1、机电一体化系统设计学院：扬州大学机械学院学院：扬州大学机械学院主讲：曾主讲：曾 励励2011.92011.91212第2章 检测系统设计2.1 概述检测系统检测系统是用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量及其变化，是用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的电路将所需并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的电路将所需要的信号检测出来，反馈给控制装置并显示。要的信号检测出来，反馈给控制装置并显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构成实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构成了机电一体化系统中的检测系统。了机电
2、一体化系统中的检测系统。v检测系统检测的有关物理量有：检测系统检测的有关物理量有：力力、温度温度、距离距离、变形变形、位位置置、功率功率等。等。v检测系统中应用了检测系统中应用了变换变换、放大放大、调制与解调调制与解调、滤波滤波、运算运算等等电路。电路。2.1 概述检测系统有：检测系统有：模拟传感检测系统模拟传感检测系统、数字传感检测系统数字传感检测系统模拟式传感器检测系统模拟式传感器检测系统采用输出信号为模拟信号的传感器（如磁电式、电阻式、电采用输出信号为模拟信号的传感器（如磁电式、电阻式、电感式、热电式等）构成的检测系统。感式、热电式等）构成的检测系统。电参量式传感器，则需电参量式传感器，
3、则需通过基本转换电路将其转换为电量通过基本转换电路将其转换为电量(电压、电流、电荷等电压、电流、电荷等)。传感器的输出已是电量，则不需要基本转换电路。传感器的输出已是电量，则不需要基本转换电路。数字式传感器检测系统数字式传感器检测系统采用输出信号为增量码信号的传感器（如光栅、磁栅、容栅、采用输出信号为增量码信号的传感器（如光栅、磁栅、容栅、感应同步器等）构成的检测系统。传感器的输出经放大、整感应同步器等）构成的检测系统。传感器的输出经放大、整形后形成数字脉冲信号。形后形成数字脉冲信号。为了提高仪器分辨率，常常采用细分的方法，使传感器的输为了提高仪器分辨率，常常采用细分的方法，使传感器的输出变化
4、出变化1/n周期时计一个数，称为周期时计一个数，称为n细分数细分数。细分电路还常同。细分电路还常同时完成整形作用。时完成整形作用。2.1 概述对检测系统的基本要求对检测系统的基本要求:v精度、灵敏度和分辨率高，精度、灵敏度和分辨率高，v线性、稳定性和重复性好，线性、稳定性和重复性好，v抗干扰能力强，抗干扰能力强，v静、动态特性好。静、动态特性好。为了适应机电一体化产品的特点并满足机电一体化设计的需要，为了适应机电一体化产品的特点并满足机电一体化设计的需要，还对传感器及其检测系统提出了一些特殊要求，如体积小、还对传感器及其检测系统提出了一些特殊要求，如体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐
5、环境性能好等。质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等。2.2 机电一体化常用传感器1.1.传感器的组成传感器的组成一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。（1）敏感元件）敏感元件 直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量。直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量。（2）转换元件）转换元件 将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、光强等）将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、光强等）转换成电参量（如电阻、电感、电容等）。转换成电参量（如电阻、电感、电容等）。（3）基本转换电路）基本转换电路 将电参量转换成便于测量的电
6、量。将电参量转换成便于测量的电量。一、传感器的组成及基本特征一、传感器的组成及基本特征 2.2.传感器的基本特性传感器的基本特性（1）传感器的静态特性1）线性度）线性度将传感器实际测出的输出将传感器实际测出的输出-输入校准曲线与某一选定拟合直线输入校准曲线与某一选定拟合直线不吻合程度的最大值称不吻合程度的最大值称为传感器的线性度，计为传感器的线性度，计算公式为算公式为一、传感器的组成及基本特征一、传感器的组成及基本特征%)(max100 FSLLyy（1）传感器的静态特性2）灵敏度）灵敏度传感器的灵敏度是传感器在稳定条件下，输出量增量与被测输传感器的灵敏度是传感器在稳定条件下，输出量增量与被测
