 當電

8、橋平衡時，在B點和C點之間的電壓差是0,并且通過測量裝置 （如電流計，數字電壓表，或者ADC電路數據采集系統(tǒng)）的電流也 是0。 電橋平衡條件 相鄰橋臂阻值之比相等 惠斯登電橋有兩種使用方法 零點法 變位法 m RmR 31 24 RR RR 3.4 惠斯登電橋 零點法 R1表示傳感器，它的電阻是測量變量的函數。R2是一個可調校準電阻器（人 工或自動調節(jié)）。R3和R4是電路中已知電阻。一開始校準電路滿足電橋平衡 條件，B點和C點之間電壓為零。 假定傳感器電阻R1隨測量變量 改變，調節(jié)R2維持電橋平衡。 當電橋平衡時， R2能夠從調節(jié) 變阻器上讀出，根據比例可得R1 。 這種測量傳感器電阻方法不受

9、電源供應電壓變化的影響，但是它僅僅適用于 測量穩(wěn)定狀態(tài)或慢變改變的電阻，準確的說是測量變量的緩慢變化（即，溫 度，張力，壓力）。 m RmR 3.4 惠斯登電橋 變位法 為了測量時變和瞬態(tài)信號，應該使用變位法。 在本例中，電橋中有三個電阻固定， R2，R3和R4 。 R1是傳感器電阻。當 傳感器電阻改變時，測量非0輸出電壓VBC。 首先假設Rm ，盡管B點和C點之間可能存在一定電壓但沒有電流流過它: 根據 可以求得： m RmR 0 B C V0 m i 31 1234 () oi RR VV RRRR 1133o Vi Ri R 112 / () i iVRR 334 / () i iVRR

10、 3.4 惠斯登電橋 變位法 將R1等效為初值電阻和阻值變化量： 另電橋初始電阻完全相等： 進一步可得 限定R1阻值變化量 又可得 如果測量系統(tǒng)可以進行精確計算，可以不做近似處理 m RmR 10 RRR 12340 RRRRR 0 0 / / 42/ oi RR VV RR 0 /1RR 0 4 i o V VR R 3.4 惠斯登電橋 變位法 如果去除有關測量裝置電阻的假設，我們認為它不是無窮大，但是是非常大 的有限值。因此，將有有限的、很小的電流通過測量裝置，im0 ，可做如 下推算： 由于 另有： 根據 可得 m RmR 10 RRR 1122 3344 i Vi Ri R i Ri

11、R 1234 0, mmm iiiiiii可 得 1133 0 mm i Ri Ri R 2244 0 mm i Ri Ri R omm ViR 12340 RRRRR 0 o 0 (/) 4(1(/) i m RR VV RR 3.4 惠斯登電橋 變位法 根據前面得到的 如果仍然考慮 Rm 仍然可得 電壓測量裝置可能是模擬電壓表、數字電壓表或者模數轉換器的數據采集電 路。如果測量裝置輸入電阻相對于惠斯登電橋中電阻是非常的大，那么輸出 測量電壓將會非常接近理想情況。 m RmR 0 o 0 (/) 4(1(/) i m RR VV RR 0 4 i o V VR R 3.5 位移傳感器 有兩種

12、類型的位移測量方式： 絕對位移（兩點之間的距離） 傳感器能夠測量相對基準點的運動物體位置（運動物體到基準點的距離），我們稱它為絕對位移 傳感器。 校準電位計、絕對光學編碼器、線性差動變壓器、解析器和電容間隙傳感器 增量位移（位置的變化） 傳感器不能識別運動物體相對基準點的距離，但是能記錄從當前位置的變化，我們稱它為增量位 移傳感器。 增量光學編碼器和激光干涉儀 大部分的位置傳感器是旋轉和平動位移型 3.5.1 電位計 電位計把位置變化（線性或轉動）轉換為電阻變化，再被轉化成比例的電路電壓變化。 線性和旋轉電位計用于位移測量 3.5.1 電位計 各種形式的電位計結構 3.5.2 線性差動變壓器

