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杨益强
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大学控制器件-杨益强-课件PPT,大学,控制,节制,器件,杨益强,课件,ppt
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控制器件,国防科技大学 机电工程与自动化学院 自动控制系,杨益强 联系电话：0731-4576305 E-mail：yyq0000,第1章 绪论,1.1 自动控制系统与控制器件 1.2 传感器概述 1.3 执行机构概述 1.4 本书的主要内容及学习方法,1.1 自动控制系统与控制器件,1.1.1 自动控制系统的定义 1.1.2 控制器件的基本概念 1.1.3 控制器件涉及的知识结构,第1章 绪论,1.1.1 自动控制系统的定义,第1章 绪论,自动控制系统是指无人直接参与的情况下，自动使被控对象按照预定的规律运行的系统。,第1章 绪论,1. 自动控制系统实例,工业生产 自动控制,第1章 绪论,1. 自动控制系统实例,第1章 绪论,1. 自动控制系统实例,第1章 绪论,1. 自动控制系统实例,无人驾驶车,第1章 绪论,1. 自动控制系统实例,第1章 绪论,1. 自动控制系统实例,战斗部,发动机,自动驾驶/制导装置,热电池,蓄能器,控制尾翼,姿态测量装置,激光导引头,1. 自动控制系统实例,第1章 绪论,2. 自动控制系统组成,基本组成,第1章 绪论,舵机,-,+,水平尾翼,电位器,放大器,输入装置,基本组成,2. 自动控制系统组成,第1章 绪论,舵机,-,+,水平尾翼,电位器,放大器,输入装置,基本组成,2. 自动控制系统组成,第1章 绪论,舵机,-,+,水平尾翼,电位器,放大器,输入装置,指令,输入 装置,电位器放大器,2. 自动控制系统组成,第1章 绪论,舵机,-,+,水平尾翼,电位器,放大器,输入装置,指令,输入 装置,电位器放大器,2. 自动控制系统组成,第1章 绪论,舵机,-,+,水平尾翼,电位器,放大器,输入装置,指令,输入 装置,舵机平尾,电位器放大器,2. 自动控制系统组成,第1章 绪论,舵机,-,+,水平尾翼,电位器,放大器,输入装置,指令,输入 装置,舵机平尾,电位器放大器,2. 自动控制系统组成,第1章 绪论,舵机,-,+,水平尾翼,电位器,放大器,输入装置,指令,输入 装置,舵机平尾,飞机俯仰,输出,电位器放大器,2. 自动控制系统组成,第1章 绪论,变换/处理 (控制器),执行 机构,被控对象,检测装置 (传感器),-,输出,垂直陀螺,飞机的俯仰运动,舵机和平尾,飞机,误差,舵机,-,+,水平尾翼,电位器,放大器,输入装置,输入 装置,指令,比较 (电位计),第1章 绪论,变换/处理 (控制器),执行 机构,被控对象,检测装置 (传感器),-,输出,垂直陀螺,飞机的俯仰运动,舵机和平尾,飞机,误差,输入 装置,指令,比较 (电位计),第1章 绪论,基本组成,2. 自动控制系统组成,第1章 绪论,检测,自动控制系统的三个基本要素,处理,执行, 传感器，相当于人的感觉器官；, 控制器，相当于人的大脑；, 执行机构，相当于人的四肢。,第1章 绪论,1.1.2 控制器件的基本概念,广义定义：自动控制系统使用的器件。,执行机构 传感器 放大元件 校正元件,第1章 绪论,控制器件的内涵,执行机构：驱动控制对象，直接完成控制任务。,传感器：将被测量检测出来，并转换成容易处 理和使用的物理量，又称测量元件。,第1章 绪论,知识领域：传感与检测,知识单元：物理、化学、生物等传感器，检测与 诊断，遥测、遥感，抗干扰技术，测 量信号处理，机器人感知等。,1.1.3 控制器件涉及的知识结构,第1章 绪论,知识领域：执行与驱动,知识单元：机电汽液驱动、自动化仪表、光机电 一体化、各种遥控器、电力电子等。,1.1.3 控制器件涉及的知识结构,第1章 绪论,1.1.3 控制器件涉及的知识结构,知识领域：模型与仿真,知识单元：系统辨识参数估计、各类系统建模技 术、仿真技术、电机原理与传动、机 械原理与结构、机器人原理等。,第1章 绪论,知识领域：通信与网络,知识单元：通信技术、计算机网络、多媒体、遥 技术等。,1.1.3 控制器件涉及的知识结构,第1章 绪论,知识领域：计算与处理,知识单元：信号、图象处理，并行、分布处理， 软件工程，计算、搜索、推理，模式 识别等。,1.1.3 控制器件涉及的知识结构,第1章 绪论,知识领域：控制与智能,知识单元：控制理论，稳定性与鲁棒性，可靠性 与容错性，适应性、自学习，人工智 能，最优、智能控制，人机控制等。