7、输入量增量之比。即入量增量之比。即3）迟滞）迟滞迟滞表明传感器输入量增大行程期间（正行程）、输入量减小迟滞表明传感器输入量增大行程期间（正行程）、输入量减小行程期间（反行程），输出行程期间（反行程），输出-输入曲线不重合的程度。迟滞输入曲线不重合的程度。迟滞误差（也叫回程误差）一般以满量程输出的百分数表示，由误差（也叫回程误差）一般以满量程输出的百分数表示，由实验方法确定，其表达式为实验方法确定，其表达式为 xyS 0%max100 FSHyH（1）传感器的静态特性4）重复性）重复性重复性表示传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方向重复性表示传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方向做全
8、程连续多次重复测量时，所得输出值的一致程度。做全程连续多次重复测量时，所得输出值的一致程度。它是反映传感器精度的一个指标，常用绝对误差表示，由实验它是反映传感器精度的一个指标，常用绝对误差表示，由实验方法来确定。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即方法来确定。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即%max100 FSRyR（1）传感器的静态特性5）分辨力）分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。分辨力称为阈值。6）零漂）零漂传感器在零输入状态下，输出值的变化称零漂，零漂可用相对传感器在零输入状态下，输出
9、值的变化称零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。误差表示，也可用绝对误差表示。7）精度（精确度）精度（精确度）表示测量结果与被测表示测量结果与被测“真值真值”的接近程度，精度一般用极限误的接近程度，精度一般用极限误差来表示，或用极限误差与满量程之比按百分数给出。差来表示，或用极限误差与满量程之比按百分数给出。（2）传感器的动态特性1）时域性能指标）时域性能指标时间常数：输出值上升到稳时间常数：输出值上升到稳态值的态值的63%所需的时间；所需的时间；上升时间：输出值从稳态值上升时间：输出值从稳态值的的10%上升到上升到90%所需的所需的时间；时间；响应时间：输出值到达稳态值的响应时间：
10、输出值到达稳态值的95%或或98%所需的时间；所需的时间；超调量超调量：在过渡过程在过渡过程中，若输出量的最大值中，若输出量的最大值y(tp)y()，则，则响应无超调；若响应无超调；若y(tp)y()，则响应有超调，且，则响应有超调，且%)()()(100 yytyp（2）传感器的动态特性2）频域性能指标）频域性能指标通频带：对数幅频特性曲线上幅值衰减通频带：对数幅频特性曲线上幅值衰减 3dB 时所对应的频率范围；时所对应的频率范围；工作频带或：幅值误差为工作频带或：幅值误差为 5%或或 10%时所对应的频率范围；时所对应的频率范围；相位误差：在工作频带范围内相角应小于相位误差：在工作频带范围
11、内相角应小于 5或或 10，即为相位误差的大小。，即为相位误差的大小。2.2 机电一体化常用传感器1 1位移传感器位移传感器（1）电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，能将被测非电量的变化转电感式传感器是基于电磁感应原理，能将被测非电量的变化转换为电感量变化的一种结构型传感器。换为电感量变化的一种结构型传感器。按其转换方式的不同，可分为按其转换方式的不同，可分为 1）自感型电感式传感器）自感型电感式传感器2）互感型电感式传感器）互感型电感式传感器 二、常用传感器二、常用传感器 1）自感型电感式传感器）自感型电感式传感器（A）可变磁阻式电感传感器）可变磁阻式电感传感器可变磁阻式电感传感器由
12、线圈、铁心和可变磁阻式电感传感器由线圈、铁心和活动衔铁等所组成。在铁心和活动衔活动衔铁等所组成。在铁心和活动衔铁之间保持一定的气隙铁之间保持一定的气隙。当线圈通以激磁电流时，其自感量当线圈通以激磁电流时，其自感量L与磁与磁路的总磁阻路的总磁阻Rm有关，即有关，即 L=W 2/Rm 若不考虑磁路的铁损，并忽略铁心的磁若不考虑磁路的铁损，并忽略铁心的磁阻，则总磁阻为阻，则总磁阻为 故故002ARm 2002AWL （B）电涡流式传感器）电涡流式传感器高频反射式涡电流传感器的高频反射式涡电流传感器的工作是利用金属导体在交工作是利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应进变磁场中的涡电流效应进行的。行的。实
