第4章 機(jī)電控制系統(tǒng)中傳感器技術(shù)

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第4章傳感器技術(shù)4-4傳感器的分類(lèi)及特性4-5生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性4-1位移傳感器4-2速度傳感器4-3加速度傳感器4-6力、壓力和扭矩傳感器4-7位置傳感器4.1傳感器的分類(lèi)及特性一、機(jī)械量傳感器分類(lèi)傳感器通常是非電物理量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的器件或裝置。第4章傳感器技術(shù)按被測(cè)物理量分為：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感、力傳感器、溫度傳感器等。溫度傳感器壓力傳感器扭矩傳感器角位移傳感器位移傳感器第4章傳感器技術(shù)按傳感器工作的物理原理分為：電阻式、電感式、電容式、光電式等等。壓電式加速度傳感器激光位移傳感器光纖式位移傳感器超聲波位移傳感器傳感器電感式位移傳感器第4章傳感器技術(shù)二、傳感器的特性1、靜態(tài)響應(yīng)特性當(dāng)被測(cè)量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸出－輸入特性。包括：非線性度、遲滯、靈敏度、精度、分辨力、測(cè)量范圍、死區(qū)。非線性度遲滯靈敏度第4章傳感器技術(shù)2、動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性反映了被測(cè)量快速變化的性能，可以利用系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)來(lái)描述。調(diào)整時(shí)間峰值時(shí)間最大超調(diào)量振蕩次數(shù)延遲時(shí)間上升時(shí)間1）時(shí)域指標(biāo)第4章傳感器技術(shù)2）頻域指標(biāo)可以用幅頻特性和相頻特性描述第4章傳感器技術(shù)二階系統(tǒng)的脈沖輸入和響應(yīng)

二階系統(tǒng)的階躍輸入和響應(yīng)

兩種典型的輸入響應(yīng)：第4章傳感器技術(shù)5.2位移傳感器一、電感式位移傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電感量的變化。1、自感型電感式傳感器

可變磁阻式電感傳感器、電渦流式傳感器2、互感型電感傳感器

第4章傳感器技術(shù)自感L可表示為：靈敏度：1）可變磁阻式電感傳感器1、自感型電感式傳感器

第4章傳感器技術(shù)如果將δ固定，變化空氣隙導(dǎo)磁截面積S0時(shí)，自感L與S0呈線性關(guān)系可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)：可變導(dǎo)磁面積型、差動(dòng)型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動(dòng)型。雙螺管線圈差動(dòng)型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測(cè)微計(jì)上，其測(cè)量范圍為0～300μm，最小分辨力為0.5μm。第4章傳感器技術(shù)2）電渦流式電感傳感器高頻反射式渦流傳感器：高頻(>1MHz)激勵(lì)電流，產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于金屬板的表面，在金屬板表面將形成渦電流。若只改變距離δ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。第4章傳感器技術(shù)低頻透射式渦流傳感器：發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別置于被測(cè)金屬板材料G的上、下方。當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1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ω2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，且e2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少。第4章傳感器技術(shù)差動(dòng)變壓器式電感傳感器：傳感器由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三部分組成。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)e1和e2。傳感器的輸出電壓為兩者之差，即ey=e1-e2。ev的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。當(dāng)活動(dòng)銜鐵位置居中時(shí)，e1=e2，ey=0；當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，即e1>e2，ey>0;當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移時(shí)，e1<e2，ey<0?；顒?dòng)銜鐵的位置往復(fù)變化，其輸出電壓也隨之變化。2、互感型電感傳感器第4章傳感器技術(shù)二、電容式位移傳感器電容式傳感器是將被測(cè)物理量的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再通過(guò)配套的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

