《機(jī)電一體化技術(shù) 》課件-第4章

4.1概述4.2位移檢測(cè)4.3速度、加速度檢測(cè)4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測(cè)4.5傳動(dòng)器前級(jí)信號(hào)處理4.6傳動(dòng)器接口技術(shù)4.7傳感器非線(xiàn)性補(bǔ)償處理思考題檢測(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)。在機(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。4.1概述由于機(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)殡娏浚俳?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)物理量的檢測(cè)方法、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。4.1.1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)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(chēng)為一次儀表。

(2)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(chēng)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)形式如圖4-1所示。圖4-1非電量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式4.1.2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)輸出的。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，這些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。

(1)敏感元件：是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的物理量的預(yù)變換裝置，其輸入、輸出間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系(最好為線(xiàn)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：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，將位移轉(zhuǎn)換為電感或電容變化等的傳感元件。圖4-2傳感器的組成框圖(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)換元件不止一個(gè)，要經(jīng)過(guò)若干次轉(zhuǎn)換才能輸出電量。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)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸入/輸出關(guān)系稱(chēng)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(xiàn)性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨

率和零漂。圖4-3傳感器的線(xiàn)性度示意圖

(1)線(xiàn)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，得到的輸入/輸出特性(列表或畫(huà)曲線(xiàn))。通常希望這個(gè)特性(曲線(xiàn))為線(xiàn)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(xiàn)性，與理論直線(xiàn)有偏差，如圖4-3所示。實(shí)際曲線(xiàn)與其兩個(gè)端尖連線(xiàn)(稱(chēng)理論直線(xiàn))之間的偏差稱(chēng)為傳感器的非線(xiàn)性誤差。取其中最大值與輸出滿(mǎn)度值之比作為評(píng)價(jià)線(xiàn)性度(或非線(xiàn)性誤差)的指標(biāo)。

線(xiàn)性度可用下式計(jì)算：

γL=±

×100%

(4-1)

式中：

γL——線(xiàn)性度(非線(xiàn)性誤差)；

Δmax——最大非線(xiàn)性絕對(duì)誤差；

yFS——輸出滿(mǎn)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(chēng)為靈敏度，用S0表示，即

S0=

(4-2)對(duì)于線(xiàn)性傳感器來(lái)說(shuō)，它的靈敏度S0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(xiàn)的不重合程度稱(chēng)為遲滯，遲滯誤差一般以滿(mǎn)量程輸出yFS的百分?jǐn)?shù)表示：

γH=

×100%或γH=±

×100%

(4-3)式中:

ΔHm——輸出值在正、反行程間的最大差值。

遲滯特性一般由實(shí)驗(yàn)方法確定，如圖4-4所示。圖4-4遲滯特性

圖4-5重復(fù)特性

(4)重復(fù)特性。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)，所得的輸出/輸入曲線(xiàn)不一致的程度，稱(chēng)為重復(fù)特性，如圖4-5所示。重復(fù)特

性誤差用滿(mǎn)量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即

γR=±

×100%

(4-4)式中：

ΔRm——最大重復(fù)性誤差。

重復(fù)特性也由實(shí)驗(yàn)方法確定，常用絕對(duì)誤差表示，如圖4-5所示。

(5)分辨力。傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量稱(chēng)為分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱(chēng)為閾值。分辨力與滿(mǎn)度輸入比的百分?jǐn)?shù)表示稱(chēng)為分辨率。

(6)漂移。由于傳感器內(nèi)部因素或在外界干擾的情況下，傳感器的輸出發(fā)生的變化稱(chēng)為漂移。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時(shí)的漂移稱(chēng)為零點(diǎn)漂移。在其他因素不變的情況下，輸出隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生的漂移稱(chēng)為時(shí)間漂移；隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱(chēng)為溫度漂移。

(7)精度。精度表示測(cè)量結(jié)果和被測(cè)的“真值”的靠近程度。精度一般用校驗(yàn)或標(biāo)定的方法來(lái)確定，此時(shí)“真值”則靠其他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和5。精度等級(jí)(S)的確定方法是：算出絕對(duì)誤差與輸出滿(mǎn)量程之比的百分?jǐn)?shù)，與該值靠近但比其低的國(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)量的時(shí)間變換規(guī)律，即被測(cè)量的波形。傳感器測(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)，因此會(huì)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)。4.1.3信號(hào)傳輸與處理電路

傳感器的輸出信號(hào)一般比較微弱(mV、μV級(jí))，有時(shí)夾雜其他信號(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，并采取一定的措施。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，如是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，是電壓還是電流。

