第三章機(jī)電一體化檢測(cè)系統(tǒng)

1、第四章機(jī)電一體化檢測(cè)系統(tǒng)第一節(jié)概述檢測(cè)系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，是用于檢測(cè)相關(guān)外界環(huán)境及產(chǎn)品自身狀 態(tài)，為控制環(huán)節(jié)提供判斷和處理依據(jù)的信息反饋環(huán)節(jié)。機(jī)電一體化系統(tǒng)中，檢測(cè)系統(tǒng)所測(cè)試的物 理量一般包括：溫度、流量、功率、位移、速度、加速度、力等。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)是以電信 號(hào)為信息傳輸和處理的媒體，且控制系統(tǒng)的輸入接口往往規(guī)定了特定的信號(hào)形式（如數(shù)字信號(hào)、 直流信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)），因此，檢測(cè)系統(tǒng)通常要用傳感器將被測(cè)試的物理量變?yōu)殡娏?，再?jīng)過(guò)變 換、放大、調(diào)制、解調(diào)、濾波等電路處理后才能得到控制系統(tǒng)（或顯示、記錄等儀器）需要的信 號(hào)。本章重點(diǎn)介紹各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中常見(jiàn)物理量檢測(cè)的方法

2、和測(cè)試系統(tǒng)的工作原理以及傳感 器的信號(hào)處理、接口技術(shù)等。一、檢測(cè)系統(tǒng)的組成機(jī)電一體化產(chǎn)品中需要檢測(cè)的物理量分成電量和非電量?jī)煞N形式，非電量的檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)有 兩個(gè)重要環(huán)節(jié)：1、把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這就是傳感器的功能，傳感器又稱為一次儀表。豐電量* 1鏘薛111點(diǎn)聲.醫(yī)力、Mr號(hào)1電肘H1處理it大恤號(hào)111r 1I i-niI II12、對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行放大、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理，這叫 作電信號(hào)處理系統(tǒng)，通常被稱為二次儀表。機(jī)電一體化系統(tǒng)一般采用計(jì)算機(jī)控制方式，因此，電 信號(hào)處理系統(tǒng)通常是以計(jì)算機(jī)為中心的電信號(hào)處理系統(tǒng)。綜上所述，非電量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

3、如圖4-1所示。I1恢也樹(shù)勝世籌毀券以計(jì)奠帆海申心的電僧號(hào)處畋絶直行認(rèn)備圖4-1非電量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于電量檢測(cè)系統(tǒng)，只保留了電信號(hào)的處理過(guò)程，省略了一次儀表的處理過(guò)程。二、傳感器的概念及基本特性傳感器是一種以一定的精確度將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測(cè)量 的某種物理量（如電量）的測(cè)量部件或裝置。通常傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換成電量來(lái)輸出。傳感器 的特性（靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性）是其內(nèi)部參數(shù)所表現(xiàn)的外部特征，決定了傳感器的性能和精度。1、傳感器的構(gòu)成傳感器一般是由敏感元件、傳感元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖4-2所示。圖4-2傳感器組成框圖（1 ）敏感元件 是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換

4、成易于測(cè)量的物理量的預(yù)變換裝置，而輸入、輸出 間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系（最好為線性）。如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。（2 ）傳感元件 是將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（如電阻、電感、電容等）形 式。例如將溫度轉(zhuǎn)換成電阻變化，位移轉(zhuǎn)換為電感或電容等傳感元件。（3）基本轉(zhuǎn)換電路 將電信號(hào)量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量，如電壓、電流、頻率等。有些傳感器（如熱電偶）只有敏感元件，感受被測(cè)量時(shí)直接輸出電動(dòng)勢(shì)。有些傳感器由敏感 元件和轉(zhuǎn)換元件組成，無(wú)需基本轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器。還有些傳感器由敏感元件和 基本轉(zhuǎn)換電路組成，如電容式位移傳感器。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)過(guò)若干次轉(zhuǎn)換 才

5、能輸出電量。大多數(shù)傳感器是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但也有個(gè)別的是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。2、傳感器的靜態(tài)特性傳感器變換的被測(cè)量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸入/輸出關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性。描述傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)是：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨率和零漂。（1）線性度 傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，利用一定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器 進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試，得到輸入 /輸出特性（列表或畫(huà)曲線）。通常希望這個(gè)特性（曲線）為線性， 這對(duì)標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)方便。但實(shí)際的輸出與輸入特性只能接近線性，對(duì)比理論直線有偏差， 如圖4-3所示。實(shí)際曲線與其兩個(gè)端尖連線（稱理論直線）之間的偏差稱為傳感器的非線性誤 差

6、。取其中最大值與輸出滿度值之比作為評(píng)價(jià)線性度（或非線性誤差）的指標(biāo)。1、實(shí)際曲線2 、理想曲線100 %(4-1)式中：L 線性度（非線性誤差maxyFSmax 最大非線性絕對(duì)誤差；yFS輸出滿度值。（2）靈敏度傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出變化對(duì)輸入變化的比值稱靈敏度，用So表示，即So輸出量的變化量輸入量的變化量(4-2)對(duì)于線性傳感器來(lái)說(shuō)，它的靈敏度So是個(gè)常數(shù)。（3）遲滯 傳感器在正（輸入量增大）、反（輸入量減小）行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程 度稱遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出yFs的百分?jǐn)?shù)表示式中 Hm嚴(yán)100%或H輸出值在正、反行程間的最大差值。1 Hm2 yFS100%(4-

7、3)遲滯特性一般由實(shí)驗(yàn)方法確定，如圖4-4所示。（4）重復(fù)性傳感器在同一條件下，被測(cè)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，所得輸出/輸入曲線的不一致程度，稱重復(fù)性如圖4-5表示。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即RmyFS10C%(4-4)式中Rm 輸出最大重復(fù)性誤差；重復(fù)特性也用實(shí)驗(yàn)方法確定，常用絕對(duì)誤差表示。如圖4-5表示。圖4-5圖4-4遲滯特性（5）分辨力 傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾 值。分辨力與滿度輸入比的百分?jǐn)?shù)表示稱為分辨率。（6） 漂移由于傳感器內(nèi)部因素或外界干擾的情況下，傳感器的輸出變化稱為漂移。當(dāng)輸 入狀態(tài)為零時(shí)的漂移稱為零點(diǎn)