13、線性差動變壓器（LVDT）工作原理的關鍵就是轉子位置的變化改變了主、副兩個繞組之間的電磁耦合（磁 鏈）。 轉子元件是用高磁導率 材料做成。兩個繞組之 間的感應電壓隨位置而 變化。 3.5.2 線性差動變壓器 一個振蕩器電路為主繞組，提供激勵信號。解調器電路從中去除高頻成分，獲得感應電壓幅值，幅值和磁 芯位置等信息。 LVDT可以用于高分辨率 位置測量（如1/10,000in 的分辨率）但是量程相 對較?。ㄗ罡?0in.）。 主線圈激勵頻率 50Hz 25kHz 。傳感器的帶寬大 概是激勵頻率的1/10。 3.5.3 編碼器 編碼器根據它們測量的位移類型進行分類 旋轉位移 直線平移 編碼器是在

14、電機控制應用中使用最廣泛的位置傳感器，比如有刷直流電機、無刷直流電機、步進電機和感應電機。據 估計具有位置傳感器的電機控制應用中超過70%使用編碼器作為位置傳感器。 3.5.3 編碼器 線性和旋轉編碼器的工作原理相同。一種情況有一個旋轉碼盤，另一種情況是線性標尺。 3.5.3 編碼器 編碼器具有如下元件： 亮暗相間、有著特殊印刷圖案的碼盤或線性標尺 光源（可能是一個有聚焦透鏡的發(fā)光二極管） 兩個以上的光電探測器 固定遮罩 3.5.3 編碼器 編碼器主要性能參數 分辨率：每個循環(huán)的計數數量。對于增量編碼器來說就是磁盤或線性標尺上標刻線的數量。 最大速度：編碼器的最大速度由于電子和機械（軸承）原因

15、需要限制。光電探測器的最大狀態(tài)變化能 力決定了由編碼器電子性能。 可用編碼輸出：增量編碼器的 A,B,C, 輸出電子信號類型：TTL，OC開路，差分輸出等 機械限制：最大徑向和軸向負載，塵、液密封，振動和環(huán)境的限制。 CBA, 3.5.4 霍爾效應傳感器 霍爾效應（在1879年以霍爾命名）是當有電流通過處在磁場中的半導體和導體材料時，半導體和導體材料 會產生感應電壓的現(xiàn)象。 3.5.4 霍爾效應傳感器 感應電壓，電流和磁場強度是一個矢量關系。 當一個半導體或導體材料中有電流通過時，將其放置在磁場中，就會在垂直于電流和磁場矢量的方向上產 生電壓。 如果磁場或電流的方向改變，那么感應電壓的方向也會

16、改變。 感應電壓的大小也和材料類型相關。對于導體來說，感應電流很小，但是對半導體而言就很大，這個關系 被廣泛的用于傳感器設計。 3.5.5 電容性間隙傳感器 電容性間隙傳感器 測量傳感器正面和目標間距離的非接觸傳感器。 分辨率一般在微米范圍，在特殊情形中，能夠做成低至幾個納米。 量程限制在10mm。 電容公式： 幾個關鍵參數：相對介電常數，真空介電常數 ，極板面積S，極板間距d。 0 /CSd 3.5.5 電容性間隙傳感器 一個特定電容性傳感器的頻率響應隨著傳感間隙的距離而不同。（電容初始值的大小） 一個給定傳感器的帶寬隨著測量間隙占量程的百分比而不同。測量的間隙距離相對于傳感器量程越小，傳

17、感器的帶寬越大。例如，一個非接觸電容性間隙傳感器，如果測量的間隙距離在其量程的10%以內，其帶 寬可以是1000Hz，若還是同樣的傳感器，當測量間隙距離是其范圍的80%時，其帶寬約為100Hz。 3.5.6 磁致伸縮位置傳感器 磁致伸縮位置傳感器，通過內部非接觸式的測控技術精確地檢測活動磁環(huán)的絕對位置來測量被檢測產品的 實際位移值的。 由于作為確定位置的活動磁環(huán)和敏感元件并無直接接觸，因此傳感器可應用在極惡劣的工業(yè)環(huán)境中，不易 受油漬、溶液、塵?；蚱渌廴镜挠绊?。 傳感器輸出為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數據也不會丟失，更無須重新歸零。 由于敏感元件是非接觸的，無磨損，可以大大地提高檢測的