(2)傳感器輸出電路形式，是單端輸出還是差動(dòng)輸出。(3)傳感器電路的輸出能力，是電壓還是功率，輸出阻抗的大小如何等。

(4)傳感器的特性，如線(xiàn)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(zhuān)用處理電路)，這就大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和維修人員的技術(shù)難度。例如：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(zhuān)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)。位移測(cè)量是線(xiàn)位移測(cè)量和角位移測(cè)量的總稱(chēng)，位移測(cè)量在機(jī)電一體化制造系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛，這不僅因?yàn)樵诟鞣N機(jī)械加工中對(duì)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)都可以借助于測(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。4.2位移檢測(cè)微位移檢測(cè)傳感器包括：應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器及電感傳感器。

一般的位移傳感器主要有：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(pán)等。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼盤(pán)只能測(cè)試角位移，其他幾種傳感器既有直線(xiàn)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。模擬式傳感器的輸出是以幅值形式表示輸入位移的大小的，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的，如光柵傳感器、磁柵傳感器、感應(yīng)同步器等。光電編碼盤(pán)的輸出以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和數(shù)字式傳感器的原理。4.2.1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，因此這里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(chēng)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，它主要由線(xiàn)圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵組成。

在鐵心和活動(dòng)銜鐵之間保持一定的空氣隙δ，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δ發(fā)生變化，引起磁阻變化，從而使線(xiàn)圈的電感值發(fā)生變化。圖4-6可變磁阻式電感傳感器當(dāng)線(xiàn)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=

(4-5)

式中：

W——線(xiàn)圈匝數(shù)；

Rm——總磁阻。

如果空氣隙δ較小，而且不考慮磁路的損失，則總磁阻為

Rm=

(4-6)式中:

L——鐵心導(dǎo)磁長(zhǎng)度(m)；

μ——鐵心導(dǎo)磁率(H/m)；

A——鐵心導(dǎo)磁截面積(m2),

A=a×b;

δ——空氣隙(m),δ=δ0+Δδ;

μ0——空氣磁導(dǎo)率(H／m)，μ0=2π×10-7;

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，因此計(jì)算時(shí)鐵心的磁阻可以忽略不計(jì)，故

R≈

(4-7)將式(4-7)代入式(4-5)，得

L=

(4-8)

式(4-8)表明，自感L與空氣隙δ的大小成反比，與空氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。當(dāng)A0固定不變而改變?chǔ)臅r(shí)，L與δ成非線(xiàn)性關(guān)系，此時(shí)傳感器的靈敏度為

S=

=-

(4-9)圖4-7可變磁阻差動(dòng)式傳感器由式(4-9)可知，傳感器的靈敏度與空氣隙δ的平方成反比，δ愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線(xiàn)性誤差，同變極距型電容式傳感器類(lèi)似。為了減小非線(xiàn)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Δδ/δ0≤0.1。

這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般為0.001～1mm。此外，這類(lèi)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(xiàn)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)，兩線(xiàn)圈的自感L相等，輸出為零。當(dāng)銜鐵有位移Δδ時(shí)，兩個(gè)線(xiàn)圈的間隙為δ0+Δδ,δ0-Δδ，這表明一個(gè)線(xiàn)圈的自感增加，而另一個(gè)線(xiàn)圈的自感減小。將這兩個(gè)線(xiàn)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(xiàn)性特性，消除了外界干擾。可變磁阻式傳感器還可做成如圖4-8所示的可變磁阻面積的形式，當(dāng)固定δ，改變空氣隙導(dǎo)磁截面積A0時(shí)，自感L與

A0呈線(xiàn)性關(guān)系。

如圖4-9所示，在可變磁阻螺管線(xiàn)圈中插入一個(gè)活動(dòng)銜鐵，當(dāng)活動(dòng)銜鐵在線(xiàn)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，但是其靈敏度較

低，適合于測(cè)量比較大的位移量。圖4-8可變磁阻面積型電感傳感器圖4-9可變磁阻螺管型傳感器

2.渦流式傳感器

渦流式傳感器的變換原理，是金屬導(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(xiàn)圈的附近，它們之間相互的間距為δ。當(dāng)線(xiàn)圈輸入一交變電流i0時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量Φ。金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i。這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱(chēng)之為“渦電流”或“渦流”。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度h、金屬板與線(xiàn)圈的距離δ、激勵(lì)電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。若改變其中的某一參數(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。如圖4-10所示，高頻(>1MHz)激勵(lì)電流i0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(xiàn)圈，引起線(xiàn)圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離δ、金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵(lì)電流i及角頻率ω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(xiàn)圈自感的變化，然后通過(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4-10高頻反射式渦流傳感器圖4-11低頻透射式渦流傳感器(a)原理圖；(b)曲線(xiàn)圖

