機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)--第三章-傳感檢測(cè)及其接口電路

1、第三章 傳感檢測(cè)及其接口電路第一節(jié) 傳感器一、傳感器定義及分類1、定義：傳感器是將力、溫度、位移、速度等量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元件。2、分類：按輸出信號(hào)分： 二、機(jī)電一體化對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的基本要求精度、靈敏度、分辨率高；線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好；抗干擾能力強(qiáng)；靜、動(dòng)態(tài)特性好。此外，要求體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、便于安裝與維修，耐環(huán)境性能好等。三、傳感器特性：靜態(tài)特性：1、線性度：傳感器實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差 2、靈敏度：輸出變化對(duì)輸入變化的比值 3、遲滯性：在正反行程期間輸入輸出特性曲線不重合程度 4、重復(fù)性：輸入量按同一方向多次測(cè)試時(shí)所得特性曲線的不重合程度動(dòng)態(tài)特性：傳遞函數(shù)、時(shí)間響應(yīng)函數(shù)、頻

2、率響應(yīng)函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)。四、傳感器選用原則 快速、準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟(jì)的獲取信號(hào)1）足夠的量程 2）與測(cè)量或控制系統(tǒng)匹配、轉(zhuǎn)換靈敏度高3）精度適當(dāng)、穩(wěn)定性高4）反應(yīng)速度快、工作可靠5）適用性和適應(yīng)性強(qiáng)6）使用經(jīng)濟(jì)第二節(jié) 位移測(cè)量傳感器一、電容傳感器1. 變極距型電容傳感器 ： 當(dāng)動(dòng)極板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)使減小時(shí)，電容量增大。注意：傳感器輸出特性是非線性的，規(guī)定在較小間隙變化范圍內(nèi)工作。/ 00.1 2. 變面積型電容傳感器 原理：它與變極距型不同的是，被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)，引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容的變化。 這種傳感器的輸出特性呈線性。因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測(cè)量

3、較大直線位移和角位移。 3變介質(zhì)型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)如圖。圖中兩平行極板固定不動(dòng)，極距不變，相對(duì)介電常數(shù)不同的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變電容。應(yīng)用：這種電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可以用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體的物質(zhì)的濕度。二、電感式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化的裝置。變換原理：電磁感應(yīng)原理。按變換方式的不同分為自感型（可變磁阻式與渦流式)與互感型(差動(dòng)變壓器）。1、自感型（一）可變磁阻式 1線圈 2鐵心 3銜鐵 由此可見(jiàn)：只要改變空氣隙厚度或改變氣隙截面積，即可改變線圈的電感量。注意：改變空氣隙厚度傳感器輸出特性是非線性的，

4、規(guī)定在較小間隙變化范圍內(nèi)工作。（二）渦流式原理：金屬板在交變磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。金屬板置于一線圈附近，相互間距為。當(dāng)線圈中有高頻交流電流通過(guò)時(shí)，便產(chǎn)生磁通。此交變磁通通過(guò)相鄰近的金屬板，金屬板上便產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。影響因素：線圈與金屬板間距離；金屬板的電阻率；磁導(dǎo)率；線圈激磁園頻率等。 變化線圈與金屬板間距離，可作為位移、振動(dòng)測(cè)量。變化金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率，可作為材質(zhì)鑒別或探傷等。應(yīng)用：可用于動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量。用作渦流式位移計(jì)、振動(dòng)測(cè)量?jī)x、無(wú)損探傷儀、測(cè)厚儀等。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，不受油污等介質(zhì)的影響。2、互感型：差動(dòng)變壓器式 原理：將被測(cè)位移轉(zhuǎn)換成線圈

5、互感變化。注意：1、輸出交流電壓、幅值與鐵心位移成正比。只反映鐵心位移大小，不反映移動(dòng)極性。 2、零點(diǎn)殘余電壓。原因：兩次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱；初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等形成。鐵心處在中間位置時(shí)，輸出不為零。解決辦法：后接電路。應(yīng)用：位移測(cè)量?jī)x。三、光柵 光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，它的特點(diǎn)是測(cè)量精確度高、響應(yīng)速度快和量程范圍大等。1、光柵的構(gòu)造：2、工作原理： 把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，稱為莫爾條絞。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列。3、光柵的莫爾條紋有如下特點(diǎn)：（1）

6、起放大作用。（2）莫爾條紋的移動(dòng)與柵距成正比。 主光柵和被測(cè)物體相連，他隨被測(cè)物體的直線位移而產(chǎn)生位移。當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時(shí)，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生上、下位移，若用光電器件記錄下莫爾條紋通過(guò)某點(diǎn)的數(shù)目，便可知主光柵移動(dòng)的位移，也就測(cè)得了被測(cè)物體的位移量。1.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)四、感應(yīng)同步器sincos節(jié)距2（2mm）節(jié)距（0.5mm）滑尺定尺 測(cè)量方法 根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式的不同，感應(yīng)同步器的測(cè)量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。二、感應(yīng)同步器(1) 鑒相式 根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位來(lái)檢測(cè)位移量，在滑尺的正弦繞組上分別輸入頻率、振幅相同但相位差90。的勵(lì)磁電壓。UA=UMsin