,1.1.3 控制器件涉及的知识结构,第1章 绪论,1.2 传感器概述,1.2.1 传感器定义及分类 1.2.2 传感器的特性 1.2.3 现代传感器发展动态,第1章 绪论,1. 传感器的定义 能够把被测物理量转换成对应电信号的装置。,传感器一般由敏感部分和信号转换部分组成，其中敏感部分用来直接感受被测物理量，产生与被测物理量成一定函数关系的输出信号；信号转换部分则将敏感部分的输出转换成相应的电信号。,有些传感器直接敏感被测物理量，输出与之成一定函数关系的电信号。,传感器的输出电信号有多种形式，一般有电阻、电容、电压、电流、频率、脉冲等。,第1章 绪论,2. 传感器的分类,按输出信号的特性：模拟信号和数字信号 按物理现象：结构型和物理特性型 ,按被测物理量：位置传感器、压力传感器、温度传感器、气体传感器、湿度传感器等,按传感器的测量和转换原理：电阻式传感器、电容式传感器、感应式传感器等,第1章 绪论,3. 传感器在自动控制系统中的应用,传感器相当于人的感觉器官,自动控制系统,第1章 绪论,实例：飞机需要测量的参数,飞行参数：高度、气流速度（空速）、姿态,发动机参数：转速、喷气温度、油量、滑油 压力和滑油温度,环境参数：座舱压力、座舱内外压差、氧气量,导航参数：位置、航向、速度、姿态、加速度,第1章 绪论,1.2.2 传感器的特性,基本概念,传感器特性：传感器的输出与输入的对应关系。一般满足一定的函数关系。,对大多数传感器而言，其特性函数通常是一个多输入、单输出的函数。一般简化成单输入、单输出的函数，输入量就是被测的物理量，输出量是一个对应的电信号。,与自动控制系统的性能一样，传感器的特性也分为稳态（静态）特性和动态特性。,第1章 绪论,1. 稳态特性和稳态性能指标,传感器的稳态特性，是指传感器测量值达到稳定状态时的特性，也称静态特性。它是不随时间变化的输出量与输入量之间的关系。,稳态特性是在不同的不随时间变化的恒定输入下，传感器的稳定输出值与输入量的关系。,传感器的稳态性能指标主要有线性度、精度、分辨力、灵敏度、重复性、稳定性等。,第1章 绪论,1.2.2 传感器的特性,1. 稳态特性和稳态性能指标,（1） 线性度,线性度是指拟合的特性直线与实际特性曲线的接近程度，有的场合也称为非线性度。,用线性相对误差的百分比来表示线性度L：,第1章 绪论,（2） 精度,精度：传感器测量被测物理量的准确程度。,绝对精度：在测量范围内的最大测量误差的绝对值，其单位就是被测物理量的单位。,相对精度：绝对精度与最大测量输出值的比值，常用的有百分比和百万分比(ppm)。,第1章 绪论,1. 稳态特性和稳态性能指标,（3） 分辨力（分辨率）,分辨力：传感器能够敏感和识别的最小输入量，其单位就是被测物理量的单位。,灵敏度：稳定状态下传感器输出的变化量与输入变化量的比值。,（4）灵敏度,第1章 绪论,1. 稳态特性和稳态性能指标,（5）重复性,重复性：输入量按同一方向全量程变化时，多次测量得到的传感器输出特性之间的一致性。,重复性通过重复性误差 e 这一指标来反映。,Y为满量程最大输出值，是多次重复测量标准偏差。,第1章 绪论,1. 稳态特性和稳态性能指标,（6）稳定性,稳定性：当时间和环境参数等变化时，传感器特性保持不变的能力。,传感器的稳定性随时间的变化，一般表现为零位的漂移。,零位漂移：在一定的环境条件下，输入量为零时，输出的变化量，一般采用单位时间内零漂量来反映传感器的时间稳定性。,时间稳定性：在一定条件下，输入量一定时，在规定时间内输出的变化量。,第1章 绪论,1. 稳态特性和稳态性能指标,2. 动态特性与动态性能指标,动态过程：传感器开始测量到测量结束这一过程，或被测物理量发生变化时，传感器的测量值由旧的数值变化到相应的新的数值的过程。,动态特性：在动态过程中，传感器的输出值随时间变化时所表现出来的性质。,指标：与自动控制系统一样，主要包括频带、时间常数、响应时间、固有频率和超调量等。,第1章 绪论,1.2.2 传感器的特性,3. 影响传感器工作性能的其它因素,安装误差：安装后的传感器与理论位置之间存在的误差。,环境适应性：除稳定性外，在冲击、振动、湿度、腐蚀等环境因素对传感器的影响。,抗干扰能力：指在使用过程中，外部干扰对传感器工作性能的影响。,负载效应：测量和信号处理电路，使得传感器输出信号与标称值会出现不一致。,第1章 绪论,1.2.2 传感器的特性,1.2.3 现代传感器的发展动态,探索新理论，采用新的材料、技术、工艺,多功能、高精度、高性能、微型化、集成化、数字化和智能化,1. 新技术和新材料,2. 新的生产和加工技术,3. 