式中：ε0——真空的介電常數(shù)；

s——極板的遮蓋面積；ε——極板間相對(duì)介電系數(shù)；δ——兩平行極板間的距離。第4章傳感器技術(shù)1、極距變化型電容式傳感器如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，當(dāng)兩極板在被測(cè)參數(shù)作用下發(fā)生位移，引起電容量的變化為：傳感器的靈敏度為：第4章傳感器技術(shù)2、面積變化型電容式傳感器動(dòng)板與定板之間相互覆蓋的面積引起電容量變化。當(dāng)覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為a、極板半徑為r時(shí)，覆蓋面積為：電容量為：其靈敏度為：第4章傳感器技術(shù)3、介質(zhì)變化型電容式傳感器的變換原理這種傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量(圖d)等。第4章傳感器技術(shù)4、電容式傳感器的測(cè)量電路

電容傳感器為電橋的一部分。由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，再推動(dòng)顯示、記錄儀器。1）電橋電路第4章傳感器技術(shù)電容傳感器的電容作為諧振回路調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過(guò)電感藕合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時(shí)，諧振回路的阻抗將發(fā)生相應(yīng)的變化，而這個(gè)變化被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過(guò)放大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。2）諧振電路第4章傳感器技術(shù)3）運(yùn)算放大器電路前面已經(jīng)敘述到，變極距型電容式傳感器的極距變化與電容變化量成非線性關(guān)系。這一缺點(diǎn)使電容式傳感器的應(yīng)用受到了一定的限制。采用比例運(yùn)算放大器電路，可以使輸出電壓約與位移的關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系。如圖所示，反饋回路中的Cx為極距變化型電容式傳感器的輸入電路，采用固定電容C0，u0為穩(wěn)定的工作電壓。由于放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運(yùn)算關(guān)系為第4章傳感器技術(shù)三、光柵數(shù)字傳感器

1、工作原理光柵是在透明的玻璃上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地刻化出許多間隔相等的條紋，通常線條和間隙和寬度是相等的。測(cè)量裝置中由標(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。第4章傳感器技術(shù)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(chēng)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。第4章傳感器技術(shù)2、測(cè)量系統(tǒng)光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋明暗信號(hào)可用光電元件接受，如圖中的是四塊光電池，光電池產(chǎn)生的信號(hào)，相位彼此差90o，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，即可變成光柵位移量的測(cè)量脈沖。第4章傳感器技術(shù)四、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來(lái)測(cè)量位移的高精度檢測(cè)元件，有直線式和圓盤(pán)式兩類(lèi)。當(dāng)給滑尺的正余弦繞組同時(shí)加勵(lì)磁電壓，則在定尺上感應(yīng)的總電動(dòng)勢(shì)為：第4章傳感器技術(shù)五、光電編碼器這種碼盤(pán)有兩個(gè)通道與B（即兩組透光和不透光部分），其相位差90°，相對(duì)于一定的轉(zhuǎn)角得到一定的脈沖，將脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器。則計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就反映了碼盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。第4章傳感器技術(shù)5.3速度傳感器一、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)用于自動(dòng)控制中測(cè)量轉(zhuǎn)速或速度負(fù)反饋校正元件。分為永磁式和電磁式，常用的是永磁式。測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓：第4章傳感器技術(shù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性：第4章傳感器技術(shù)二、碼盤(pán)式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)感器第4章傳感器技術(shù)5.4加速度傳感器

一、電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式加速度計(jì)原理結(jié)構(gòu)如圖所示。它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時(shí)，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測(cè)出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可算出被測(cè)加速度。第4章傳感器技術(shù)二、壓電式將傳感器固定在被測(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。第4章傳感器技術(shù)5.5、力、壓力和扭矩傳感器

一、工作原理首先由彈性元件將力、力矩、壓力等被測(cè)量轉(zhuǎn)換成位移或應(yīng)變，然后再通過(guò)轉(zhuǎn)換元件將相應(yīng)的位移或應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。第4章傳感器技術(shù)二、彈性元件

第4章傳感器技術(shù)應(yīng)變式力傳感器的測(cè)量范圍很大，可以從5N～10MN以上，測(cè)量精度可以達(dá)到0.03%～2%。鉸鏈彎曲式彈性元件梁式彈性元件受徑向載荷第4章傳感器技術(shù)5.6位置傳感器一、分類(lèi)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。位置傳感器分