第5章-检测系统的选择和设计

第5章检测系统的选择和设计 5 1概述5 2位移检测5 3速度 加速度检测5 4力 扭矩和流体压强检测5 5传感器的正确选择和使用 5 1概述 5 1 1检测系统的组成 1 把各种非电量信息转换为电信号 这就是传感器的功能 传感器又称为一次仪表 2 对转换后的电信号进行测量 并进行放大 运算 转换 记录 指示 显示等处理 这叫作电信号处理系统 通常被称为二次仪表 非电量检测系统的结构形式如图5 1所示 图5 1非电量检测系统的结构形式 5 1 2传感器的概念及基本特性1 传感器的构成 传感器一般由敏感元件 传感元件和转换电路三部分组成 如图所示 1 敏感元件 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置 其输入 输出间具有确定的数学关系 最好为线性 如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出 2 转换元件 将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号 如电阻 电感 电容等 形式 3 基本转换电路 将电信号量转换成便于测量的电量 如电压 电流 频率等 计数型 电压 电流型 热电偶 Cds薄膜光电化学电池 电感 电容型 可变电容 有接点型 微动开关 接触开关 行程开关 传感器分类 电阻型 电位器 电阻应变片 非电量型 二值型 电量 无接点型 光电开关 接近开关 模拟型 数字型 代码型 旋转编码器 磁尺 光栅 电感式接近开关 金属 2传感器的静态基本特性 1 线性度 传感器的静态特性是在静态标准条件下 利用一定等级的标准设备 对传感器进行往复循环测试 得到的输入 输出特性 列表或画曲线 通常希望这个特性 曲线 为线性 这对标定和数据处理带来方便 但实际的输出与输入特性只能接近线性 与理论直线有偏差 如图5 3所示 图5 3传感器的线性度示意图 线性度可用下式计算 式中 L 线性度 非线性误差 max 最大非线性绝对误差 yFS 输出满度值 2 灵敏度 传感器在静态标准条件下 输出变化对输入变化的比值称为灵敏度 用S0表示 即对于线性传感器来说 它的灵敏度S0是个常数 3 迟滞传感器在正 输入量增大 反 输入量减小 行程中输出 输入特性曲线的不重合程度称为迟滞 迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示 式中 Hm 输出值在正 反行程间的最大差值 迟滞特性一般由实验方法确定 如图5 4所示 图5 4迟滞特性 4 重复特性 传感器在同一条件下 被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时 所得的输出 输入曲线不一致的程度 称为重复特性 如图5 5所示 重复特性误差用满量程输出的百分数表示 即 Rm 最大重复性误差 重复特性也由实验方法确定 常用绝对误差表示 如图5 5所示 图5 5重复特性 5 分辨力 传感器能检测到的最小的输入增量 6 漂移 由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下 传感器的输出发生的变化称为漂移 7 精度 精度表示测量结果和被测的 真值 的靠近程度 8 测量范围 9 线性范围 3 传感器的动态特性 动态特性是指传感器测量动态信号时 输出对输入的响应特性 5 1 3信号传输与处理电路 传感器信号处理电路考虑的问题主要包括 1 传感器输出信号形式 如是模拟信号还是数字信号 是电压还是电流 2 传感器输出电路形式 是单端输出还是差动输出 3 传感器电路的输出能力 是电压还是功率 输出阻抗的大小如何 4 传感器的特性 如量程 线性度 分辨率等 5 2位移检测 5 2 1模拟式位移传感器1 可变磁阻式电感传感器 典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图所示 它主要由线圈 铁心和活动衔铁组成 NPN三线常开 DC12 24V 图为差动型磁阻式传感器 它由两个相同的线圈 铁心及活动衔铁组成 当活动衔铁接于中间位置 位移为零 时 两线圈的自感L相等 输出为零 当衔铁有位移 时 两个线圈的间隙为 0 0 一个线圈的自感增加 而另一个线圈的自感减小 将两线圈接于电桥的相邻桥臂时 其输出灵敏度可提高一倍 并改善了线性特性 如图所示 可变磁阻螺管型传感器 在可变磁阻螺管线圈中插入一个活动衔铁 当活动衔铁在线圈中运动时 磁阻将变化 导致自感L的变化 