(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(xiàn)圈W1和接收線(xiàn)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)集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓u1加到線(xiàn)圈W1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線(xiàn)的一部分透過(guò)金屬板材料G，使線(xiàn)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)量的變化的。這種傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)輸出電壓的變壓器。當(dāng)變壓器初級(jí)線(xiàn)圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級(jí)線(xiàn)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，以螺管型應(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(xiàn)圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵三個(gè)部分組成。線(xiàn)圈包括一個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈和兩個(gè)反接的次級(jí)線(xiàn)圈，當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級(jí)線(xiàn)圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和e2。由于兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈極性反接，因此傳感器的輸出電壓為兩者之差，即ey=e1-e2?；顒?dòng)銜鐵能改變線(xiàn)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)，e1=e2，ey=0；當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，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ey也隨之變化。其輸出特性如圖4-12(c)所示。圖4-12差動(dòng)變壓器式電感傳感器(a)、(b)工作原理;(c)輸出特性值得注意的是：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(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，以及初級(jí)線(xiàn)圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線(xiàn)圈間分布電容等原因所形成的，所以，即使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(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?。划?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。圖4-13差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理圖4-14螺旋差動(dòng)型傳感器的結(jié)構(gòu)圖差動(dòng)變壓器式傳感器具有精度高(達(dá)0.1μm量級(jí))，線(xiàn)圈變化范圍大(可擴(kuò)大到±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(xiàn)位移及其他壓力、振動(dòng)等參量的測(cè)量。圖4-14是電感測(cè)微儀所用的螺旋差動(dòng)型位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖。

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。4.2.2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(xiàn)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，有圓光柵和直線(xiàn)光柵兩種。它的特點(diǎn)是測(cè)量精度高(可達(dá)±1μm)、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4-15所示。

光柵條紋密度一般為每毫米25，50，100，250條等。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(xiàn)相互傾斜一個(gè)很小的角度θ，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的，如圖4-16所示。圖4-15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W表示條紋寬度，P表示柵距，θ表示光柵條紋間的夾角，則有

W≈

(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1000倍，因而大大減輕了電子線(xiàn)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(xiàn)條刻制在透明的光學(xué)玻璃上，反射光柵的線(xiàn)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)可以用光電元件接收。圖4-17中的a、b、c、d是四塊光電池，產(chǎn)生的信號(hào)的相位彼此差90°，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。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，有直線(xiàn)和圓盤(pán)式兩種，分別用作檢測(cè)直線(xiàn)位移和轉(zhuǎn)角。圖4-18感應(yīng)同步器原理圖直線(xiàn)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?；咴谕ㄓ须娏鞯亩ǔ弑砻嫦鄬?duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。

圓盤(pán)式感應(yīng)同步器如圖4-19所示，其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線(xiàn)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。圖4-19圓盤(pán)式感應(yīng)同步器(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的不同，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90°的激磁電壓，即uA=Umsinωt，uB=Umcosωt時(shí)，則定尺上的繞組由于電磁感應(yīng)作用將產(chǎn)生與激磁電壓同頻率的交變感應(yīng)電勢(shì)。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。圖4-20滑尺繞組位置與定尺感應(yīng)電勢(shì)幅值的變化關(guān)系如果只對(duì)余弦繞組A加交流激磁電壓uA，則繞組A中有電流通過(guò)，因而在繞組A周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)(在圖中1位置)，定

尺和滑尺繞組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3，4，5位置?？梢钥闯觯咴诙ǔ呱厦炕瑒?dòng)一個(gè)節(jié)距，定尺繞組感應(yīng)電勢(shì)就變化了一個(gè)周期，即

eA=KuAcosθ

(4-11)式中:

K——滑尺和定尺的電磁耦合系數(shù)；

θ——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l，則

θ=

360°

(4-12)

同樣，當(dāng)僅對(duì)正弦繞組B施加交流激磁電壓UB時(shí)，定尺繞組感應(yīng)電勢(shì)為

eB=-KuBsinθ(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=eA+eB=KuAcosθ-KuBsinθ

=KUmsinωtcosω-KUmcosωtsinω

=KUmsin(ωt-θ)(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θ的變化。因此，只要測(cè)得相角θ，就可以知道滑尺的相對(duì)位移l：

l=(4-15)(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uA和uB。

uA=Umsinθ

1sinωt(4-16)

uB=Umcosθ1sinωt(4-17)式中：θ1——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θ，則定尺繞組上的感應(yīng)電勢(shì)為

e=KuAcosθ-KuBsinθ=KUm(sinθ1cosθ-cosθ1sinθ)sinωt

=KUmsin(θ1-θ)sinωt(4-18)

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θ的變化。因此，只要測(cè)得相角θ，就可以知道滑尺的相對(duì)位移l：

l=

(4-15)