18、可靠性和使用壽命。 3.5.6 磁致伸縮位置傳感器 磁致伸縮位置傳感器的組成 永磁體，探頭，保護管，磁致伸縮波導管 分辨率一般在2um 范圍內，量程大約是10.0m。傳感器常見帶寬是50Hz到200Hz。 3.5.6 磁致伸縮聲波位置傳感器 測量過程: 由傳感器探頭發(fā)出電流脈沖，該電流脈沖在波導管內傳輸，從而在波導管外產生一個圓周磁場，當該 磁場和作為位置變化指示的永磁體產生的磁場相交時，由于磁致伸縮的作用，波導管內會產生一個扭 轉張力脈沖， 這個脈沖信 號以固定的 應力波傳播 速度傳輸， 并很快被探 頭檢測到。 通過計算傳播時間可精確計算永磁體位置。 3.5.7 聲波距離傳感器 聲音是通過空

19、氣壓力的傳遞來傳播。聲音在0干燥空氣中的速度通常是331m/s（在20 干燥空氣中的 速度時343m/s）。 聲波的兩個重要特征是頻率和強度。 人類耳朵可以聽到的頻率是從20Hz到20kHz。這個范圍以上的頻率叫做超聲波頻率。 聲波距離傳感器通過測量發(fā)送超聲波脈沖和反射脈沖的時間來測量目標距離。 sound xVt 3.5.7 聲波距離傳感器 探頭發(fā)送高頻率的超聲波脈沖（如200kHz），并且測量發(fā)送脈沖和反射脈沖的時間差。 知道了聲音的速度，傳感器中嵌入的數字信號處理器就能夠計算目標的距離。 3.5.7 聲波距離傳感器 超聲波距離探頭實例 3.5.7 聲波距離傳感器 超聲波距離探頭實例 3.

20、5.7 聲波距離傳感器 超聲波距離探頭實例 3.5.7 聲波距離傳感器 超聲波距離傳感器的性能 傳感器量程高達20m，小到5cm左右，不適用短距離測量，即小于5cm。 傳感器的響應頻率（距離測量更新率）隨測量距離而不同。通常來說，在100Hz左右。顯然，聲波距 離傳感器不能用于高帶寬的伺服位置應用中，因為它需要1.0毫秒或者更快的位置更新時間。 3.5.8 光電距離和狀態(tài)傳感器 用光作為傳導介質測量物體相對參考點距離或位置的傳感器統(tǒng)稱為光電傳感器或光傳感器。 只提供兩個離散輸出（開/關）光傳感器，叫做光電感測器。 3.5.8 光電距離和狀態(tài)傳感器 傳感器發(fā)射端發(fā)射光束。接收器（光電管）根據接收

21、到的光將輸出轉換成開或關。將開和關狀態(tài)分開的光 閾值可以通過傳感器電路中的運算放大器調節(jié)。由于發(fā)射光的可調節(jié)性，光傳感器可以不受外界各種燈光 的干擾。 3.5.8 光電距離和狀態(tài)傳感器 傳感器帶寬很大（約幾kHz），且由于光速極大，受測量距離影響不大。它們的幾何尺寸也很小，容易安裝。 3.6 速度傳感器 速度傳感器的結構和一個有刷直流電動機的結構相同，只是速度計更小，主要是用于測量，而不是向電馬 達一樣將電能轉化為機械能。速度計包含轉子繞組，永磁體定子，換向刷。 速度計是一個無源模擬 傳感器，它輸出與轉速 成比例的輸出電壓。不 需要有外部參考電壓或 勵磁電壓。 3.7 加速度傳感器 加速度傳感

22、器，也叫做加速度計。 慣性加速度計 內部有一個安裝在被測量加速度的物體表面上的小型質量-阻尼-彈簧件，慣性傳感器的位移與機體的 加速度值成比例，機體的加速度頻率正好在傳感器的固有頻率（帶寬）之內。 壓電式加速度計 基于壓電效應 產生的電荷與加速度作用產生的慣性力成比例 壓電材料產生的電荷與和應變成比例 應變和慣性力成比例 3.7 加速度傳感器 3.7 加速度傳感器 3.3 傳感器負載誤差 負載誤差 傳感器的負載誤差是由于引入傳感器和相關聯(lián)的信號處理系統(tǒng)而產生的誤差。 有兩種典型的負載誤差：機械負載誤差，電氣負載誤差。 3.3 傳感器負載誤差 電氣負載誤差實例 假如測量裝置有內部電阻 ，不考慮測量 裝置，我們想要測得電壓的理想值是 m RmR m R * 1 12 oi R VV RR n一旦測量裝置在電路中的A點和B點之間連接， 它就改變了電路。A點和B點之間的等效電阻 是 *