13、验分析得出原线圈等效阻实验分析得出原线圈等效阻抗抗Z Z 值由于涡电流的影响，值由于涡电流的影响，其大小与金属导体的电导其大小与金属导体的电导率率、磁导率、磁导率、厚度、厚度h h、金属板与线圈的距离金属板与线圈的距离、激励电流角频率激励电流角频率等有关，等有关，可建立单值函数关系。可建立单值函数关系。2）互感型电感式传感器）互感型电感式传感器互感型电感传感器是利用互感系数互感型电感传感器是利用互感系数M M的变化来反映被测量的变化。其的变化来反映被测量的变化。其实质是一个实质是一个变压器变压器。当变压器。当变压器初初级线圈级线圈输入稳定交流电源后，输入稳定交流电源后，次次级线圈级线圈便有便有
14、感应电压感应电压产生并输出，产生并输出，该电压的大小随被测量的变化而该电压的大小随被测量的变化而变化。变化。差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器是常用的是常用的互感型传感器，结构形式多样，互感型传感器，结构形式多样，其中以其中以螺管型螺管型应用较为普遍。应用较为普遍。差动变压器式电感传感器主要由差动变压器式电感传感器主要由线线圈圈、铁心铁心和和活动衔铁活动衔铁三个部分组三个部分组成。成。工作原理：工作原理：线圈包括线圈包括一个初级线圈一个初级线圈和和两个反两个反接的次级线圈接的次级线圈，当初级线圈中有，当初级线圈中有交流激励输入时，次级线圈中将交流激励输入时，次级线圈中将会产生会产生感
15、应电动势感应电动势e e1 1和和e e2 2。由于两个次级线圈采用极性反接，因此，由于两个次级线圈采用极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即传感器的输出电压为两者之差，即e ey y=e=e1 1e e2 2活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。输出活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。输出e ey y的大小随活动衔铁的位置而变，输出特的大小随活动衔铁的位置而变，输出特性如图所示。性如图所示。优点：优点：差动变压器式电感传感器具有精确度高差动变压器式电感传感器具有精确度高（高达（高达0.1m0.1m数量级）；数量级）；线圈变化范围大（可扩大到线圈变化范围大（可扩大到100mm100mm）；）
16、；稳定度好和使用方便。稳定度好和使用方便。电容式位移传感器是将被测物理量转换成电容量变化的装置。电容式位移传感器是将被测物理量转换成电容量变化的装置。从物理学得知，由两个平行板组成的电容器的电容量为从物理学得知，由两个平行板组成的电容器的电容量为上式表明，当上式表明，当、或或发生变化时，都会引起电容发生变化时，都会引起电容C C的变化。的变化。可以建立起该参数和电容量变化之间的对应关系。可以建立起该参数和电容量变化之间的对应关系。电容式传感器分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三电容式传感器分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三类，前面两种应用较为广泛，都可用作位移测量。类，前面两种应用较
17、为广泛，都可用作位移测量。AC0 1）极距变化型）极距变化型当极间介质和两极板相互覆盖面积保持不变时，电容量当极间介质和两极板相互覆盖面积保持不变时，电容量C与极与极距距呈非线性关系，当极距有微小变化时，电容的变化量为呈非线性关系，当极距有微小变化时，电容的变化量为传感器的灵敏度传感器的灵敏度v极距变化型电容传感器具有灵敏度高、对被测系统影响小，可用于动态极距变化型电容传感器具有灵敏度高、对被测系统影响小，可用于动态非接触式测量等的优点。适用于小位移（数百微米以下）的精确测量。非接触式测量等的优点。适用于小位移（数百微米以下）的精确测量。v这种传感器有非线性特性，传感器的杂散电容对灵敏度和测量
18、精确度的这种传感器有非线性特性，传感器的杂散电容对灵敏度和测量精确度的影响较大，电子线路也比较复杂，使其应用范围受到一定的限制。影响较大，电子线路也比较复杂，使其应用范围受到一定的限制。20 AddCS dAdC20 2）面积变化型）面积变化型面积变化型电容传感器可用于线位移及角位移测量。面积变化型电容传感器可用于线位移及角位移测量。面积变化型电容传感器的原理是：当动板沿面积变化型电容传感器的原理是：当动板沿x方向移动时，起方向移动时，起相互覆盖的面积变化，电容量也随之变化。电容量为相互覆盖的面积变化，电容量也随之变化。电容量为 传感器的灵敏度传感器的灵敏度v面积变化型电容传感器的优点是输出与