微型化和集成化,4. 智能化,第1章 绪论,1.3 执行机构概述,1.3.1 执行机构的定义及分类 1.3.2 执行机构的特性 1.3.3 执行机构的选用,第1章 绪论,1. 执行机构的定义,执行机构是指能够改变被控对象状态的装置。,执行机构与传感器的重大区别在于，所有执行机构都有能量输出给被控对象。,第1章 绪论,1.3.1 执行机构的分类及特性,2. 执行机构的分类,按对被控对象的作用：改变被控对象的运动状态、改变被控对象的物理特性。,按驱动模式：电驱动、液压驱动、气压驱动、复合驱动。,第1章 绪论,1.3.1 执行机构的分类及特性,本课程介绍：伺服电动机、步进电动机和液压驱动系统。,具有与传感器类似的的稳态特性和动态特性。,功率和效率：效率 = 输出功率/输入功率。,调控参数：用来约束加在执行机构上的控制 信号。在某种程度上与极限参数 类似，但针对输入信号而言。,第1章 绪论,1.3.2 执行机构的特性,极限参数：始动参数和最大调控能力。,根据自动控制系统要求、被控对象特性和环境条件，选用合适的执行机构。,根据参数计算结果，预留一定的执行能力，选择执行机构的具体型号。,考虑执行机构对控制系统其他部分和环境的影响，采取必要的防护措施。,第1章 绪论,1.3.3 执行机构的选用,根据具体的执行机构设计控制系统。,1.4 本书的主要内容及学习方法,1.4.1 本书的主要内容 1.4.2 本课程的特点 1.4.3 本课程的学习方法,第1章 绪论,1.4.1 本书的主要内容,传感器篇,位置传感器 力与惯性传感器 环境参数传感器 特殊传感器 测速发电机,传感器,第1章 绪论,自整角机 旋转变压器 感应同步器,执行机构篇,直流伺服电动机 交流伺服电动机 步进电动机,液压驱动系统,控制电机,第1章 绪论,1.4.1 本书的主要内容,应用篇,实际控制系统设计案例,1.4.2 本课程的特点,涉及的知识面广，综合性强；,各部分具有一定的独立性；,实践性强。,包含多种学科知识，如物理、机械、材料、电磁学、数学、电子等等。,包含多种电机、多种传感器。,第1章 绪论,1.4.3 本课程的学习方法,通原理,勤比较,重应用,会设计,学习思路：原理-结构-特性-选用,掌握基本工作原理，分析相关特性；,比较不同类型特性，做到正确选用；,掌握使用注意事项，注重信号处理；,综合运用所学知识，注重设计思想。,第1章 绪论,学习要求,注重分析思路，养成良好的学习方法；,注意相关知识的复习；,通览思考题和习题，认真完成作业；,注意比较总结自己完成；,通过实例，掌握器件使用和系统设计。,第1章 绪论,判断题,简答题,分析题,设计题,考试题型,考核对基本概念、基本特性的理解；,考核基本原理、基本特性和使用方法；,考核工作原理、性能分析和使用方法；,考核知识的综合运用能力。,第1章 绪论,控制器件国防科技大学机电工程与自动化学院自动控制系杨益强联系电话：0731-4576305E-mail：yyq0000第1章 绪论1.1 自动控制系统与控制器件1.2 传感器概述1.3 执行机构概述1.4 本书的主要内容及学习方法1.1 自动控制系统与控制器件1.1.1 自动控制系统的定义1.1.2 控制器件的基本概念1.1.3 控制器件涉及的知识结构第1章 绪论1.1.1 自动控制系统的定义第1章 绪论 自动控制系统是指无人直接参与的情况下，自动使被控对象按照预定的规律运行的系统。 第1章 绪论1. 自动控制系统实例工业生产自动控制第1章 绪论1. 自动控制系统实例第1章 绪论1. 自动控制系统实例第1章 绪论1. 自动控制系统实例无人驾驶车第1章 绪论1. 自动控制系统实例第1章 绪论1. 自动控制系统实例战斗部发动机自动驾驶/制导装置热电池蓄能器控制尾翼姿态测量装置激光导引头1. 自动控制系统实例第1章 绪论2. 自动控制系统组成 基本组成第1章 绪论舵机-+水平尾翼电位器放大器输入装置 基本组成2. 自动控制系统组成第1章 绪论舵机-+水平尾翼电位器放大器输入装置 基本组成2. 自动控制系统组成第1章 绪论舵机-+水平尾翼电位器放大器输入装置指令输入装置电位器放大器2. 自动控制系统组成第1章 绪论舵机-+水平尾翼电位器放大器输入装置指令输入装置电位器放大器2. 自动控制系统组成第1章 绪论舵机-+水平尾翼电位器放大器输入装置指令输入装置舵机平尾电位器放大器2. 自动控制系统组成第1章 绪论舵机-+水平尾翼电位器放大器输入装置指令输入装置舵机平尾电位器放大器2. 自动控制系统组成第1章 绪论舵机-+水平尾翼电位器放大器输入装置指令输入装置舵机平尾飞机俯仰输出电位器放大器2. 