8、漂移。在其它因素不變情況下，輸出隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生的漂移稱 為時(shí)間漂移；隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱為溫度漂移。（7）精度 表示測(cè)量結(jié)果和被測(cè)的“真值”的靠近程度。精度一般是在校驗(yàn)或標(biāo)定的方法來(lái) 確定，此時(shí)“真值”則靠其它更精確的儀器或工作基準(zhǔn)來(lái)給出。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了傳感器和測(cè)試儀表的精度等級(jí)，如電工儀表精度分七級(jí)，分別是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5級(jí)。精度等級(jí)（S）的確定方法是：首先算出絕對(duì)誤差與輸出滿度量程之比的百分?jǐn)?shù)，然后靠近比其低的國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)等級(jí)值即為該儀器的精度等級(jí)。3、傳感器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器測(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由

9、 于被測(cè)量不隨時(shí)間變化，測(cè)量和記錄過(guò)程不受時(shí)間限制。而實(shí)際中大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的 動(dòng)態(tài)信號(hào)，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測(cè)量的大小，還要顯示被測(cè)量時(shí)間變換的規(guī)律， 即被測(cè)量的波形。傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入量隨時(shí)間的變化規(guī)律，即它們 具有同一個(gè)時(shí)間函數(shù)。但是，除了理想情況外，實(shí)際傳感器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不會(huì)具有相同 的時(shí)間函數(shù)，由此引起動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)特性參數(shù)一般都用階躍信號(hào)輸入狀態(tài)下的輸出特性和不同頻率信號(hào)輸入狀態(tài)下的幅值變 化和相位變化表達(dá)。三、信號(hào)傳輸與處理電路傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱（mV、uV級(jí)），有時(shí)

10、夾雜其它信號(hào)（干擾或載波），因此，在傳輸過(guò)程中，需要依據(jù)傳感器輸出信號(hào)的具體特征和后端系統(tǒng)的要求，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行各種形式的處理，如阻抗變換，電平轉(zhuǎn)換、屏蔽隔離、放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D和D/A 等，同時(shí)還要考慮在傳輸過(guò)程中可能受到的干擾影響，如噪聲、溫度、濕度、磁場(chǎng)等，采取一定 的措施，傳感器信號(hào)處理電路的內(nèi)容要依據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)和環(huán)境條件來(lái)決定。傳感器信號(hào)處理電路內(nèi)容的選擇所要考慮的問(wèn)題主要包括：（1）傳感器輸出信號(hào)形式，是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，電壓還是電流。（2）傳感器輸出電路形式，是單端輸出還是差動(dòng)輸出（3）傳感器電路輸出能力，是電壓還是功率，輸出阻抗大小。（4）傳感器的特性

11、，如線性度、信噪比、分辨率。由于電子技術(shù)的發(fā)展和微加工技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)在的許多傳感器中已經(jīng)配置了部分處理電路（或配置有專用處理電路），大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和維修人員的技術(shù)難度。如反射式光電開(kāi)關(guān)傳感器 中集成了邏輯控制電路；壓力傳感器的輸出連接專用接口處理電路后可以直接輸送給A/D ;光電編碼傳感器的輸出是 5V的脈沖信號(hào)，可以直接傳送給計(jì)算機(jī)。第二節(jié)位移檢測(cè)位移測(cè)量是線位移測(cè)量和角位移測(cè)量的總稱，位移測(cè)量在機(jī)電一體化制造系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣 泛，這不僅因?yàn)樵诟鞣N機(jī)械加工中位置確定和加工尺寸的需要，而且還因?yàn)樗俣?、加速度等參?shù) 的檢測(cè)都可以借助測(cè)量位移的方法。有些參數(shù)的測(cè)量屬于微位移測(cè)量，如力、扭矩、變形等

12、。微位移檢測(cè)傳感器包括：應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感傳感器。一般位移傳感器主要有：電感傳感器、電容傳感器、感應(yīng)同步器、光柵傳感器、磁柵傳感 器、旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼盤等。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼盤只能測(cè)試角位移，其它幾種傳 感器既有直線型位移傳感器又有角度型位移傳感器。位移傳感器還可以分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器，模擬式傳感器輸出是以幅值形式表示 輸入位移的大小，如電容式傳感器、電感式傳感器等；數(shù)字式傳感器的輸出是以脈沖數(shù)量的多少 表示位移的大小，如光柵傳感器、磁柵傳感器、感應(yīng)同步器等。光電編碼盤的輸出是一組不同的 編碼代表不同的角度位置。下面分別介紹模擬式位移傳感器、數(shù)字式傳感器的原

13、理。一、模擬式位移傳感器由于電容式、電感式傳感器在原理上有相似之處，以電感式傳感器為例來(lái)介紹模擬式傳感器 測(cè)量位移的原理。電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種結(jié)構(gòu)型傳感器。 按其轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感型和互感型兩種，自感型電感傳感器又分為可變磁阻式和渦流 式?；ジ行陀址Q為差動(dòng)變壓器式。1、可變磁阻式電感傳感器典型的可變磁阻式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 4-6所示，主要由線圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵所組成。 在鐵心和活動(dòng)銜鐵之間保持一定的空氣隙，被測(cè)位移構(gòu)件與活動(dòng)銜鐵相連，當(dāng)被測(cè)構(gòu)件產(chǎn)生位移時(shí)，活動(dòng)銜鐵隨著移動(dòng)，空氣隙發(fā)生變化，引起磁阻變化，從而使線圈的電感值發(fā)生變化。圖4-

14、6可變磁阻式電感傳感器1-線圈；2-鐵心；3-活動(dòng)銜鐵；4-測(cè)桿；5-被測(cè)件當(dāng)線圈通以激磁電流時(shí)，其自感L與磁路的總磁阻Rm有關(guān)，即L W2/Rm（ 4-5）式中W線圈匝數(shù)；Rm 總磁阻。如果空氣隙 較小，而且不考慮磁路的損失，則總磁阻為R12mAoAg(4-6)式中L-鐵心導(dǎo)磁長(zhǎng)度（m）;-鐵心導(dǎo)磁率（H/m）;A-鐵心導(dǎo)磁截面積（m2）;A a b;空氣隙（m）,= 0;0-空氣磁導(dǎo)率(H/m),0210 7;A0-空氣隙導(dǎo)磁截面積（m2）。由于鐵心的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的，計(jì)算時(shí)鐵心的磁阻可以忽略不計(jì)，故(4-7)將式（4- 7）代入式（4- 5），得2(4- 8)W 2 o A