上式把感應(yīng)同步器的位移與感應(yīng)電勢(shì)幅值KUmsin(θ1-θ)聯(lián)系起來(lái)了，當(dāng)θ1=θ時(shí)，e＝0。這就是鑒幅測(cè)量方式的基本原理。對(duì)速度、加速度的測(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。下面介紹幾種典型的測(cè)試方法。4.3速度、加速度檢測(cè)4.3.1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(pán)電樞等。近年來(lái)，又出現(xiàn)了永磁式直線(xiàn)測(cè)速機(jī)。

現(xiàn)在常用的為永磁式測(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)的原理圖。

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)的原理圖圖4-22直流測(cè)速機(jī)的輸出特性直流測(cè)速機(jī)的輸出特性曲線(xiàn)如圖4-22所示。從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載電阻RL→∞時(shí),其輸出電壓U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，而且輸出電壓與

轉(zhuǎn)速之間并不能?chē)?yán)格保持線(xiàn)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(xiàn)性好，但由于有電刷和換向器，因此其構(gòu)造和維護(hù)都比較復(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，應(yīng)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)。4.3.2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(pán)、光源、光電器件和指示縫隙盤(pán)組成，如圖4-23所示。光源發(fā)生的光通過(guò)

縫隙圓盤(pán)和指示縫隙照射到光電器件上。當(dāng)縫隙圓盤(pán)隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于圓盤(pán)上的縫隙間距與指示縫隙的間距相同，因此圓盤(pán)每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤(pán)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

n=

(4-19)式中：

Z——圓盤(pán)上的縫隙數(shù)；

n——轉(zhuǎn)速(r／min)；

t——測(cè)量時(shí)間(s)。

一般取Zt=60×10m(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，就可辨別出圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向。圖4-23光電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖4.3.3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4-24所示，它通過(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)式傳感器借助了彈性元件在慣性力的作用下產(chǎn)生的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。圖4-24應(yīng)變式加速度傳感器

1.壓電效應(yīng)及壓電材料

當(dāng)某些材料在某一方向被施加壓力或拉力時(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(chēng)為壓電效應(yīng)。

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)時(shí)，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4-25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4-25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，其他方向都不會(huì)產(chǎn)生電荷。

2.壓電傳感器的結(jié)構(gòu)及特性

壓電傳感器以電荷或兩極間的電勢(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時(shí)，傳感器就會(huì)輸出交變的電勢(shì)，該信號(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4-26所示)。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)量變化較慢的信號(hào)，并以電荷作為輸出測(cè)量參數(shù)。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。圖4-26壓電傳感器的并聯(lián)、串聯(lián)示意圖(a)并聯(lián)；(b)串聯(lián)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)榈妥杩馆敵觥．?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，壓電傳感器的應(yīng)用相當(dāng)普遍，且生產(chǎn)廠(chǎng)家都專(zhuān)門(mén)配備有傳感器處理電路。圖4-27壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)

3.壓電傳感器的應(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)試傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-27所示。圖中1是質(zhì)量塊，當(dāng)加速運(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。該壓電傳感器由兩

片壓電材料切片組成，下面一片的輸出引線(xiàn)通過(guò)殼體與電極平面相連。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。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)，各種高精度力、壓力和扭矩傳感器的出現(xiàn)，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。

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測(cè)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)。4.4.1力、力矩檢測(cè)

測(cè)力、力矩傳感器按其量程大小和測(cè)量精度的不同而有很多規(guī)格，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?chǔ)臠為

εL=

(4-20)用電阻應(yīng)變儀測(cè)出的指示應(yīng)變?yōu)?/p>

ε=2(1+μ)εL

(4-21)式中：

p——作用于彈性元件上的載荷；

E——圓筒材料的彈性模量；

μ——圓筒材料的泊松系數(shù)；

A——筒體截面積，A=π(D1-D2)+2／4。其中，D1為筒體外徑，D2為筒體內(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。

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。圖4-29懸臂梁式測(cè)力傳感器示意圖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)?/p>

ε=

(4-22)電橋輸出為

USC=KεU0

(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)。圖4-30兩端固定式測(cè)力傳感器示意圖

(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)變片粘貼組成橋的形式如圖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

ε=

(4-24)

它的電橋輸出與式(4-23)相同。

(3)梁式剪切彈性元件。

這種彈性元件的結(jié)構(gòu)與普通梁式彈性元件的結(jié)構(gòu)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。因此它適用于同時(shí)測(cè)量拉力和壓力的傳感器。此外，與梁式彈性元件相比，它的線(xiàn)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梁式剪切型測(cè)力傳感器示意圖應(yīng)變片一般粘貼在矩形截面梁中間盲孔的兩側(cè)，與梁的中心軸成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

ε=

(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(xiàn)成45°的應(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MT的關(guān)系如下式：