7、tUB=UMcosteA=KUAcoseB=KUBsine=eA+eB=KUAcos KUBsin = KUMsint cos K UMcost sin = KUMsin(t )：滑尺、定尺相對(duì)位移的折算角=(L/ W)360L= (/360) W W繞組的節(jié)距。2鑒幅式 根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的振幅變化來(lái)鑒別位移量。在滑尺的正弦繞組和余弦繞組上分別輸入相同頻率和相位，振幅不同的交流電壓，即UA=UMsin1sintUB=UMcos1sinteA=KUAcoseB=KUBsine=eA+eB=KUAcos KUBsin = KUMsint sin1 cos K UMsint cos1sin = KUM

8、sintsin (1 )位移與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值KUMsin (1 )聯(lián)系起來(lái)第三節(jié) 速度、加速度傳感器一、直流測(cè)速機(jī): 直流測(cè)速機(jī)是一種測(cè)速元件，實(shí)際上它就是臺(tái)微型的直流發(fā)電機(jī)。直流測(cè)速機(jī)的持點(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。 測(cè)速機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖所示為永磁式測(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)。 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，為提高檢測(cè)靈敏度、盡量把它連接到電機(jī)軸上，有的電機(jī)本身就已安裝了測(cè)速機(jī)。二、

9、光電式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測(cè)軸(或與被測(cè)軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件及指示縫隙盤組成，如圖3-25所示。光源發(fā)出的光通過(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，光電器件輸出與指示縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測(cè)量時(shí)間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，可測(cè)出轉(zhuǎn)速為 n=60N/ZtZ一一圓盤 上的縫隙數(shù)；n轉(zhuǎn)速(rmin)；t測(cè)量時(shí)間(s)。第四節(jié) 位置傳感器 位置傳感器和位移傳感器不一樣，它所測(cè)量的不是一段距離的變化量，而是通過(guò)檢測(cè)，確定是否已到某一位置。因此、它只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量就

10、可以了。 位置傳感器分接觸式和接近式兩種。所謂接觸式傳感器就是能獲取兩個(gè)物體是否己接觸的信息的一種傳感器；而接近式傳感器是用來(lái)判別在某一范圍內(nèi)是否有某物體的一種傳感器。一、接觸式位置傳感器 這類傳感器用微動(dòng)開(kāi)關(guān)之類的觸點(diǎn)器件便可構(gòu)成。二、接近式位置傳感器 接近式位置傳感器按其上作原理主要分：電磁式；光電式；靜電容式；氣壓式；超聲波式。其基本工作原理可用圖338表示出來(lái)。接近傳感器的應(yīng)用 接近傳感器在工業(yè)自動(dòng)化控制、航天、航海技術(shù)、日常生活中都有廣泛的應(yīng)用。 在安全防盜方面，如資料、財(cái)會(huì)、倉(cāng)庫(kù)、博物館、金庫(kù)等重要場(chǎng)合也都裝有各式各樣的接近傳感器。 在一般工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制中大都采用渦流式或電容式接

11、近傳感器。在環(huán)境比較好的場(chǎng)合，可采用光電式接近傳感器。 而在防盜系統(tǒng)中，大都使用紅外熱釋電接近傳感器、超聲波接近傳感器和微波接近傳感器。 有時(shí)為了提高識(shí)別的可靠性，幾種接近傳感器可以復(fù)合使用。圖325是生產(chǎn)線工件計(jì)數(shù)裝置的示意圖。接近傳感器設(shè)置在工件傳送帶的一側(cè)，當(dāng)傳送帶運(yùn)行時(shí)，一個(gè)個(gè)工件經(jīng)過(guò)接近傳感器，當(dāng)工件靠近接近傳感器時(shí)，傳感器輸出脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)，該信號(hào)可直接送往計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。第五節(jié) 傳感器前期信號(hào)處理一、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

12、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。V1V2VV測(cè)量放大器放大倍數(shù)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AD變換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，在AD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。 選擇不同的開(kāi)關(guān)閉合，即可實(shí)現(xiàn)增益的變換。 如果利用軟件對(duì)開(kāi)關(guān)閉合進(jìn)行選擇，即可實(shí)現(xiàn)程控增益變換。圖為利用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RG的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益控制。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)，能完成這種任務(wù)，具有這種功能的放大器稱為隔離放大器。第六節(jié) 傳感器接口技術(shù) 采樣保持電路在A/D轉(zhuǎn)換之前，是為A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間，保持輸入信號(hào)不變而設(shè)