自动控制系统组成第1章 绪论变换/处理(控制器)执行机构被控对象检测装置(传感器)-输出垂直陀螺飞机的俯仰运动舵机和平尾飞机误差舵机-+水平尾翼电位器放大器输入装置输入装置指令比较(电位计)第1章 绪论变换/处理(控制器)执行机构被控对象检测装置(传感器)-输出垂直陀螺飞机的俯仰运动舵机和平尾飞机误差输入装置指令比较(电位计)第1章 绪论 基本组成2. 自动控制系统组成第1章 绪论 检测自动控制系统的三个基本要素 处理 执行 传感器，相当于人的感觉器官； 控制器，相当于人的大脑； 执行机构，相当于人的四肢。第1章 绪论1.1.2 控制器件的基本概念广义定义：自动控制系统使用的器件。执行机构 传感器 放大元件 校正元件第1章 绪论控制器件的内涵执行机构：驱动控制对象，直接完成控制任务。 传感器：将被测量检测出来，并转换成容易处 理和使用的物理量，又称测量元件。第1章 绪论知识领域：传感与检测知识单元：物理、化学、生物等传感器，检测与 诊断，遥测、遥感，抗干扰技术，测 量信号处理，机器人感知等。1.1.3 控制器件涉及的知识结构第1章 绪论知识领域：执行与驱动知识单元：机电汽液驱动、自动化仪表、光机电 一体化、各种遥控器、电力电子等。1.1.3 控制器件涉及的知识结构第1章 绪论1.1.3 控制器件涉及的知识结构知识领域：模型与仿真知识单元：系统辨识参数估计、各类系统建模技 术、仿真技术、电机原理与传动、机 械原理与结构、机器人原理等。第1章 绪论知识领域：通信与网络知识单元：通信技术、计算机网络、多媒体、遥 技术等。1.1.3 控制器件涉及的知识结构第1章 绪论知识领域：计算与处理知识单元：信号、图象处理，并行、分布处理， 软件工程，计算、搜索、推理，模式 识别等。1.1.3 控制器件涉及的知识结构第1章 绪论知识领域：控制与智能知识单元：控制理论，稳定性与鲁棒性，可靠性 与容错性，适应性、自学习，人工智 能，最优、智能控制，人机控制等。1.1.3 控制器件涉及的知识结构第1章 绪论1.2 传感器概述1.2.1 传感器定义及分类1.2.2 传感器的特性 1.2.3 现代传感器发展动态 第1章 绪论1. 传感器的定义 能够把被测物理量转换成对应电信号的装置。传感器一般由敏感部分和信号转换部分组成，其中敏感部分用来直接感受被测物理量，产生与被测物理量成一定函数关系的输出信号；信号转换部分则将敏感部分的输出转换成相应的电信号。有些传感器直接敏感被测物理量，输出与之成一定函数关系的电信号。传感器的输出电信号有多种形式，一般有电阻、电容、电压、电流、频率、脉冲等。第1章 绪论 2. 传感器的分类 按输出信号的特性：模拟信号和数字信号按物理现象：结构型和物理特性型 按被测物理量：位置传感器、压力传感器、温度传感器、气体传感器、湿度传感器等 按传感器的测量和转换原理：电阻式传感器、电容式传感器、感应式传感器等 第1章 绪论3. 传感器在自动控制系统中的应用 传感器相当于人的感觉器官自动控制系统第1章 绪论 实例：飞机需要测量的参数飞行参数：高度、气流速度（空速）、姿态发动机参数：转速、喷气温度、油量、滑油 压力和滑油温度环境参数：座舱压力、座舱内外压差、氧气量导航参数：位置、航向、速度、姿态、加速度第1章 绪论1.2.2 传感器的特性 基本概念传感器特性：传感器的输出与输入的对应关系。一般满足一定的函数关系。 对大多数传感器而言，其特性函数通常是一个多输入、单输出的函数。一般简化成单输入、单输出的函数，输入量就是被测的物理量，输出量是一个对应的电信号。 与自动控制系统的性能一样，传感器的特性也分为稳态（静态）特性和动态特性。 第1章 绪论 1. 稳态特性和稳态性能指标 传感器的稳态特性，是指传感器测量值达到稳定状态时的特性，也称静态特性。它是不随时间变化的输出量与输入量之间的关系。 稳态特性是在不同的不随时间变化的恒定输入下，传感器的稳定输出值与输入量的关系。 传感器的稳态性能指标主要有线性度、精度、分辨力、灵敏度、重复性、稳定性等。 第1章 绪论1.2.2 传感器的特性 1. 稳态特性和稳态性能指标 （1） 线性度 线性度是指拟合的特性直线与实际特性曲线的接近程度，有的场合也称为非线性度。 用线性相对误差的百分比来表示线性度L： 第1章 绪论 （2） 精度 精度：传感器测量被测物理量的准确程度。 绝对精度：在测量范围内的最大测量误差的绝对值，其单位就是被测物理量的单位。 相对精度：绝对精度与最大测量输出值的比值，常用的有百分比和百万分比(ppm)。第1章 绪论1. 稳态特性和稳态性能指标 （3） 分辨力（分辨率） 分辨力：传感器能够敏感和识别的最小输入量，其单位就是被测物理量的单位。灵敏度：稳定状态下传感器输出的变化量与输入变化量的比值。 （4）灵敏度 第1章 绪论1. 稳态特性和稳态性能指标 （5）重复性 重复性：输入量按同一方向全量程变化时，多次测量得到的传感器输出特性之间的一致性。重复性通过重复性误差 e 这一指标来反映。 Y为满量程最大输出值，是多次重复测量标准偏差。 第1章 绪论1. 稳态特性和稳态性能指标 （6）稳定性 稳定性：当时间和环境参数等变化时，传感器特性保持不变的能力。 传感器的稳定性随时间的变化，一般表现为零位的漂移。 零位漂移：在一定的环境条件下，输入量为零时，输出的变化量，一般采用单位时间内零漂量来反映传感器的时间稳定性。 时间稳定性：在一定条件下，输入量一定时，在规定时间内输出的变化量。 第1章 绪论1. 稳态特性和稳态性能指标 2. 动态特性与动态性能指标 动态过程：传感器开始测量到测量结束这一过程，或被测物理量发生变化时，传感器的测量值由旧的数值变化到相应的新的数值的过程。 动态特性：在动态过程中，传感器的输出值随时间变化时所表现出来的性质。指标：与自动控制系统一样，主要包括频带、时间常数、响应时间、固有频率和超调量等。 第1章 绪论1.2.2 传感器的特性 3. 影响传感器工作性能的其它因素 安装误差：安装后的传感器与理论位置之间存在的误差。 环境适应性：除稳定性外，在冲击、振动、湿度、腐蚀等环境因素对传感器的影响。 抗干扰能力：指在使用过程中，外部干扰对传感器工作性能的影响。 负载效应：测量和信号处理电路，使得传感器输出信号与标称值会出现不一致。 第1章 绪论1.2.2 传感器的特性 1.2.3 现代传感器的发展动态 探索新理论，采用新的材料、技术、工艺 多功能、高精度、高性能、微型化、集成化、数字化和智能化 1. 新技术和新材料 2. 新的生产和加工技术 3. 微型化和集成化 4. 智能化 第1章 绪论1.3 执行机构概述1.3.1 执行机构的定义及分类1.3.2 执行机构的特性 1.3.3 执行机构的选用 第1章 绪论 1. 执行机构的定义 执行机构是指能够改变被控对象状态的装置。执行机构与传感器的重大区别在于，所有执行机构都有能量输出给被控对象。 第1章 绪论1.3.1 执行机构的分类及特性 2. 执行机构的分类 按对被控对象的作用：改变被控对象的运动状态、改变被控对象的物理特性。按驱动模式：电驱动、液压驱动、气压驱动、复合驱动。 第1章 绪论1.3.1 执行机构的分类及特性 本课程介绍：伺服电动机、步进电动机和液压驱动系统。 具有与传感器类似的的稳态特性和动态特性。 功率和效率：效率 = 输出功率/输入功率。 调控参数：用来约束加在执行机构上的控制 信号。在某种程度上与极限参数 类似，但针对输入信号而言。 第1章 绪论1.3.2 执行机构的特性 极限参数：始动参数和最大调控能力。 根据自动控制系统要求、被控对象特性和环境条件，选用合适的执行机构。 根据参数计算结果，预留一定的执行能力，选择执行机构的具体型号。考虑执行机构对控制系统其他部分和环境的影响，采取必要的防护措施。第1章 绪论1.3.3 执行机构的选用 根据具体的执行机构设计控制系统。 1.4 本书的主要内容及学习方法1.4.1 本书的主要内容1.4.2 本课程的特点 1.4.3 本课程的学习方法 第1章 绪论1.4.1 本书的主要内容 传感器篇位置传感器力与惯性传感器环境参数传感器特殊传感器测速发电机传感器第1章 绪论自整角机旋转变压器感应同步器执行机构篇直流伺服电动机交流伺服电动机步进电动机液压驱动系统控制电机第1章 绪论1.4.1 本书的主要内容应用篇实际控制系统设计案例1.4.2 本课程的特点涉及的知识面广，综合性强； 各部分具有一定的独立性； 实践性强。 包含多种学科知识，如物理、机械、材料、电磁学、数学、电子等等。 包含多种电机、多种传感器。第1章 绪论1.4.3 本课程的学习方法 通原理 勤比较 重应用 会设计 学习思路：原理-结构-特性-选用掌握基本工作原理，分析相关特性；比较不同类型特性，做到正确选用；掌握使用注意事项，注重信号处理；综合运用所学知识，注重设计思想。第1章 绪论学习要求 注重分析思路，养成良好的学习方法； 注意相关知识的复习； 通览思考题和习题，认真完成作业； 注意比较总结自己完成； 通过实例，掌握器件使用和系统设计。第1章 绪论 判断题 简答题 分析题 设计题 考试题型考核对基本概念、基本特性的理解；考核基本原理、基本特性和使用方法；考核工作原理、性能分析和使用方法；考核知识的综合运用能力。