MT=2GWT(4-26)式中：G=E/2(1+μ)為剪切彈性量；WT為抗扭截面模量，實(shí)心圓軸的WT=πD+3/16，空心圓軸的WT=πD+3(1-α+4)/16，α=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連就能測(cè)量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，使用非常方便。

4.4.2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)變后再進(jìn)行測(cè)量。流體的壓強(qiáng)測(cè)試范圍一般為104～107Pa

。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(chēng)平膜板或膜片。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)變的量值最大，且符號(hào)相反，所以接成全橋線(xiàn)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?chǔ)舝和切向應(yīng)變?chǔ)舤與被測(cè)力p之間的關(guān)系為

εr=

·(1-μ2)(r2-3x2)

(4-27)

εt=

·(1-μ2)(r2-3x2)

(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；

μ——膜片材料的泊松比。為保證膜式傳感器的線(xiàn)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上，溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)R2、R4貼在筒底壁上，并接成全橋線(xiàn)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)，筒壁上工作應(yīng)變計(jì)處的切向應(yīng)變與被測(cè)壓力p的關(guān)系，可用下式求得：

εt=

·p

(4-30)對(duì)于厚壁圓筒(壁厚與中面曲率半徑之比大于1／20)，則有

εt=

·p

(4-31)式中：

D1——圓筒內(nèi)孔直徑；

D2——圓筒的外壁直徑；

E——圓筒材料的彈性模量；

μ——圓筒材料的泊松系數(shù)。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、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-電壓變換器或頻率-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。4.5傳感器前級(jí)信號(hào)處理隨著集成運(yùn)算放大器性能的不斷完善和價(jià)格的下降，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)課程中介紹了，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。4.5.1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、低噪聲和高輸入阻抗。習(xí)慣上將具有這種特點(diǎn)的放大器稱(chēng)為測(cè)量放大器或儀表放大器。圖4-35測(cè)量放大器原理圖圖4-35為三個(gè)運(yùn)放組成的測(cè)量放大器，差動(dòng)輸入端U1和U2分別是兩個(gè)運(yùn)算放大器(A1、A2)的同相輸入端，因此輸入阻抗很高。采用對(duì)稱(chēng)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：

AU=

(4-32)或AU=

(4-33)

這種電路，只要運(yùn)放A1和A2性能對(duì)稱(chēng)(主要輸入阻抗和電壓增益對(duì)稱(chēng))，其漂移將大大減小，并具有高輸入阻抗和高共模抑制比，對(duì)微小的差模電壓很敏感，適用于測(cè)量遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，因而十分適宜于與具有微小信號(hào)輸出的傳感器配合使用。

RW是用來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，最好是多圈電位器。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(zhuān)家測(cè)量芯片出現(xiàn)，如AD521/AD522等也是一種運(yùn)放，它們具有比普通運(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)量放大器的特點(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(2μV/℃)、低非線(xiàn)性(0.005％，增益為100時(shí))、高共模抑制比(>110dB，增益為10

00時(shí))、低噪聲(1.5V(P-P)，0.1～100Hz)、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的典型接法。圖4-36AD522的外圍電路

AD522的一個(gè)主要特點(diǎn)是設(shè)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(xiàn)上的分布參量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所示)。對(duì)于無(wú)此端子的儀器用放大器，如AD524、AD624等，

可在RG2(如圖4-40所示)端取得共模電壓，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)選用具有較低偏流的場(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4-37AD522的典型應(yīng)用4.5.2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/數(shù)字變換，變換后的數(shù)字信號(hào)才能被計(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，就無(wú)法滿(mǎn)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。圖4-38程控增益放大器原理圖圖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)S1閉合，S2和S3斷開(kāi)時(shí)，放大倍數(shù)為

Avf=-

(4-34)

而當(dāng)S2閉合，而其余兩個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，其放大倍數(shù)為

Avf=-

(4-35)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的辦法可實(shí)現(xiàn)增益控制。圖4-39由AD521和模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成的程控增益放大器有些測(cè)量放大器的電路中已將譯碼電路和模擬開(kāi)關(guān)結(jié)合在一起了，有的甚至將設(shè)定增益所需的電阻也集成于同一組件中，這就為計(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的結(jié)構(gòu)原理圖，其特點(diǎn)是具有低失調(diào)電壓(50mV)，低失調(diào)電壓漂移(0.5μV/℃)，低噪聲(0.3μV(P-P)，0.1～10Hz)，低非線(xiàn)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，在具體使用時(shí)只需一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的控制即可達(dá)到目的；對(duì)于其他倍數(shù)的增益控制，也可用外接增益