19、输入成线性关系，但其灵敏度低面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但其灵敏度低于极距变化型，适用于较大的直线位移和角位移的测量。于极距变化型，适用于较大的直线位移和角位移的测量。bxC0 常常数数 bdxdCS0（3）光栅传感器1）光栅的结构原理）光栅的结构原理光栅是一种新型的位移检测元件；具光栅是一种新型的位移检测元件；具有精度高、响应速度较快的特点。有精度高、响应速度较快的特点。被广泛应用于大位移的精密测量与被广泛应用于大位移的精密测量与控制中。控制中。光栅由标尺光栅和指示光栅组成。光栅由标尺光栅和指示光栅组成。两光栅的两光栅的刻线密度相同刻线密度相同，指示光栅，指示光栅平行平
20、行并并靠近靠近标尺光栅，二者的标尺光栅，二者的刻线相互倾斜一个刻线相互倾斜一个很小的角度很小的角度。当平行光垂直照射光栅时，。当平行光垂直照射光栅时，在光栅的另一面就会出现若干条与刻线垂在光栅的另一面就会出现若干条与刻线垂直的、明暗相间的直的、明暗相间的粗大条纹粗大条纹，称之为莫尔，称之为莫尔条纹。莫尔条纹具有位移放大作用，通过条纹。莫尔条纹具有位移放大作用，通过光电元件读出移动的莫尔条纹数目，就可光电元件读出移动的莫尔条纹数目，就可以知道光栅移过了多少个栅距，从而确定以知道光栅移过了多少个栅距，从而确定了位移量。了位移量。光栅测量原理光栅测量原理 1.1.标尺光栅标尺光栅 2.2.指示光栅指
21、示光栅 3.4.3.4.光电元件光电元件莫尔条纹莫尔条纹2)莫尔条纹的特点：莫尔条纹的特点：具有位移放大作用具有位移放大作用越小，越小，B越大，相当于把栅距放大了越大，相当于把栅距放大了1/倍倍。存在平均效应存在平均效应由于莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，光敏元件接由于莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，光敏元件接收的光信号是进入指示光栅视场内两光栅线条总数的综合平收的光信号是进入指示光栅视场内两光栅线条总数的综合平均效果。因此当某光栅有局部或周期误差时，由于平均效应，均效果。因此当某光栅有局部或周期误差时，由于平均效应，这些误差的影响会大大地削弱。这些误差的影响会大大地削弱。Wbca
22、bB )/sin(2光栅测量线位移原理光栅测量线位移原理1.1.标尺光栅标尺光栅 2.2.指示光栅指示光栅播放中播放中圆弧莫尔条纹单击准备演示单击准备演示播放动画播放动画光闸莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中长光栅莫尔条纹播放动画播放动画长光栅光闸莫尔条纹播放动画播放动画 图图2.56 2.56 光栅信号的四细分与辨向原理光栅信号的四细分与辨向原理 v绕组在长度方向的分布周期称为节距，又称极距，用绕组在长度方向的分布周期称为节距，又称极距，用2表示。表示。v尺上的绕组均为矩形绕组，其中定尺绕组是连续的，滑尺上尺上的绕组均为矩形绕组，其中定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别为正弦绕
23、组（分布着两个励磁绕组，分别为正弦绕组（sinsin绕组）和余弦绕组）和余弦绕组（绕组（coscos绕组）。绕组）。它们在长度方向相差它们在长度方向相差1/4节距。节距。感应同步器工作原理：感应同步器工作原理：v当对滑尺上某一绕组施加给定频率的交流电压时，由当对滑尺上某一绕组施加给定频率的交流电压时，由于电磁感应作用，在定尺绕组中产生感应电势。于电磁感应作用，在定尺绕组中产生感应电势。v定尺绕组中感应的总电势是滑尺上正弦绕组和余弦绕定尺绕组中感应的总电势是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电势的矢量和。滑尺处于不同位置时组所产生的感应电势的矢量和。滑尺处于不同位置时定尺绕组中感应电势会随之变
24、化。如果把两尺绕组重定尺绕组中感应电势会随之变化。如果把两尺绕组重合的位置定为位移的合的位置定为位移的0点，则定尺绕组中感应电势与位点，则定尺绕组中感应电势与位移的关系可表示为：移的关系可表示为：xxVVmoc22cos2）感应同步器的工作方式）感应同步器的工作方式鉴相法鉴相法 在感应同步器滑尺的在感应同步器滑尺的sin、cos两个绕组上分别施加两个绕组上分别施加频率相同、幅值相同频率相同、幅值相同，但相位相差，但相位相差90 的正弦电压，即的正弦电压，即它在定尺绕组中产生的感应电势分别为它在定尺绕组中产生的感应电势分别为则定子绕组感应的电势为则定子绕组感应的电势为只要测出余弦绕组电压和定子绕