第1章 绪论传感器篇,第2章 位置传感器 第3章 力与惯性传感器 第4章 环境参数传感器 第5章 特殊传感器 第6章 测速发电机,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器 2.2 电容式位置传感器 2.3 感应式位置传感器 2.4 磁敏式位置传感器 2.5 光电式位置传感器,2.1 电阻式位置传感器,2.1.1 线性电位器,骨架截面积处处相等。,k为比例系数，实际就是传感器的灵敏度。,放大电路采用高输入阻抗，消除负载效应。,X,2.1 电阻式位置传感器,老式飞机上使用电位器来测量油量。,浮子 -杠杆 -电位器电刷 -电阻值,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器,2.1.2 函数电位器,电位器骨架截面积按一定的函数规律变化。,老式飞机上使用电位器来测量油量。,浮子 -杠杆 -电位器电刷 -电阻值,输出值与电刷位移量呈一定的函数关系。,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器,2.1.3 环形电位器,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器,2.1.3 环形电位器,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器,精密直线电位器,环形（弧形） 电位器,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器,2.2.1 电容式位置传感器的原理及应用,变间隙式,变面积式,变介电常数式,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器,2.2.2 电容值的读取,1 运算放大器法,可将变间隙式电容传感器的输出变成线性关系,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器,2.2.2 电容值的读取,2 二极管双T型交流电桥,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器,2.2.2 电容值的读取,3 振荡频率检测法,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器,2.2.2 电容值的读取,4 差动脉冲调宽法,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器,2.2.3 差动测量法,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器,电容式油量表 传感器,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.1 自整角机,1 基本工作原理,转子绕组通交流电，在空间产生脉振磁场，三相绕组输出电压幅值的比值与定、转子相对转角存在一一对应的关系。,第2章 位置传感器,2.3.1 自整角机,2 自整角机对的工作原理,发送机转子绕组通交流电，接收机定子合成脉振磁场与发送机转子磁场方向相同；接收机转子绕组不处在协调位置时，输出的感应电势就反映了误差角。,第2章 位置传感器,2.3.1 自整角机,3 力矩式自整角机,接收机转子绕组通上与发送机转子绕组相同的交流电，在接收机定子合成磁场作用下，接收机转子绕组转到协调位置。,输出力矩有限,第2章 位置传感器,2.3.1 自整角机,4 差动自整角发送机,差动自整角发送机转子也由三相绕组构成。用来把发送机指令角，变为发送机指令角和差动发送机转角的差值。 （ 1 -1-2）。,第2章 位置传感器,2.3.1 自整角机,角位置数字转换模块,与自整角发送机配套使用，其输入信号为转子励磁电压（参考电压）和三相定子绕组电压，输出为角位置。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.2 旋转变压器,1、组成和基本原理,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器,2、负载效应及其误差补偿,负载效应：输出绕组接负载后，绕组电流形成 的磁场使输出特性曲线发生畸变。,交轴分量使工作磁场偏离励磁绕组轴线方向，是引起输出特性曲线畸变的主要因素。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器,2、负载效应及其误差补偿,原边补偿：定子交轴绕组短接，感应电流产生 的磁场抵消转子交轴磁场。