調(diào)節(jié)電阻的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，同樣也可用改變反饋電阻與D/A轉(zhuǎn)換器的結(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4-40AD524原理圖4.5.3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)輸入通道應(yīng)采用隔離技術(shù)，有這種功能的放大器稱(chēng)為隔離放大器。

一般來(lái)講，隔離放大器是指對(duì)輸入、輸出端和電源進(jìn)行隔離使之沒(méi)有直接耦合的測(cè)量放大器。由于隔離放大器采用了浮離式設(shè)計(jì)，消除了輸入、輸出端之間的耦合，因此還具有以下特點(diǎn)：

(1)能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對(duì)低壓信號(hào)系統(tǒng)的損壞。

(2)泄漏電流低，對(duì)于測(cè)量放大器的輸入端無(wú)須提供偏流返回通路。

(3)共模抑制比高，能對(duì)直流和低頻信號(hào)(電壓或電流)進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測(cè)量。

目前，隔離放大器中采用的耦合方式主要有兩種：變壓器耦合和光電耦合。利用變壓器耦合實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制，通常具有較高的線(xiàn)性度和隔離性能，但是帶寬一般在1kHz以下。利用光電耦合方式實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制，可獲得10kHz帶寬，但其隔離性能不如變壓器耦合。

上述兩種方法均需對(duì)差動(dòng)輸入級(jí)提供隔離電源，以便達(dá)到預(yù)定的隔離性能。圖4-41為284型隔離放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。為提高微電流和低頻信號(hào)的測(cè)量精度，減小漂移，其電路采用調(diào)制式放大，其內(nèi)部分為輸入、輸出和電源三個(gè)彼此相互隔離的部

分，并由低泄漏高頻載波變壓器耦合在一起。通過(guò)變壓器的耦合，將電源電壓送入輸入電路并將信號(hào)從輸出電路送出。輸入部分包括雙極型前置放大器、調(diào)制器；輸出部分包括解調(diào)器和濾波器，一般在濾波器后還有緩沖放大器。

圖4-41284型隔離放大器的電路結(jié)構(gòu)圖當(dāng)模擬式傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成電量，并經(jīng)放大、濾波等一系列處理后，需經(jīng)模/數(shù)變換將模擬量變成數(shù)字量，才能送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程包括信號(hào)的采樣/保持、多路轉(zhuǎn)換(多傳感器輸入時(shí))、A/D處理等過(guò)程。下面主要介紹前兩項(xiàng)內(nèi)容，A/D轉(zhuǎn)換在第5章介紹。4.6傳感器接口技術(shù)4.6.1傳感器信號(hào)的采樣/保持

在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)變換時(shí)，從啟動(dòng)變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。當(dāng)輸入信號(hào)頻率提高時(shí)，由于孔徑時(shí)間的存在，會(huì)造成較大的轉(zhuǎn)換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)將信號(hào)電平保持住，而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化，即對(duì)輸入信號(hào)處于采樣狀態(tài)。能完成這種功能的器件叫采樣/保持器。從上面的分析也可知，采樣/保持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè)“模擬信號(hào)存儲(chǔ)器”。

在模擬量輸出通道，為使輸出得到一個(gè)平滑的模擬信號(hào)，或?qū)Χ嗤ǖ肋M(jìn)行分時(shí)控制時(shí)，也常使用采樣/保持器。圖4-42采樣/保持原理

1.采樣/保持器的原理

采樣/保持器由存儲(chǔ)電容C，模擬開(kāi)關(guān)S等組成，如圖4-42所示。當(dāng)S接通時(shí)，輸出信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)，稱(chēng)為采樣階段。當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，電容C兩端一直保持?jǐn)嚅_(kāi)的電壓，稱(chēng)為保持階段

。由此構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的采樣/保持器。實(shí)際上為使采樣/保持器具有足夠的精度，一般在輸入級(jí)和輸出級(jí)均采用緩沖器，以減少信號(hào)源的輸出阻抗，增加負(fù)載的輸入阻抗。在選擇電容時(shí)，使其大小適宜，以保證其時(shí)間常數(shù)適中，并選用漏泄小的電容。

2.集成采樣/保持器

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，目前已生產(chǎn)出多種集成采樣／保持器，如可用于一般目的的AD582、AD583、LF198系列等；用于高速場(chǎng)合的HTS-0025、HTS-0010、

HTC-0300等；用于高分辨率場(chǎng)合的SHA1144等。為了使用方便，有些采樣／保持器的內(nèi)部還設(shè)有保持電容，如AD389、AD585等。集成采樣／保持器的特點(diǎn)是：

(1)采樣速度快、精度高，一般在2~2.5s內(nèi)即可達(dá)到±0.01％～±0.003％的精度。

(2)下降速率慢，如AD585，AD348為0.5mV／ms，AD389為0.1V／ms。

正因?yàn)榧刹蓸樱３制饔性S多優(yōu)點(diǎn)，因此得到了極為廣泛的應(yīng)用。下面以L(fǎng)F398為例，介紹集成采樣／保持器的原理。