15、o2式（4-8）表明，自感L與空氣隙的大小成反比，與空氣隙導(dǎo)磁截面積Ao成正比。當(dāng)Ao固定不變，改變時(shí)，L與 成非線性關(guān)系，此時(shí)傳感器的靈敏度(4-9)dLd由式（4- 9）得知，傳感器的靈敏度與空氣隙的平方成反比，愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，同變極距型電容式傳感器類似。為了減小非線性誤差，通常規(guī)定傳感 器應(yīng)在較小間隙的變化范圍內(nèi)工作。在實(shí)際應(yīng)用中，可取/ o o.i。這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般為 o.ooi1mm。此外，這類傳感器還常采用差動(dòng)式接法。圖4-7為差動(dòng)型磁阻式傳感器，它由兩個(gè)相同的線圈、鐵心及活動(dòng)銜鐵組成。當(dāng)活動(dòng)銜鐵接于中間位置（位移為零）時(shí)，

16、兩 線圈的自感L相等，輸出為零。當(dāng)銜鐵有位移時(shí)，兩個(gè)線圈的間隙為o 、 o,這表明一個(gè)線圈自感增加，而另一個(gè)線圈自感減小，將兩個(gè)線圈接入電橋的相鄰臂時(shí)，其輸出的靈敏度 可提高一倍，并改善了線性特性，消除了外界干擾?？勺兇抛枋絺鞲衅鬟€可做成如圖4-8所示改變空氣隙導(dǎo)磁截面積的形式，當(dāng)固定，改變空氣隙導(dǎo)磁截面積 Ao時(shí)，自感L與Ao呈線性關(guān)系。圖4-7可變磁阻差動(dòng)式傳感器圖4-8可變磁阻面積型電感傳感器1 線圈；2鐵心；3 活動(dòng)銜鐵;4 測(cè)桿；5被測(cè)桿如圖4-9所示，在可變磁阻螺管線圈中插入一個(gè)活動(dòng)銜鐵，當(dāng)活動(dòng)銜鐵在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁 阻將變化，導(dǎo)致自感 L的變化。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，但是

17、其靈敏度較低，適合于測(cè)量比較大的位移量。2、渦流式傳感器渦流式傳感器的變換原理，是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。如圖4-10所示，金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為 磁通量。金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流為 渦電流”或 渦流”渦流的大小與金屬板的電阻率。當(dāng)線圈輸入一交變電流io時(shí)，便產(chǎn)生交變i, 這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之、磁導(dǎo)率 、厚度h、金屬板與線圈的距圖4-10高頻反射式渦流傳感器離、激勵(lì)電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。若改變其中某一參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù)。渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種。（1 ）高頻反射式渦流傳感器如

18、圖4-10所示，高頻（1MHz）激勵(lì)電流io產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變 磁場(chǎng)又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離 、金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率 、激勵(lì)電流i及角頻率等有關(guān)，若只改變距離而保持其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位 移測(cè)量。圖4-9可變磁阻螺管型傳感器1-線圈2-鐵心（2 ）低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖4-11所示，發(fā)射線圈W1和接收線圈 W2分別置于被測(cè)金屬板材料 G的上、下方。由于低頻磁場(chǎng)

19、集膚效應(yīng)小，滲透深， 當(dāng)?shù)皖l（音頻范圍）電壓U1加到線圈 W1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過(guò)金屬板材料G，使線圈 W2產(chǎn)生電感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) U2。但由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)U2越小。因此，U2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)。試驗(yàn)表明，U2隨材料厚度入的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少，如圖4-11 （b）所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用U2的變化即可測(cè)量其厚度。3、互感型差動(dòng)變壓器式電感傳感器互感型電感傳感器是利用互感M的變化來(lái)反映被測(cè)量的變化。這種傳感器實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸出電壓的變壓器。當(dāng)變壓器初級(jí)線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級(jí)

20、線圈便產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出，該電壓隨 被測(cè)量的變化而變化。差動(dòng)變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器，其結(jié)構(gòu)形式有多種，以螺管形應(yīng)用較為普遍，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4-12（ a）、（ b）所示。傳感器主要由線圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵三個(gè)部分組成。線圈包括一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)反接的次級(jí)線圈，當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級(jí) 線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ei和e2。由于兩個(gè)次級(jí)線圈極性反接，因此傳感器的輸出電壓為兩者之 差，即ey=ei -e2?；顒?dòng)銜鐵能改變線圈之間的耦合程度。輸出ey的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，即ei=e2，ey=0;當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，即ei e2，ey0 ;當(dāng)活動(dòng)銜

21、鐵向下移時(shí)，即ei e2，ey0?；顒?dòng)銜鐵的位置往復(fù)變化，其輸出電壓ey，也隨之變化，輸出特性如圖4-12（ c）所示。圖4-11低頻投射式渦流傳感器（a）原理圖；（b）曲線圖圖4-12差動(dòng)變壓器式電感傳感器（a）、（ b）工作原理 （c）輸岀特性圖4-13查動(dòng)相敏檢波電路的工作原理值得注意的是：首先，差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流電壓，如用交流電壓表指示， 則輸出值只能反應(yīng)鐵心位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的極性；其次，交流電壓輸出存在一定的零 點(diǎn)殘余電壓，零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材 質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成。所以，即使活動(dòng)銜鐵位于中

22、間位置時(shí)，輸出也不為 零。鑒于這些原因，差動(dòng)變壓器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵心位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電 壓的差動(dòng)直流輸出電路。圖4-13是用于小位移的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，鐵心處于中間位 置，調(diào)節(jié)電阻 R,使零點(diǎn)殘余電壓減??；當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，鐵心移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流 放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。差動(dòng)變壓器傳感器具有精度高（達(dá)0.1um量級(jí)），線圈變化范圍大（可擴(kuò)大到土100mm，視結(jié)構(gòu)而定），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于直線位移及其它壓力、振動(dòng)等參量的測(cè)量。圖3-14是電感測(cè)微儀所用的差動(dòng)型位移傳感器的結(jié)構(gòu)

