机电一体化系统设计03测量模块.ppt

第 3章 测量模块,第三章 测量模块考点 （一）概念： 1 传感器的性能。 2 位移传感器，速度传感器，加速度传感器。 3 信号调理电路：前置放大器，滤波电路。 （二）计算： 1 光栅的计算。 2 直流测速发电机，码盘式测速。 （三）简单应用： 1 低通滤波，高通滤波。 2 电位器位移测量，加速度传感器。,机电一体化系统对检测系统要求,精度、灵敏度和分辨率高，线性、稳定性和重复性好，抗干扰能力强，静、动态特性好。 传感器及其检测系统提出了一些特殊要求，如体积小、重量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等。,机电一体化系统常用传感器,本章的学习内容： 1 传感器的分类及特性 2 位移传感器 3 速度传感器 4 加速度传感器 5 力、压力和扭矩传感器 6 位置传感器,1 传感器的分类及特性,一、机械量传感器分类,传感器通常是非电物理量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。,按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感、力传感器、温度传感器等。,温度传感器,压力传感器,扭矩传感器,角位移传感器,位移传感器,按传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、 光电式等等。,压电式加速度传感器,激光位移传感器,光纤式位移传感器,超声波位移传感器传感器,电感式位移传感器,二、传感器的特性,1、静态响应特性,当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出输入特性。 包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。,非线性度,迟滞,灵敏度,2、 动态特性,动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利用系统的传递函数、频率响应来描述。,调整时间Ts 峰值时间 最大超调量a1 振荡次数 延迟时间 上升时间Tr,1）时域指标,2）频域指标,可以用幅频特性和相频特性描述,二阶系统的脉冲输入和响应,二阶系统的阶跃输入和响应,两种典型的输入响应：,2 位移传感器,一、旋转变压器,1. 旋转变压器的结构,二、光栅数字传感器,1、工作原理,光栅是在透明的玻璃上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面上均匀地刻化出许多间隔相等的条纹，通常线条和间隙和宽度是相等的。 测量装置中由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多。,把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列。,2、测量系统,光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可用光电元件接受，如图中的是四块光电池，光电池产生的信号，相位彼此差90，对这些信号进行适当的处理后，即可变成光栅位移量的测量脉冲。,三、感应同步器,感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有直线式和圆盘式两类。,当给滑尺的正余弦绕组同时加励磁电压，则在定尺上感应的总电动势为：,四、光电编码器,这种码盘有两个通道与B（即两组透光和不透光部分），其相位差90，相对于一定的转角得到一定的脉冲，将脉冲信号送入计数器。则计数器的计数值就反映了码盘转过的角度。,3 速度传感器,一、直流测速发电机,用于自动控制中测量转速或速度负反馈校正元件。分为永磁式和电磁式，常用的是永磁式。,测速发电机的输出电压：,直流测速发电机（简单应用）直流测速发电机实际上是一台微型的直流发电机，其输出是与转速成正比的直流电压,测速发电机的输出特性：,二、码盘式转速转感器,测量码盘脉冲频率法： 该方法测量精度与测量速度有关，当测量低速时码盘脉冲频率过低测速误差大。 测量码盘脉冲周期法： 这种方法测速精度高，测量误差指示正负一个时钟脉冲，在测量高速时一般以测量多个脉冲间隔来提高精度，这种方法有能力检测速度的瞬时变化。,4 加速度传感器,一、加速度传感器的基本力学模型是一个质量弹簧阻尼二阶阻尼系统其微分方程（简单应用）,如果加速度的变化频率 时,5 力、压力和扭矩传感器,一、工作原理,首先由弹性元件将力、力矩、压力等被测量转换成位移或应变，然后再通过转换元件将相应的位移或应变转换成电信号输出。,二、弹性元件,应变式力传感器的测量范围很大，可以从5N10MN以上，测量精度可以达到0.03%2%。,铰链弯曲式弹性元件,梁式弹性元件,受径向载荷,6. 霍尔式电流传感器,霍尔式传感器是基于霍尔效应原理形成的传感器，它可以通过将电流、磁场、位移、压力、压差、速度等物理量转换成电动势输出的一种传感器。 工作原理 霍尔式电流传感器,霍尔式电流传感器,霍尔元件直接检测电流：该方法适用于大电流测量 霍尔检零式测量：适用于直流小电流测量,7. 信号调理电路,前置放大器 一、电压跟随器的特点是输出电压等于输入电压，输入阻抗大，输出阻抗小。它与传感器连接可以进行阻抗变换降低传感器的负载效应提高传感器的变换效率 二、电荷放大器（重点要求会画电路图）,信号的滤波电路 1 滤波器,一、滤波器的功能和类型 1、功能：滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。 2、类型： 按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器 按功能分：低通、高通、带通、带阻 按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器 按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶,滤波电路, 有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。,引 言,按频率 特性分,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,理想滤波器的频率特性,低通,高通,带通,带阻,滤波器的基本知识,1 有源低通滤波电路(LPFLow Pass Filter), 通带放大倍数,一、一阶 LPF,其中， Auf = 1 + Rf /R1,fH = 1/2RC, 上限截止频率,归一化 幅频特性,0,-3,二、 二阶 LPF,1. 简单二阶 LPF,通带增益：,Auf = 1 + Rf/R1,问题：在 f = fH 附近，输出幅度衰减大。,改进思路：在提升 fH 附近的输出幅度。,2. 实用二阶 LPF,Q = 1 / (3 - Auf),Q 等效品质因数,正反馈提升了 f n 附近的 Au。,Good!,Auf = 3 时,Q ,电路产生自激振荡,特征频率：,当 Q = 0.707 时，fn = fH,2 有源高通滤波电路(HPFHigh Pass Filter),通带增益：,Auf = 1 + Rf / R1,Q = 1/(3 - Auf),Auf = 3 时，,Q ，,电路产生自激振荡,二阶低通、高通，为防止自激，应使 Auf 3。,3 有源带通滤波电路(BPFBand Pass Filter),构成思路：,f0,fH fL,LPF,BPF,要求 R3 C1 RC,中心频率：,等效品质因素：,Q = 1/(3 - Auf),通频带：,BW = f0 /Q,最大电压增益：,Au0