圖4-43為L(zhǎng)F398的原理圖。由圖可知，其內(nèi)部由輸入緩沖級(jí)、輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)和控制電路三部分組成。圖4-43LF398的原理圖控制電路中的A3主要起比較器的作用，其中7腳為參考電壓。當(dāng)輸入控制邏輯電平高于參考端電壓時(shí)，A3輸出一個(gè)低電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)S閉合，此時(shí)輸入經(jīng)A1后跟隨輸出到A2再由A2的輸出端跟隨輸出，同時(shí)向保持電容(接6端)充電；而當(dāng)控制端邏輯電平低于參考電壓時(shí)，A3輸出一個(gè)正電平信號(hào)使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，以達(dá)到非采樣時(shí)間內(nèi)保持器仍保持原來(lái)輸入的目的。因此，A1、A2是跟隨器，其作用主要是對(duì)保持電容輸入和輸出端進(jìn)行阻抗變換，以提高采樣／保持器的性能。與LF398結(jié)構(gòu)相同的還有LF198、LF298等，它們都是由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的，具有采樣速度高、保持電壓下降慢以及精度高等特點(diǎn)。當(dāng)作為單一放大器時(shí)，其直流增益精度為0.002％，采樣時(shí)間小于6μs時(shí)精度可達(dá)0.001％；輸入偏置電壓的調(diào)整只需在偏置端(2腳)調(diào)整即可，并且在不降低偏置電流的情況下，帶寬允許1MHz。其主要技術(shù)指標(biāo)有：

(1)工作電壓：±5～±18V。

(2)采樣時(shí)間：≤10μs。

(3)可與TTL、PMOS、CMOS兼容。

(4)當(dāng)保持電容為0.01μF時(shí)，典型保持步長(zhǎng)為0.5mV。(5)低輸入漂移，保持狀態(tài)下輸入特性不變。

(6)在采樣或保持狀態(tài)時(shí)高電源抑制。圖4-44為L(zhǎng)F398的外引腳圖，圖4-45為其典型應(yīng)用圖。在有些情況下，還可采取兩級(jí)采樣保持串聯(lián)的方法，選用不同的保持電容，使前一級(jí)具有較高的采樣速度而使后一級(jí)保持電壓下降速率慢，兩級(jí)結(jié)合構(gòu)成一個(gè)采樣速度快而下降速度慢的高精度采樣／保持電路，此時(shí)的采樣總時(shí)間為兩個(gè)采樣／保持電路時(shí)間之和。圖4-44LF398的外引腳圖圖4-45LF398的典型應(yīng)用圖4.6.2多通道模擬信號(hào)輸入

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)常要對(duì)許多傳感器信號(hào)進(jìn)行采集和控制。如果每一路都單獨(dú)采用各自的輸入回路(即每一路都采用放大、采樣/保持、A/D等環(huán)節(jié))，不僅成本比單路成

倍增加，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，且由于模擬器件、阻容元件參數(shù)和特性不一致，因此給系統(tǒng)的校準(zhǔn)也帶來(lái)很多困難。因此除特殊情況下，多采用公共的采樣/保持及A/D轉(zhuǎn)換電路。要實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)，往往采用多路模擬開(kāi)關(guān)，常用的有AD7501、AD7506、AD7502、LF13508等。圖4-46AD7501的外引腳圖和原理圖

1.常用多路模擬開(kāi)關(guān)集成電路

1)單端8通道

AD7501是單片集成的CMOS8選1多路模擬開(kāi)關(guān)，每次只選中8個(gè)輸入端的一路與公共端接通，選通通道是根據(jù)輸入地址編碼而得到的。所有數(shù)字量輸入均可用TTL或CMOS電路。圖4-46為AD7501的外引腳圖和原理圖。

AD7501的主要參數(shù)有：

(1)導(dǎo)通電阻Ron的典型值為170(-10V≤VS≤10V)，導(dǎo)通電阻溫漂為0.5％／℃，路間偏差為4％。

(2)輸入電容：3pF。

(3)開(kāi)關(guān)時(shí)間：ton=0.8μs,toff=0.8μs。

(4)極限電源電壓：UDD＝+17V，USS＝-17V。

2)單端16通道

AD7506為單端16選1多路模擬開(kāi)關(guān)，圖4-47為AD7506的外引腳圖和原理圖。

其主要參數(shù)有：

(1)導(dǎo)通電阻Ron＝300。導(dǎo)通電阻溫漂為0.5％／℃，路間偏差為4％。

(2)開(kāi)關(guān)時(shí)間：ton=0.8μs,toff=0.8μs。

(3)極限電源電壓：UDD＝＋17V，USS＝-17V。圖4-47AD7506的外引腳圖和原理圖

3)差動(dòng)4通道

AD7502是差動(dòng)4通道多路模擬開(kāi)關(guān)，其主要特性與AD7501的基本相同，但在同選通地址情況下有兩路同時(shí)選通。其外引腳和原理圖如圖4-48所示。圖4-48AD7502的外引腳圖和原理圖