23、圖。對(duì)于電容式傳感器是依據(jù)電容的大小與組成電容的兩極板 的面積或介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，與極板間的距離成反比的原 理設(shè)計(jì)的。位移測(cè)試時(shí)，通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)使位移變化引起面積 或極板間距離的變化就可以改變電容的大小，反之，檢測(cè)電容 的值也就可以測(cè)算出位移的變化。二、數(shù)字式位移傳感器數(shù)字式位移傳感器有光柵、磁柵、感應(yīng)同步器等，它們的 共同特點(diǎn)是利用自身的物理特征，制成直線型和圓形結(jié)構(gòu)的位 移傳感器，輸出信號(hào)都是脈沖信號(hào)，每一個(gè)脈沖代表輸入的位 移當(dāng)量，通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖就可以統(tǒng)計(jì)位移的尺寸。下面主要以光 柵傳感器和感應(yīng)同步器來(lái)介紹數(shù)字式傳感器的工作原理。1、光柵位移傳感器光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，有圓光柵

24、和直線光柵兩種。它的特點(diǎn)是測(cè)量精確高（可達(dá)土1um）、響應(yīng)速度快和量程范圍大（一般為1 2m連接使用可達(dá)到10m）等。光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成，兩者的光刻密度相 同，但體長(zhǎng)相差很多，其結(jié)構(gòu)如圖415所示。光柵條紋密度一般為每毫米25, 50, 100, 250條等。把L引線2. 固定璇筒3. 銜鐵4. 機(jī)圈工創(chuàng)1力弾叢6. 防轉(zhuǎn)銷7. 鋼球?qū)?zhí) 丈測(cè)桿10.測(cè)端圖4-14螺旋差動(dòng)型 傳感器結(jié)構(gòu)圖指示光柵平行地放在標(biāo)尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一個(gè)很小的角度，這時(shí)在指示光柵上就出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條紋。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列，如圖4-16所示。圖4-15

25、光柵測(cè)量原理圖4-16莫爾條紋示意光柵莫爾條紋的特點(diǎn)是起放大作用，用 夾角，則有w表示條紋寬度，p表示柵距，表示光柵條紋間的(4-10)若P= 0.01mm，把莫爾條紋的寬度調(diào)成 10mm，則放大倍數(shù)相當(dāng)于 1000倍，即利用光的干涉現(xiàn)象把光柵間距放大1 000倍，因而大大減輕了電子線路的負(fù)擔(dān)。光柵可分透射和反射光柵兩種。透射光柵的線條刻制在透明的光學(xué)玻璃上，反射光柵的線條刻制在具有強(qiáng)反射能力的金屬板上，一般用不銹鋼。光柵測(cè)量系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖4-17所示。光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋明暗信號(hào)可以用光電元件接受，圖4-17中的a, b，c，d是四塊光電池，產(chǎn)生的信號(hào)，相位彼此差900，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)

26、行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，即可變成光柵位移量的測(cè)量脈沖。圖4-17光柵測(cè)量系統(tǒng)2、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制造的高精度檢測(cè)元件, 作檢測(cè)直線位移和轉(zhuǎn)角。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。定尺較 長(zhǎng)（200mm以上，可根據(jù)測(cè)量行程的長(zhǎng)度選擇不同規(guī)格長(zhǎng) 度），上面刻有均勻節(jié)距的繞組；滑尺表面刻有兩個(gè)繞 組，即正弦繞組和余弦繞組，見(jiàn)圖4-18。當(dāng)余弦繞組與定子繞組相位相同時(shí)，正弦繞組與定子繞組錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距。滑尺在通有電流的定尺表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電 勢(shì)。圓盤式感應(yīng)同步器，如圖4-19所示，其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的滑尺，定子相當(dāng)于定尺，而且定子繞組中的兩個(gè)繞組也錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距。in

27、nnjkjuiru.uh有直線和圓盤式兩種，分別用C04*tin圖4-18感應(yīng)同步器原理圖$劉*境趾 e無(wú)霆n姐圖4-19圓盤式感應(yīng)同步器搖組圖形（a）定子；（b）轉(zhuǎn)子感應(yīng)同步器根據(jù)其激磁繞組供電電壓形式不同，分為鑒相測(cè)量方式和鑒幅測(cè)量方式。（1）鑒相式 所謂鑒相式就是根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)的相位來(lái)鑒別位移量。如果將滑尺的正弦和余弦繞組分別供給幅值、頻率均相等，但相位相差900的激磁電壓，即Va VmSin t，Vb Vm cos t時(shí)，則定尺上的繞組由于電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生與激磁電壓同頻率 的交變感應(yīng)電勢(shì)。UTrLTLEU電卽變化喑況2 3 40 0上 B j僅阿片燒總曹出 恆時(shí)軒饒姐ar出圖4-20滑尺

28、搖組位置與定尺感應(yīng)電勢(shì)幅值的變化關(guān)系圖4-20說(shuō)明了感應(yīng)電勢(shì)幅值與定尺和滑尺相對(duì)位置的關(guān)系。如果只對(duì)余弦繞組A加交流激磁電壓Va，則繞組A中有電流通過(guò)，因而在繞組 A周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng) 繞組A完全重合，此時(shí)磁通交鏈最多，因而感應(yīng)電勢(shì)幅值最大。在圖中在圖中1位置，定尺和滑尺2位置，定尺繞組交鏈的磁通相互抵消，因而感應(yīng)電勢(shì)幅值為零?；呃^續(xù)滑動(dòng)的情況見(jiàn)圖中 滑尺在定尺上滑動(dòng)一個(gè)節(jié)距，定尺繞組感應(yīng)電勢(shì)變化了一個(gè)周期，即3, 4，5位置。可以看出,eA KVa cos式中k滑尺和定尺的電磁耦合系數(shù)；滑尺和定尺相對(duì)位移的折算角。 若繞組的節(jié)距為 W，相對(duì)位移為I，則(4-11)擊360（ 4-12）同樣，

29、當(dāng)僅對(duì)正弦繞組 B施加交流激磁電壓 Vb時(shí)，定尺繞組感應(yīng)電勢(shì)為KVb sin(4-13)對(duì)滑尺上兩個(gè)繞組同時(shí)加激磁電壓，則定尺繞組上所感應(yīng)的總電勢(shì)為e A BKVa cos KVb sinKVm sin tcosKVm cos tsin KVm sin t(4-14)從上式可以看出，感應(yīng)同步器把滑尺相對(duì)定尺的位移L的變化轉(zhuǎn)成感應(yīng)電勢(shì)相角的變化。因此，只要測(cè)得相角，就可以知道滑尺的相對(duì)位移 L :(4-15)360W(2) 鑒幅式在滑尺的兩個(gè)繞組上施加頻率和相位均相同，但幅值不同的交流激磁電壓Va和Vb(4-16)(4-17)VAVm sin 1 sin tVB Vm cos 1 sin t式中