25、组感应电势之间的相位差，就只要测出余弦绕组电压和定子绕组感应电势之间的相位差，就可得到位移。可得到位移。cossincossincossintKVKVVtKVKVVmcocmsos)sin(tKVVVVmosocotVVtVVmcmssincosxx22鉴幅法鉴幅法 在感应同步器滑尺的在感应同步器滑尺的sin、cos两个绕组上分别施加两个绕组上分别施加频率相同、幅值不同的正弦电压频率相同、幅值不同的正弦电压。此两个正弦电压的幅值又。此两个正弦电压的幅值又分别与电气角成正、余弦关系，即分别与电气角成正、余弦关系，即其在定子绕组中产生的感应电动势为其在定子绕组中产生的感应电动势为它们在定尺绕组中感
26、应的电势是相减，则它们在定尺绕组中感应的电势是相减，则若电气角已知，那么只要测量出的幅值，便可间接地求出被测若电气角已知，那么只要测量出的幅值，便可间接地求出被测位移值的大小。位移值的大小。cossinsinsinsincostKVVtKVVmocmostVtKVVVVommocoso sinsin)sin(cossinsinsinsmocmVVtVVtxx22有刷式旋转变压器有刷式旋转变压器 无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器 四极绕组旋转变压器四极绕组旋转变压器 两极旋转变压器两极旋转变压器电气工作原理图电气工作原理图 v鉴相式工作方式鉴相式工作方式鉴相式工作方式是根据旋转变压器转子绕组中感
27、应电动势的相鉴相式工作方式是根据旋转变压器转子绕组中感应电动势的相位来确定被测位移大小的检测方式。当位来确定被测位移大小的检测方式。当S1S2和和K1K2中分别中分别通以交流励磁电压通以交流励磁电压分别感应到转子分别感应到转子B1B2中的电压为中的电压为根据线性叠加原理，在转子绕组根据线性叠加原理，在转子绕组B1B2中的感应电动势中的感应电动势VB为为 tVVtVVmkms sincos)sin(tKVVVVmBKBSBsincoscos sinBSmBKmVKVtVKVt v鉴幅式工作方式鉴幅式工作方式鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电动势幅鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子
28、绕组中感应电动势幅值的检测来实现的。设定子绕组值的检测来实现的。设定子绕组S1S2和和K1K2分别输入以角分别输入以角速度速度随时间随时间t变化的交流励磁电压变化的交流励磁电压分别感应到转子分别感应到转子B1B2中的电压为中的电压为根据叠加原理，可以得出转子绕组根据叠加原理，可以得出转子绕组B1B2中的感应电动势中的感应电动势VB为为 tVVtVVmkms sinsinsincostVVVVmBKBSB sin)sin(sincos sincos sin sinBSmBKmVKVtVKVt 光学编码器原理光学编码器原理增量式编码器的输出脉冲增量式编码器的输出脉冲2）绝对值式光电编码器）绝对值式
29、光电编码器 增量式编码器的缺点是有可能由于增量式编码器的缺点是有可能由于噪声噪声或其他外界或其他外界干干扰扰产生产生计数错误计数错误，或因，或因突然停电等事故突然停电等事故后不能再找后不能再找到事故前部件的正确位置。到事故前部件的正确位置。绝对值式编码器是通过读取编码盘上的图案来表示数绝对值式编码器是通过读取编码盘上的图案来表示数值的。圆盘上的值的。圆盘上的每一环对应一个二进位每一环对应一个二进位，空白的部空白的部分透光，分透光，用用“0”表示，涂黑的部分表示不透光，用表示，涂黑的部分表示不透光，用“1”表示。表示。隔着圆盘从后侧用光源照射。编码盘每隔着圆盘从后侧用光源照射。编码盘每一环配置的
30、光电变换器对应相应的二进制位。一环配置的光电变换器对应相应的二进制位。绝对值式光电编码器的特点：绝对值式光电编码器的特点：v坐标值可直接从绝对编码盘中读出，不会有累积进程中的误坐标值可直接从绝对编码盘中读出，不会有累积进程中的误计数；运转速度可以提高；计数；运转速度可以提高；v编码器本身具有机械式存储功能，即使因停电或其它原因，编码器本身具有机械式存储功能，即使因停电或其它原因，造成坐标值回零，通电后，仍可找到原坐标位置。造成坐标值回零，通电后，仍可找到原坐标位置。v当转角大于当转角大于360时，需作特别处理，而且必须用减速齿轮时，需作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组