2.多路模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用舉例

在許多機(jī)電一體化產(chǎn)品中，都需要用到多路模擬量輸入情況，此時(shí)可采用多路模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖4-49為利用AD7501組成的8路模擬量輸入通道。對(duì)于16路輸入情況，可使用兩片AD7501組合而成，見(jiàn)圖4-50。當(dāng)然也可采用單片AD7506等。但對(duì)于更多輸入情況，如64路、128路輸入，則只能使用多個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)組合的方式。圖4-49AD75018路輸入圖4-50兩片AD7501組成16路輸入

3.多路開(kāi)關(guān)選用時(shí)的注意事項(xiàng)

在選用多路開(kāi)關(guān)時(shí)，常要考慮許多因素：要單端型還是差動(dòng)型的；開(kāi)關(guān)電阻多大；控制電平多高。另外還要考慮開(kāi)關(guān)速度及開(kāi)關(guān)間互擾等諸多方面。

(1)對(duì)于傳輸信號(hào)電平較低的場(chǎng)合，可選用低壓型多路模擬開(kāi)關(guān)，這時(shí)必須在電路中有嚴(yán)格的抗干擾措施，一般情況下選用常用的高壓型。

(2)對(duì)于要求傳輸精度高而信號(hào)變化慢的場(chǎng)合，如利用鉑電阻測(cè)量緩變溫度場(chǎng)，就可選用機(jī)械觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)。但在輸入通道較多的場(chǎng)合，應(yīng)考慮其體積問(wèn)題。

(3)在切換速度要求高、路數(shù)多的情況下，宜選用多路模擬開(kāi)關(guān)。在選用時(shí)應(yīng)盡可能根據(jù)通道量選取單片模擬開(kāi)關(guān)集成電路，因?yàn)樵谶@種情況下每路特性參數(shù)可基本一致；在

使用多片組合時(shí)，也宜選用同一型號(hào)的芯片以盡可能使每個(gè)通道的特性一致。

(4)在選擇多路模擬開(kāi)關(guān)的速度時(shí)，要考慮到其后級(jí)采樣保持電路和A／D的速度，只需略大于它們的速度即可，不必一味追求高速。

(5)在使用高精度采樣/保持A／D進(jìn)行精密數(shù)據(jù)采集和測(cè)量時(shí)，需考慮模擬開(kāi)關(guān)的傳輸精度問(wèn)題，尤其需注意模擬開(kāi)關(guān)漂移特性。因?yàn)槿绻阅芊€(wěn)定，即使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻較大，

也可采取補(bǔ)償措施來(lái)消除影響；但如果阻值和漏電流等漂移很大，將會(huì)大大影響測(cè)量精度。

在機(jī)電一體化測(cè)控系統(tǒng)中，當(dāng)需對(duì)被測(cè)參量進(jìn)行顯示時(shí)，總是希望傳感器及檢測(cè)電路的輸出和輸入特性呈線(xiàn)性關(guān)系，使測(cè)量對(duì)象在整個(gè)刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。但是，很多檢測(cè)元件如熱敏電阻、光敏管、應(yīng)變片等具有不同程度的非線(xiàn)性特性，這使較大范圍的動(dòng)態(tài)檢測(cè)存在著很大的誤差。4.7傳感器非線(xiàn)性補(bǔ)償處理以往在使用模擬電路組成檢測(cè)回路時(shí)，為了進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償，通常用硬件電路組成各種補(bǔ)償回路，如常用的信息反饋式補(bǔ)償回路(使用對(duì)數(shù)放大器和反對(duì)數(shù)放大器)，應(yīng)變測(cè)試中的溫度漂移橋式補(bǔ)償電路等，這不但增加了電路的復(fù)雜性，而且也很難達(dá)到理想的補(bǔ)償。這種非線(xiàn)性補(bǔ)償完全可以用計(jì)算機(jī)的軟件來(lái)完成，其補(bǔ)償過(guò)程較簡(jiǎn)單，精確度也很高，又減少了硬件電路的復(fù)雜性。在完成了非線(xiàn)性參數(shù)的線(xiàn)性化處理以后，要進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)換，即標(biāo)度變換，才能顯示或打印帶物理單位(如℃)的數(shù)值，其框圖如圖4-51。圖4-51數(shù)字