30、1-指令位移角。設(shè)此時(shí)滑尺繞組與定尺繞組的相對(duì)位移角為，則定尺繞組上的感應(yīng)電勢(shì)為KVA cosKVB sinKVm(sin 1 cos(4-18)cos 1 sin )sin t KVm sin( 1 )sin t上式把感應(yīng)同步器的位移與感應(yīng)電勢(shì)幅值KVmsin( 1)聯(lián)系起來(lái)，當(dāng)1 時(shí)，e= 0。這就是鑒幅測(cè)量方式的基本原理。第三節(jié)速度、加速度檢測(cè)速度、加速度測(cè)試有許多方法，可以使用直流測(cè)速機(jī)直接測(cè)量速度，也可以通過(guò)檢測(cè)位移換 算出速度和加速度，還可以通過(guò)測(cè)試慣性力換算出加速度等。下面介紹幾種典型的測(cè)試方法。一、直流測(cè)速機(jī)速度檢測(cè)直流測(cè)速機(jī)是一種測(cè)速元件，實(shí)際上它就是一臺(tái)微型的直流發(fā)電機(jī)。根

31、據(jù)定子磁極激磁方式 的不同，直流測(cè)速機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。如以電樞的結(jié)構(gòu)不同來(lái)分，有無(wú)槽電樞、有槽 電樞、空心杯電樞和圓盤電樞等。近年來(lái)，又出現(xiàn)了永磁式直線測(cè)速機(jī)。常用的為永磁式測(cè)速 機(jī)。測(cè)速機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖4-21所示為永磁式測(cè)速機(jī)原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與 轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢(shì)。圖4-21永磁式測(cè)速機(jī)原理圖 直流測(cè)速機(jī)的輸出特性曲線，如圖圖4-22直流測(cè)速機(jī)輸出特性4- 22所示。從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載電阻Rlth時(shí)其輸出電壓V。與轉(zhuǎn)速n成正比。隨著負(fù)載電阻Rl變小，其輸出電壓下降，而

32、且輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不能嚴(yán)格保持線性關(guān)系。由此可見(jiàn)，對(duì)于要求精度比較高的直流測(cè)速機(jī)，除采取其他措施外， 負(fù)載電阻RL應(yīng)盡量大。直流測(cè)速機(jī)的特點(diǎn)是輸出斜率大、線性好，但由于有電刷和換向器，構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜， 摩擦轉(zhuǎn)矩較大。直流測(cè)速機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中，主要用作測(cè)速和校正元件。在使用中，為了提高檢測(cè)靈敏 度，盡可能把它直接連接到電機(jī)軸上。有的電機(jī)本身就已安裝了測(cè)速機(jī)。二、光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器，由裝在被測(cè)軸（或與被測(cè)軸相連接的輸入軸）上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成，如圖4-23所示。光源發(fā)生的光通過(guò)縫隙圓盤和指示縫隙照射到光電器件上。當(dāng)縫隙圓盤隨被測(cè)軸

33、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的間距 相同，因此圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈 沖數(shù)N，則可測(cè)出轉(zhuǎn)速為60Nn Zt（4-19）式中 Z圓盤上的縫隙數(shù)；n轉(zhuǎn)速（r/ min）;t 測(cè)量時(shí)間（s）。圖4-23光電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖一般取Zt= 60 XI0 m （m= 0, 1 , 2,），利用兩組縫隙間距W相同，位置相 差（i/2+1/4） W（i = 0, 1, 2,）的指示縫隙和兩個(gè)光電器件，則可辨別出圓盤的旋轉(zhuǎn)方向。三、加速度傳感器作為加速度檢測(cè)元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理都是利用慣性質(zhì)量受加速 度所產(chǎn)生的慣性力而

34、造成的各種物理效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量，間接度量被測(cè)加速度。最常用的 有應(yīng)變式、壓電式、電磁感應(yīng)式等。應(yīng)變式傳感器加速度測(cè)試原理如圖4-26所示，它是通過(guò)測(cè)試慣性力引起彈性敏感元件的變形換算出力的關(guān)系，相關(guān)原理在后續(xù)內(nèi)容中介紹。電磁感應(yīng)式傳感器是借助彈性元件在慣性力的作 用下，變形位移引起氣隙的變化導(dǎo)致的電磁特性。壓電式傳感器是利用某些材料在受力變形的狀 態(tài)下產(chǎn)生電的特性的原理，下面重點(diǎn)介紹壓電式傳感器原理及使用方法。1、壓電效應(yīng)及壓電材料當(dāng)某些材料沿某一方向施加壓力或拉力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，并在材料的某一相對(duì)表面產(chǎn)生符號(hào) 相反的電荷；當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。

35、具有壓電 效應(yīng)的材料叫壓電材料。另外，當(dāng)給壓電材料的某一方向施加電場(chǎng)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變 形，這是壓電材料的逆壓電效應(yīng)。常見(jiàn)的壓電材料有單晶體結(jié)構(gòu)的石英晶體和多晶體結(jié)構(gòu)的人造壓電陶瓷（如鈦酸鋇和鋯鈦酸 鉛等）。壓電材料的壓電效應(yīng)具有方向性，特別是石英晶體（SiO2）的分子及原子排列結(jié)構(gòu)使得石英晶體的壓電方向是天然確定的。圖4 24表示晶體切片在 z軸和y軸方向受壓力和拉力時(shí)電荷產(chǎn)生方向的情況。圖4-24晶體的壓電原理實(shí)際上，壓電材料的壓電特性只和變形有關(guān)，施加的外力是產(chǎn)生變形的手段。石英晶體產(chǎn)生 壓電效應(yīng)的方向只有 x軸方向，其它方向都不會(huì)產(chǎn)生電荷。2、壓電傳感器結(jié)構(gòu)及特性壓電傳感器是以電