31、成多级检测装置，使其结将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构较为复杂、成本也较高。构较为复杂、成本也较高。(缺点缺点)2 2速度、加速度传感器速度、加速度传感器（1）测速发电机）测速发电机测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将输入的机械转速测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将输入的机械转速变换为电压信号输出。其工作原理与电机原理相同。变换为电压信号输出。其工作原理与电机原理相同。dtdCCCnU2（2）差动变压器式速度、加）差动变压器式速度、加速度传感器速度传感器利用差动变压器测量速度时，其一利用差动变压器测量速度时，其一次线圈同时供以交流和直流次线圈同时供以交流和直流当
32、差动变压器的磁芯以被测速度移当差动变压器的磁芯以被测速度移动时，在两个二次线圈中产生感动时，在两个二次线圈中产生感应电动势，将它们的差值通过低应电动势，将它们的差值通过低通滤波器滤除及以上的高频分量通滤波器滤除及以上的高频分量后，可得到与速度相对应的电压后，可得到与速度相对应的电压输出输出 tIItimsin)(0vkIUv02（3）光电式速度和转速传感器）光电式速度和转速传感器物体以速度移过光电池前的遮盖物体以速度移过光电池前的遮盖挡板时，光电池输出阶跃电压挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲的时间间冲输出，测出两脉冲的时间间隔，则
33、可测得速度为隔，则可测得速度为tlv/=ZtNn/=603 3力、压力和力矩传感器力、压力和力矩传感器（1 1）测力传感器）测力传感器v测力传感器测力传感器由膜片等能产生形变的结构部分由膜片等能产生形变的结构部分和装入盒内的应变杆及贴在应变和装入盒内的应变杆及贴在应变杆上的应变片等组成。通过测量杆上的应变片等组成。通过测量应变片的电压输出即可推断受力应变片的电压输出即可推断受力大小。它能对数克到数吨重的载大小。它能对数克到数吨重的载荷进行测量。荷进行测量。v差动变压器式力传感器差动变压器式力传感器当力作用于传感器时，当力作用于传感器时，弹性元件产生变形，从弹性元件产生变形，从而导致衔铁相对线圈
34、移而导致衔铁相对线圈移动。线圈电感量的变化动。线圈电感量的变化通过测量电路转换为输通过测量电路转换为输出电压，其大小反映了出电压，其大小反映了受力的大小。受力的大小。v微压力传感器微压力传感器在无压力作用时，膜盒在无压力作用时，膜盒在初始状态，与膜盒联在初始状态，与膜盒联接的衔铁位于差动变压接的衔铁位于差动变压器线圈的中心部。当压器线圈的中心部。当压力输入膜盒后，膜盒的力输入膜盒后，膜盒的自由端产生位移并带动自由端产生位移并带动衔铁移动，差动变压器衔铁移动，差动变压器产生一正比于压力的输产生一正比于压力的输出电压。出电压。（2 2）压力测量传感器）压力测量传感器A.膜式压力传感器膜式压力传感器
35、弹性元件为四周固定的等截面弹性元件为四周固定的等截面圆形薄板，又称为平膜板圆形薄板，又称为平膜板或膜片。膜的一个表面上或膜片。膜的一个表面上承受被测分布压力，另一承受被测分布压力，另一侧面贴有应变计。应变计侧面贴有应变计。应变计接成桥路输出。接成桥路输出。)(22223183xrEhPr )(2222183xrEhPt B.筒式压力传感器筒式压力传感器弹性元件为薄壁厚底圆筒。弹性元件为薄壁厚底圆筒。特点：特点：圆筒受压后外表面各处的圆筒受压后外表面各处的应变是相同的，所测得的应变是相同的，所测得的应变值不受应变计的粘贴应变值不受应变计的粘贴位置的影响。适用于较大位置的影响。适用于较大压力的测量
36、。压力的测量。PDDDt)()(21222122 PDDDt)()(12122 或或（3 3）力矩传感器）力矩传感器左图驱动轴通过装有应变片的腕部与手部联接。当驱动轴回转并带动手部左图驱动轴通过装有应变片的腕部与手部联接。当驱动轴回转并带动手部回转而拧紧螺钉时，手部所受力矩的大小可通过应变片电压的输出测得。回转而拧紧螺钉时，手部所受力矩的大小可通过应变片电压的输出测得。右图传动轴的两端安装上磁分度圆盘，分别用磁头检测两圆盘之间的转角右图传动轴的两端安装上磁分度圆盘，分别用磁头检测两圆盘之间的转角差，用转角差与负荷成比例的关系，即可测量负荷力矩的大小。差，用转角差与负荷成比例的关系，即可测量负荷
37、力矩的大小。2.2 机电一体化常用传感器选择传感器应主要考虑：选择传感器应主要考虑：1 1）输入与输出之间的线性关）输入与输出之间的线性关系，灵敏度；系，灵敏度；2 2）动态特性；）动态特性；3 3）滞后、漂移误差；）滞后、漂移误差；4 4）内部噪声和抗干扰能力；）内部噪声和抗干扰能力；5 5）横向灵敏度和交叉灵敏度；）横向灵敏度和交叉灵敏度；6 6）对被测对象的影响；）对被测对象的影响；7 7）重复精度；）重复精度；8 8）稳定性；）稳定性；9 9）功耗情况；）功耗情况；1010）维修和校准，使用性能；）维修和校准，使用性能；三、传感器的选用三、传感器的选用 （1）选用传感器时，应使被测量的