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器,2、负载效应及其误差补偿,副边补偿：另一输出绕组接等值负载，其交轴 磁场抵消工作输出绕组交轴磁场。,工作负载变化时，无法完全补偿。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器,3、线性旋转变压器,Uo,EZ,ED,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器,3、线性旋转变压器,当ku取0.560.59之间时，定转子夹角在60范围内，线性误差可小于0.1%.,不同的接线方法，可以使得传感器的测量公式和输出特性不同。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器,4、多极和双通道旋转变压器,转子转动一周，输出信号变化p个周期。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器,4、多极和双通道旋转变压器,极对数为p的多极旋变转子转动一周时，输出信号有2p个零位，有p个位置对应一个输出电压值（信号不为零时）。,双通道旋转变压器由一个两极旋变和一个多极旋变组合而成，两极旋变用来确定粗略的角度值（即确定被测角度的范围），多极旋变则用来进行角度值的精确测量。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器,5、旋转变压器的应用,角位置测量：使用方法与自整角机相同，但一般精度较低且要补偿负载效应。,三角函数模拟计算：变比ku为1,调节信号电压：变比可调变压器，但允许通过的电流较小。,定子和转子匝数相等；或在输出绕组后面增加放大倍数为1/ku的放大器。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器,5、旋转变压器的应用,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.3 感应同步器,1、圆形感应同步器,多极旋变的进一步细分。极数一般有180、360、720。,励磁,正弦,余弦,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.3 感应同步器,2、直线式感应同步器,第2章 位置传感器,移动一个极距，产生一个周期变化的正弦和余弦信号。,2.3 感应式位置传感器,2.3.3 感应同步器,3、感应同步器的使用,零位检测：转子基准绕组与定子基准绕组中心线对正，位置传感器输出一个脉冲信号。,整周信号读取：由一个计数器专门记录转子基准绕组转过的定子极数。,正余弦信号读取：鉴幅法、鉴相法或幅相法。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,1、感应式定位传感器,两个输出绕组反相串联，与需要定位控制的被控对象固连。,控制电路的输入信号是两个输出绕组感应电势的差值。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,2、变电感式位置传感器,利用铁心在螺线管中的有效长度或磁路磁阻随被测对象位置不同而不同，使得电感线圈的电感值发生变化，从而输出与被测位置成一定函数关系的交流电信号。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,2、变电感式位置传感器,给变电感式位置传感器加上励磁线圈，把两个电感线圈当成变压器的副边绕组，并将它们反向串联后输出给控制电路，则构成了差动变压器。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,2、变电感式位置传感器,差动变压器,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,2、变电感式位置传感器,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,3、涡流式位置传感器,通有交流电的电感线圈接近金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流为闭合回线，故称之为涡流。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,3、涡流式位置传感器,环状涡流也产生交变磁场，会抵消部分原磁场，这一影响可以等效为线圈L的电感值的变化。