36、荷或兩極間的電勢(shì)作為輸出信號(hào)。當(dāng)測(cè)試靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于任何阻抗的電 路都會(huì)產(chǎn)生電荷泄露，因此測(cè)量電勢(shì)的方法誤差很大，只能采用測(cè)量電荷的方法。當(dāng)給壓電傳感 器施加交變的外力，傳感器就會(huì)輸出交變的電勢(shì)，信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因此壓電式傳感器適 合測(cè)試動(dòng)態(tài)信號(hào)，且頻率越高越好。壓電傳感器結(jié)構(gòu)一般由兩片或多片壓電晶體粘合而成，由于壓電晶片有電荷極性，因此接法 上分成并聯(lián)和串聯(lián)兩種（如圖 4-25）。并聯(lián)接法雖然輸出電荷大，但由于本身電容也大，故時(shí)間 常數(shù)大，可以測(cè)量較慢變化的信號(hào)，并以電荷作為輸出參數(shù)測(cè)量。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電 容小，適應(yīng)以電壓輸出的信號(hào)和測(cè)量電路輸出阻抗很高的情況。并取申鎂圖4-

37、25壓電傳感器的并聯(lián)、串聯(lián)示意圖由于壓電傳感器的信號(hào)較弱，且是電荷的表現(xiàn)形式，因此測(cè)量電路必須進(jìn)行信號(hào)放大。當(dāng)采 用測(cè)量電勢(shì)的方法時(shí)，測(cè)量電路要配置高阻抗的前置電壓放大器和一般放大器，高阻抗的前置電 壓放大器的作用是減緩電流的泄露速度；一般放大器是為了將高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?。?dāng)采 用電荷測(cè)試方法時(shí)，測(cè)量電路采用的是電荷放大的原理。目前，壓電傳感器應(yīng)用相當(dāng)普遍，且生 產(chǎn)廠家都專門配備有傳感器處理電路。3、壓電傳感器應(yīng)用壓電傳感器可以用在壓力和加速度檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)、超聲波探測(cè)等，還可以應(yīng)用在拾音器、 助聽(tīng)器、點(diǎn)火器等產(chǎn)品中。壓電加速度測(cè)試傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖4- 27所示。圖中1是質(zhì)量塊，當(dāng)加速

38、運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力加載在2 （壓電材料切片）上，3是電荷（或電勢(shì)）的輸出端。該壓電傳感器是兩片壓電 材料切片組成，下面一片的輸出引線是通過(guò)殼體與電極平面相連。圖4-26應(yīng)變式加速度傳感器圖4-27壓電加速度傳感器機(jī)構(gòu)使用時(shí)，傳感器固定在被測(cè)物體上，感受該物體的振動(dòng)，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元 件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳感器可以做 得很小，重量很輕，故對(duì)被測(cè)機(jī)構(gòu)的影響就小。壓電式加速度傳感器的頻率范圍廣、動(dòng)態(tài)范圍 寬、靈敏度高，應(yīng)用較為廣泛。第四節(jié) 力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測(cè)在機(jī)電一體化領(lǐng)域里，力、壓力和扭矩是很常見(jiàn)的機(jī)械參量。近年來(lái)，各種高

39、精度力、壓力 和扭矩傳感器的出現(xiàn)，更以其慣性小、響應(yīng)快、易于記錄、便于遙控等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。 按其工作原理可分為彈性式、電阻應(yīng)變式、氣電式、位移式和相位差式等。在以上測(cè)量方式中， 電阻應(yīng)變式傳感器用得最為廣泛。下面著重介紹在機(jī)電一體化工程中常用的電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變片式力、壓力和扭矩傳感器的工作原理是利用彈性敏感器元件將被測(cè)力、壓力或扭 矩轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，然后通過(guò)粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路輸出電 壓或電流信號(hào)。一、力、力矩檢測(cè)測(cè)力、力矩傳感器按其量程大小和測(cè)量精度不同而有很多規(guī)格品種，它們的主要差別是彈性 元件的結(jié)構(gòu)形式不同，以及應(yīng)變片在彈性元件上粘貼的位

40、置不同。常見(jiàn)的彈性元件有柱形、筒 形、環(huán)形、梁式和輪輻式等。1柱形或筒形彈性元件如圖4-28所示，這種彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承受較大的載荷，常用于測(cè)量較大力的拉（壓） 力傳感器中，但其抗偏心載荷和測(cè)向力的能力差，制成的傳感器高度大，應(yīng)變片在柱形和筒形彈 性元件上的粘貼位置及接橋方法如圖4-28所示。這種接橋方法能減少偏心載荷引起的誤差，且能增加傳感器的輸出靈敏度。圖4-28柱形和筒形彈性元件組成的測(cè)力傳感器若在彈性元件上施加一壓力P,則筒形彈性元件的軸向應(yīng)變L為P l E EA用電阻應(yīng)變儀測(cè)出的指示應(yīng)變?yōu)?(1 廠式中p作用于彈性元件上的載荷；E圓筒材料的彈性模量；圓筒材料的泊松系數(shù)；(4-20

41、)(4-21)A 筒體截面積，A=(D1-D2)2/4 ( Di為筒體外徑，D2為簡(jiǎn)體內(nèi)徑)。2、梁式彈性元件(1)懸臂梁式彈性元件它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工、粘貼應(yīng)變片方便、靈敏度較高,適用于測(cè)量小載荷的傳感器中。圖4-29所示為一截面懸臂梁彈性元件，在其同一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，組成差動(dòng)工作形式的電橋輸出。若梁的自由端有一被測(cè)力P,則應(yīng)變片感受的應(yīng)變?yōu)閎lEbh2電橋輸出為Use K Uo(4-22)(4-23)式中L應(yīng)變計(jì)中心處距受力點(diǎn)距離;b懸臂梁寬度；h懸臂梁厚度；E懸臂梁材料的彈性模量；K應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)。(2)兩端固定梁這種彈性元件的結(jié)構(gòu)形狀、參數(shù)以及應(yīng)變片粘貼組成橋形式如圖

42、4-30所示。它的懸臂梁剛度大，抗側(cè)向能力強(qiáng)。粘貼應(yīng)變片感受應(yīng)變與被測(cè)力P之間的關(guān)系為3(4l l)24Ebh2(4- 24)它的電橋輸出與式4-23)相同。圖4-29懸臂梁式測(cè)力傳感器示意圖(3) 梁式剪切彈性元件圖4-30兩端固定式測(cè)力傳感器示意圖這種彈性元件的結(jié)構(gòu)與普通梁式彈性元件基本相同，只是應(yīng)變片粘貼位置不同。應(yīng)變片受的 應(yīng)變只與梁所承受的剪切力有關(guān)，而與彎曲應(yīng)力無(wú)關(guān)。因此，無(wú)論是拉伸還是壓縮載荷，靈敏度 相同，適用于同時(shí)測(cè)量拉力和壓力的傳感器。此外，它與梁式彈性元件相比線性好、抗偏心載荷 和側(cè)向力的能力大，其結(jié)構(gòu)和粘貼應(yīng)變片的位置如圖 4-31所示。圖4-31梁式剪切型策測(cè)力感器示