38、变化范围在传感）选用传感器时，应使被测量的变化范围在传感器的线性范围以内，并保证线性误差在允许范围内；器的线性范围以内，并保证线性误差在允许范围内；（2）传感器分辨力或分辨率的选择。）传感器分辨力或分辨率的选择。对指针式仪表最小的一个分格所对应的输出量叫分对指针式仪表最小的一个分格所对应的输出量叫分辨力；辨力；对数字式仪表数码管最低位跳变一个数字所对应的对数字式仪表数码管最低位跳变一个数字所对应的输出量叫分辨力。输出量叫分辨力。分辨力除以满量程叫分辨率，传感器的分辨力或分分辨力除以满量程叫分辨率，传感器的分辨力或分辨率从数值上应小于测量要求的分辨力或分辨率；辨率从数值上应小于测量要求的分辨力或
39、分辨率；（3）精度或误差应满足测量要求。）精度或误差应满足测量要求。在满足实际要求的条件下，精度要求不宜定得过高，在满足实际要求的条件下，精度要求不宜定得过高，因为精度每提高一级将导致价格成倍跳升，而且高因为精度每提高一级将导致价格成倍跳升，而且高精度的测量仪表通常易于损坏，难于修复。精度的测量仪表通常易于损坏，难于修复。用于动态测量的传感器，都会给出动态特性指标。通常是频率用于动态测量的传感器，都会给出动态特性指标。通常是频率特性参数，如固有频率或使用频率。特性参数，如固有频率或使用频率。在选用传感器前，首先要分析被测信号的频谱，确定信号的最在选用传感器前，首先要分析被测信号的频谱，确定信号
40、的最高频率或频宽，按照所要求的测量精度，根据信号的最高频高频率或频宽，按照所要求的测量精度，根据信号的最高频率和频宽选择具有合适的固有频率或使用频率的传感器。率和频宽选择具有合适的固有频率或使用频率的传感器。（1）需要长期连续运行的传感器，其运行稳定、可）需要长期连续运行的传感器，其运行稳定、可靠性高、维修方便是首要要求，缺乏足够运行实践靠性高、维修方便是首要要求，缺乏足够运行实践的不宜选用；的不宜选用；（2）安装空间受到限制时，应选用体积小，结构简）安装空间受到限制时，应选用体积小，结构简单的；单的；（3）安装传感器会改变被测量状态，即负载效应不）安装传感器会改变被测量状态，即负载效应不容忽
41、视时，应选用非接触式传感器。容忽视时，应选用非接触式传感器。（4）在高温、高湿环境下工作，应考虑传感器稳定）在高温、高湿环境下工作，应考虑传感器稳定性和绝缘特性，选择温漂小，绝缘好的传感器；性和绝缘特性，选择温漂小，绝缘好的传感器；（5）在电气干扰较大的环境下工作时，应选用带屏）在电气干扰较大的环境下工作时，应选用带屏蔽等抑制干扰措施的传感器。蔽等抑制干扰措施的传感器。信号放大电路信号放大电路也称放大器，用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信也称放大器，用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工和处理。号不失真地加以放大，以便于进一步加工和处理。对放大器的要
42、求：对放大器的要求：具有高输入阻抗具有高输入阻抗共模抑制能力强共模抑制能力强失调及漂移小失调及漂移小噪声低噪声低闭环增益稳定性高等性能。闭环增益稳定性高等性能。直流放大电路直流放大电路1)1)反相放大器反相放大器电压增益电压增益:反馈电阻反馈电阻R RF F值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。移，一般为几十千欧至几百千欧。R R1 1的取值应远大的取值应远大于信号源于信号源U Ui i的内阻。的内阻。1RRAFv同相放大器也是最基本的电路同相放大器也是最基本的电路，其闭环电压增益其闭环电压增益Av为为:同相放大器具有输入阻抗非常
43、高，输出阻抗很低的特点，广泛同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。用于前置放大级。2)2)同相放大器同相放大器11RRAFv 交流放大电路交流放大电路若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容放大器。其中电容C1、C2及及C3为隔直电容。为隔直电容。R1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限可根据交流放大器的下限频率频率fL来确定。来确定。)/()(LLfRCC 210331 11RRAFv 2.3 信号放大电路抑制放大器噪声的措施：抑制放