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,3、涡流式位置传感器,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,3、涡流式位置传感器,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.1 干簧管,当有磁铁或磁场靠近干簧管时，两个弹片（干簧片）会被磁化，在磁力的作用下，两弹片克服弹力接触到一起，使开关接通。,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,霍尔效应：霍尔元件长度方向通以控制电流、厚度方向存在磁场作用时，在宽度方向产生电势（霍尔电势）。,1、霍尔效应及其产生的原理,UH,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,霍尔效应是半导体中自由电荷在磁场中受洛仑兹力作用而产生的。,1、霍尔效应及其产生的原理,UH,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,1、霍尔效应及其产生的原理,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,2、霍尔元件的主要技术参数,额定功耗P0；输入电阻Ri和输出电阻Ro；霍尔电势温度系数；内阻温度系数；灵敏度KH .,第2章 位置传感器,不平衡电势U0 ：在额定控制电流I作用下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势（单位为mv）。 U0与额定控制电流之比称为不平衡电阻r0 . 有些产品也提供不平衡电阻参数值。,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,3、霍尔电势的测量和误差补偿,测量电路,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,3、霍尔电势的测量和误差补偿,零位误差补偿电路,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,4、霍尔集成电路,线性型：三端T型,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,4、霍尔集成电路,线性型：八针双列直插型,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,4、霍尔集成电路,开关型,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,4、霍尔集成电路,开关型,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,4、霍尔集成电路,开关型,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,5、霍尔元件应用,测量微小位移：线性霍尔集成电路，恒定控制电流、稳定的外部磁场。 测量转速：开关型霍尔集成电路。 测量电流和磁场的大小，如直流稳流控制装置和高精度高斯计。 铁磁材料无损探伤：受损后导磁性能变化。,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,5、霍尔元件应用,无刷直流电机,主要由电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。,可看成齿数很少的步进电机，其定子绕组通电顺序由位置传感器测量值控制。,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,飞机发动机转速表,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.3 磁敏电阻,1、磁阻效应,N 型半导体元件有电流流过且受到外部磁场作用时，霍尔效应使得沿电流方向电子减少，从而使器件的电阻值增大。,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.3 磁敏电阻,2、磁敏电阻,T,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.3 磁敏电阻,3、磁敏电阻的应用,无触点开关、行程控制装置、转速计、电子水表、可变电阻、流量计、计数器、图形识别、读磁
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