43、意圖應(yīng)變片一般粘貼在矩形截面梁中間盲孔的兩側(cè)，與梁的中性軸成45?方向上。該處的截面為工字形，使剪切應(yīng)力在截面上的分布比較均勻，且數(shù)值較大。粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變與被測(cè)力P之間的關(guān)系近似為P2bhG( 4-25)式中G為彈性元件的剪切模量；b和h為粘貼應(yīng)變片處梁截面的寬度和高度。3、扭矩測(cè)量圖4-32所示為電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)矩傳感器。它的彈性元件是一個(gè)與被測(cè)轉(zhuǎn)矩的軸相連的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸 上貼有與軸線成45?勺應(yīng)變片，應(yīng)變片兩兩相互垂直，并接成全橋工作的電路方式，應(yīng)變片感受的 應(yīng)變與被測(cè)試件的扭矩 M T的關(guān)系如下式：Mt 2GWt(4-26)3式中G=E/2 (1+Q為剪切彈性量； Wt為抗扭截面模量，實(shí)心圓

44、軸WtD/16，空心圓軸WtD3(14 )16,d / D , d為空心圓柱內(nèi)徑，D為外徑。圖4-32 轉(zhuǎn)矩傳感器示意圖由于檢測(cè)對(duì)象是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸，因此應(yīng)變片的電阻變化信號(hào)要通過(guò)集流裝置引出才能進(jìn)行測(cè) 量，轉(zhuǎn)矩傳感器已將集流裝置安裝在內(nèi)部，所以只需將傳感器直接相聯(lián)就能測(cè)量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，使 用非常方便。二、流體壓強(qiáng)傳感器電阻應(yīng)變式流體壓強(qiáng)傳感器主要用于測(cè)量氣體和液體壓強(qiáng)。測(cè)量壓強(qiáng)的方法是借助彈性元件 把壓強(qiáng)變?yōu)閴毫蛻?yīng)變?cè)龠M(jìn)行測(cè)量，流體的壓強(qiáng)測(cè)試范圍一般為10E410E7Pa。傳感器所用彈性元件有膜式、筒式等，現(xiàn)分述如下。1、膜式壓力傳感器 它的彈性元件為四周固定的等截面圓形薄板，又稱平膜板或膜片

45、。其一表面承受被測(cè)分布?jí)毫?，另一?cè)面貼有應(yīng)變片。應(yīng)變片接成橋路輸出，如圖4-33所示。應(yīng)變片分別貼于膜片的中心（切向）和邊緣（徑向）。因?yàn)檫@兩種應(yīng)變最大符號(hào)相反，接成全橋線路后傳感器輸出最大。圖4-33膜式壓力傳感器膜片上粘貼應(yīng)變片處的徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變t與被測(cè)力P之間的關(guān)系為8hPE(13P8h2E(12)(r23x2)2)(r2 3x2)(4- 27)(4-28)式中x應(yīng)變計(jì)中心與膜片中心的距離;h膜片厚度；r膜片半徑；E膜片材料的彈性模量；膜片材料的泊松比。為保證膜式傳感器的線性度小于3%,在一定壓力作用下，要求(4 - 29)2、筒式壓力傳感器它的彈性元件為薄壁圓筒，筒的底部較厚。這

46、種彈性元件的特點(diǎn)是圓筒受到被測(cè)壓力后，外 表面各處的應(yīng)變是相同的。因此應(yīng)變計(jì)的粘貼位置對(duì)所測(cè)應(yīng)變不影響。如圖4- 34所示，工作應(yīng)變片R1、R3沿圓周方向貼在筒壁，溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)R2、R4貼在筒底壁上、并接成全橋線路、這種傳感器適用于測(cè)量較大壓力。圖4-34筒式壓力傳感器對(duì)于薄壁圓筒（壁厚與臂的中面曲率半徑之比1 /20），則有(2 )D12 t(Df Dj)EP(4-31)式中D1 -一圓筒內(nèi)孔直徑；D2 -一圓筒的外壁直徑：E圓筒材料的彈性模量；圓筒材料的泊松系數(shù)。第五節(jié)傳感器前級(jí)信號(hào)處理傳感器所感知、檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和傳遞的信息表現(xiàn)形式為不同的電信號(hào)。傳感器輸出電信號(hào)的參 量形式可分為電壓輸出

47、、電流輸出和頻率輸出。其中以電壓輸出型為最多，在電流輸出和頻率輸 出傳感器當(dāng)中，除了少數(shù)直接利用其電流或頻率輸出信號(hào)外，大多數(shù)是分別配以電流一電壓變換 器或頻率一電壓變換器，從而將它們轉(zhuǎn)換成電壓輸出型傳感器。因此，本節(jié)重點(diǎn)介紹電壓輸出型 傳感器的接口電路和模擬信號(hào)的處理。隨著集成運(yùn)算放大器的性能不斷完善和價(jià)格下降，傳感器的信號(hào)放大越來(lái)越多地采用集成運(yùn) 算放大器。一般運(yùn)算放大器的原理和特點(diǎn)，已在電子技術(shù)課程中介紹，在此不再敘述。這里主要 介紹幾種典型的傳感器信號(hào)放大器。一、測(cè)量放大器在許多檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁 耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大

48、就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲 和高輸入阻抗。習(xí)慣上將具有這種特點(diǎn)的放大器稱為測(cè)量放大器或儀表放大器。圖4- 35為三個(gè)運(yùn)放組成的測(cè)量放大器，差動(dòng)輸入端Vi和V2分別是兩個(gè)運(yùn)算放大器（Ai、A2）的同相輸入端，因此輸入阻抗很高。采用對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測(cè)信號(hào)直接加入到輸入端上，從 而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。A3實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1。測(cè)量放大器的放大倍數(shù)由下式確定：AVV2 V1(4- 32)VoRfRfi Rf 2A 音(1 X)(4-33)這種電路，只要運(yùn)放 Ai和A2性能對(duì)稱(主要輸入阻抗和電壓增益對(duì)稱)，其漂移將大大減 小，具有高輸入阻抗和高