44、大器噪声的措施：1)1)压缩放大器带宽，滤除通带以外的各种噪声信号；压缩放大器带宽，滤除通带以外的各种噪声信号；2)2)减小信号源电阻，尽量使其与放大器的等效噪声电阻相等，减小信号源电阻，尽量使其与放大器的等效噪声电阻相等，以实现噪声阻抗匹配；以实现噪声阻抗匹配；3)3)选用低噪声放大元件，减小噪声的产生；选用低噪声放大元件，减小噪声的产生；4 4）减小接线电缆电容的影响及干扰因素的影响。）减小接线电缆电容的影响及干扰因素的影响。1.1.同相输入差动放大器同相输入差动放大器 两输入信号均采用同相输入以提高输两输入信号均采用同相输入以提高输入阻抗。为保证共模抑制比，取入阻抗。为保证共模抑制比，取
45、则放大器输出为则放大器输出为一、高输入阻抗放大器一、高输入阻抗放大器 4211RRRRff/)(124201UURRUf 2.2.高输入阻抗反相放大器高输入阻抗反相放大器 如图图如图图2.92.9所示，其中两个运算放所示，其中两个运算放大器大器N1N1和和N2N2的输出与输入关系分别为的输出与输入关系分别为iURRU)/(120 iUURRU2202101 )/(iiiiURRRUURUIII 11101111.1.差动放大器差动放大器 图图a为两被测信号为两被测信号Ui1和和Ui2分别从运算放大器的两端输入，其输分别从运算放大器的两端输入，其输出信号为出信号为 二、高共模抑制比放大器二、高共
46、模抑制比放大器 11232311ififoURRURRRRRU-+=1.1.差动放大器差动放大器若取若取R1=R2，R3=Rf，则上式变为，则上式变为 共模信号输时，共模信号输时，Ui1=Ui2=Uic,若使电路参数满足匹配关系若使电路参数满足匹配关系R1=R2，R3=Rf，则放大器共模增益为零，共，则放大器共模增益为零，共模抑制比模抑制比(差模增益与共模增益之比差模增益与共模增益之比)为无穷大。为无穷大。)-(=121iifoUURRUicffoURRRRRRRU-+)+(=1322111.1.差动放大器差动放大器若要改变差模增益若要改变差模增益Rf/R1，必须同时改变电阻，必须同时改变电阻
47、R2和和R3。为便于。为便于增益调整，且保持高共模抑制比，可采用图增益调整，且保持高共模抑制比，可采用图b所示电路，其所示电路，其输出信号为输出信号为)-)(+(=12112iiwffoUURRRRU2.2.三运放测量放大器三运放测量放大器下图是一种同相输入并串联差动测量放大器，由三个运算放大器组成。下图是一种同相输入并串联差动测量放大器，由三个运算放大器组成。它具有高输入阻抗、低失调电压、低温度漂移系数和稳定的放大倍数、低它具有高输入阻抗、低失调电压、低温度漂移系数和稳定的放大倍数、低输出阻抗的特点。其中第一级是两个对称的同相放大器，它提高了输入输出阻抗的特点。其中第一级是两个对称的同相放大
48、器，它提高了输入阻抗和共模抑制能力，将双端输入变为单端输入。阻抗和共模抑制能力，将双端输入变为单端输入。)/1)(/(112GGSRRRRRR)()1(112ININOUTGGSVVKVRRRRRRK在计算机控制系统中的问题：在计算机控制系统中的问题：在恶劣环境下远距离可靠传送微弱电信号。小信号双线变送在恶劣环境下远距离可靠传送微弱电信号。小信号双线变送器是解决这个问题的有效方法。小信号双线变送器将现场的器是解决这个问题的有效方法。小信号双线变送器将现场的微弱信号转化为微弱信号转化为420mA的标准电流输出，然后通过一的标准电流输出，然后通过一对双绞线传送信号，这对双绞线能实现信号和电源一起传
49、送。对双绞线传送信号，这对双绞线能实现信号和电源一起传送。1.XTR101双线变送器原理双线变送器原理 如图如图2.48所示，它由高精度测量放大器（所示，它由高精度测量放大器（IA）、）、压控输出电流源和双匹配精密参考电流组成，它将加在引脚压控输出电流源和双匹配精密参考电流组成，它将加在引脚3和引脚和引脚4上上的差动电压变换为电流输出，在输入不变的前提下，的差动电压变换为电流输出，在输入不变的前提下，电流输出大小由电流输出大小由 Rs 决定。决定。XTR101可用于电阻类传感器测量电路。可用于电阻类传感器测量电路。2.铂电阻温度测量与传送电路铂电阻温度测量与传送电路 如图如图2.49所示。所示
50、。三、小信号双线变送器三、小信号双线变送器 四、隔离放大器四、隔离放大器 1.1.变压器耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器放大器的组成：放大器的组成：高性能的输入放大器、调制和解调器、信号耦高性能的输入放大器、调制和解调器、信号耦合变压器及输出运算放大器，其工作过程如下：直流信号经放合变压器及输出运算放大器，其工作过程如下：直流信号经放大后由调制器变为交流，通过耦合变压器馈给输出电路，解调大后由调制器变为交流，通过耦合变压器馈给输出电路，解调器把输入回路馈给的信号转换为原信号并经滤波器送至输出运器把输入回路馈给的信号转换为原信号并经滤波器送至输出运算放大器。输入电路的电源由逆变器提供。算放大器