49、共模抑制比，對(duì)微小的差模電壓很敏感，并適用于測(cè)量遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái) 的信號(hào)，因而十分適宜于與微小信號(hào)輸山的傳感器配合使用。Rw是用來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，最好用多圈電位器。如果圖4- 35中左邊兩個(gè)運(yùn)放采用7650，這將是非常優(yōu)質(zhì)的放大。目前，還有很多高性能的專家測(cè)量芯片出現(xiàn)，女口AD521/AD522等也是一種運(yùn)放，它具有比普通運(yùn)放性能優(yōu)良、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。下面我們就具體介紹一下AD522集成測(cè)量放大器特點(diǎn)及應(yīng)用。AD522主要可用于惡劣環(huán)境下要求進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合，由于AD522具有低電壓漂移：2 JV/C;低非線性：0.005%( G= 100);高共模抑制比： 11

50、0Db ( G= 1000);低噪聲： 1.5V ( P-P)( 0.1100Hz);低失調(diào)電壓：100V等特點(diǎn)，因而可用于許多 12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 中。圖4-36為AD522典型接法。圖4-35 測(cè)量放大器原理圖圖4-36 AD522外圍電路AD522的一個(gè)主要特點(diǎn)是沒(méi)有數(shù)據(jù)防護(hù)端，用于提高交流輸入時(shí)的共模抑制比。對(duì)遠(yuǎn)處傳感 器送來(lái)的信號(hào)，通常采用屏蔽電纜傳送到測(cè)量放大器，電纜線上分布參量RC會(huì)使其產(chǎn)生相移,當(dāng)出現(xiàn)交流共模信號(hào)時(shí)，這些相移將使共模抑制比降低。利用數(shù)據(jù)防護(hù)端可以克服上述影響(如 圖4-37)。對(duì)于無(wú)此端子的儀器用放大器，如AD524 , AD624等，可在 RG2端取得共模電壓

51、,再用一運(yùn)放作為它的輸出緩沖屏蔽驅(qū)動(dòng)器。運(yùn)放應(yīng)選用具有很低偏流的場(chǎng)效應(yīng)管運(yùn)放，以減少偏 流流經(jīng)增益電阻時(shí)對(duì)增益產(chǎn)生的誤差。圖4-37 AD522 典型應(yīng)用a二、程控增益放大器經(jīng)過(guò)處理的模擬信號(hào)，在送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理前，必須進(jìn)行量化，即進(jìn)行模擬一數(shù)字變換， 變換后的數(shù)字信號(hào)才能為計(jì)算機(jī)接收和處理。當(dāng)模擬信號(hào)送到模數(shù)變換器時(shí)，為減少轉(zhuǎn)換誤差，一般希望送來(lái)的模擬信號(hào)盡可能大，如采 用A/D變換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，在 A/ D輸入的允許范圍內(nèi)，希望輸入的模擬信號(hào)盡可能達(dá)到最 大值；然而，當(dāng)被測(cè)參量變化范圍較大時(shí)，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬小信號(hào)變化也較大，在這種情 況下，如果單純只使用一個(gè)放大倍數(shù)的放大器，就

52、無(wú)法滿足上述要求；在進(jìn)行小信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，可 能會(huì)引入較大的誤差。為解決這個(gè)問(wèn)題，工程上常采用通過(guò)改變放大器增益的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同 幅度信號(hào)的放大，如萬(wàn)用表、示波器等許多測(cè)量?jī)x器的量程變換等。然而，在計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，往往不希望、有時(shí)也不可能利用手動(dòng)辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益變換， 而希望利用計(jì)算機(jī)采用軟件控制的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)變換，具有這種功能的放大器就叫程控 增益放大器。Ki圖4-38即為一利用改變反饋電阻的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當(dāng)開(kāi)關(guān) 閉合，K2和K3斷開(kāi)時(shí)，放大倍數(shù)為Avf（ 4-34）而當(dāng)K2閉合，而其余兩個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，其放大倍數(shù)為AvfR（ 4-35）選擇不同的開(kāi)關(guān)閉合，

53、即可實(shí)現(xiàn)增益的變換，如果利用軟件對(duì)開(kāi)關(guān)閉合情況進(jìn)行選擇，即可 實(shí)現(xiàn)程控增益變換。利用程控增益放大器與 A/D轉(zhuǎn)換器組合，配合一定的軟件，很容易實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的增益控制或量程變換，間接地提高輸入信號(hào)的分辨率;圖4-39為利用AD521測(cè)量放大器與模擬開(kāi)關(guān)結(jié)合組成的程控增益放大器，通過(guò)改變其外接 電阻R的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益控制。圖4-39 AD521構(gòu)成的程控增益放大器有些測(cè)量放大器，其電路中已將譯碼電路和模擬開(kāi)關(guān)結(jié)合在一起，有的甚至將設(shè)定增益所需 的電阻也集成于同一組件中，為計(jì)算機(jī)控制提供了極為便利的條件。AD524即是常用的一種集成可編程增益控制測(cè)量放大器。圖4-40為AD524結(jié)構(gòu)原理圖，其特點(diǎn)是

54、具有低失調(diào)電壓（50Mv）,低失調(diào)電壓漂移（0.5叮/0），低噪聲（0.3V （p-p）, 0.110Hz），低非線性（0.003%，增益為1時(shí)），高共 模抑制比（120dB，增益為1000時(shí)），增益帶寬為 25MHz，具有輸入保護(hù)等；從其結(jié)構(gòu)圖可知， 對(duì)于1 , 10, 100和1000倍的整數(shù)倍增益，無(wú)需外接電阻即可實(shí)現(xiàn)，在具體使用時(shí)只需一個(gè)模擬 開(kāi)關(guān)來(lái)控制即可達(dá)到目的；對(duì)于其他倍數(shù)的增益控制，也可用一般的改變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)電阻Rs的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，同樣也可用改變反饋電阻與D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)合、甚至改變其參考端電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)程控增益。圖4-40 AD524原理圖三、隔離放大器在有強(qiáng)電或強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，為了防止電網(wǎng)電壓等對(duì)測(cè)量回路的損壞，其信號(hào)輸入通道 采用隔離技術(shù)，能完成