这种传感器结构简单 制造容易 但灵敏度低 适用于较大位移 数毫米 测量 双螺管线圈差动型 较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性 被用于电感测微计上 其测量范围为0 300 m 最小分辨力为0 5 m 这种传感器的线圈接于电桥上 构成两个桥臂 线圈电感L1 L2随铁芯位移而变化 电感测头 可变磁阻面积型电感传感器自感L与S0成线性关系 这种传感器灵敏度较低 电感测微仪所用的螺旋差动型位移传感器的结构图 2 涡流式传感器 涡流式传感器的变换原理 是金属导体的涡电流效应 金属板置于一只线圈的附近 它们之间相互的间距为 激励电流i0产生的高频磁场作用于金属板的表面 在金属板表面将形成涡电流 该电流产生一个交变磁场 方向与线圈磁场方向相反 这两个磁场相互叠加就改变了原线圈的阻抗 传感器线圈阻抗Z仅仅是这个参数 的单值函数 通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量 即可实现对该参数的测量 一般是毫米级测量 0 3mm 生产线计数 跳动度非接触测量 案例 连续油管的椭圆度测量 3点测量 案例 无损探伤 原理裂纹检测 缺陷造成涡流变化 3差动变压器电感传感器一 二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化 即绕组间的互感随被测位移改变而变化 由于在使用时采用两个二次绕组反向串接 以差动方式输出 所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器 通常简称差动变压器 差动变压器式传感器的应用测量位移 输入电压 9V 15V输出信号 5V或0 5V或4 20mA的信号 例 板厚的测量 张力测量 4旋转变压器结构如图所示 旋转变压器一般做成两极电机的形式 在定子上有激磁绕组和辅助绕组 它们的轴线相互成90 在转子上有两个输出绕组 正弦输出绕组和余弦输出绕组 这两个绕组的轴线也互成90 一般将其中一个绕组 如Z1 Z2 短接 按输出电压与转子转角间的函数关系分1 正 余弦旋转变压器 其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系 适合大角度测量 2 线性旋转变压器 其输出电压与转子转角成线性函数关系 线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种 适合小角度测量 定子绕组作为变压器的原边 接受励磁电压 励磁频率通常用400 3000及5000Hz等 转子绕组作为变压器的副边 通过电磁耦合得到感应电压 采用专用的转换芯片解码 可以将旋变输出的模拟信号转换为数字信号 旋转变压器是一种精密角度 位置 速度检测装置 适用于所有使用旋转编码器的场合 特别是高温 严寒 潮湿 高速 高震动等旋转编码器无法正常工作的场合 由于旋转变压器以上特点 可完全替代光电编码器 被广泛应用在伺服控制系统等领域的角度 位置检测系统中 5 2 2数字式位移传感器1光栅位移传感器光栅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 其结构如图所示 光栅直线位移计量程L 3 5 7 10 15 20 35 45 55mm分辨率D 10 0 1 m 2感应同步器 sin cos 节距2 2mm 节距 0 5mm 滑尺 定尺 包括定尺和滑尺 用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距T 一般为2mm 的方齿形线圈 定尺绕组是连续的 滑尺上分布着两个励磁绕组 分别称为正弦绕组和余弦绕组 当正弦绕组与定尺绕组相位相同时 余弦绕组与定尺绕组错开1 4节距 滑尺和定尺相对平行安装 其间保持一定间隙 0 05 0 2mm 感应同步器的工作原理 在滑尺的绕组中 施加频率为f 一般为2 10kHz 的交变电流时 定尺绕组感应出频率为f的感应电动势 感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关 利用感应电压的变化可以求得位移X 从而进行位置检测 它有圆盘式和直线式两种 圆盘式感应同步器如图所示 其转子相当于直线感应同步器的滑尺 定子相当于定尺 3磁栅式位移传感器的结构 1 磁性膜2 基体3 磁尺4 磁头5 铁芯6 励磁绕组7 拾磁绕组 磁栅分辨率 0 0002 0 001 0 01 1MM输出 TTL方波信号 5 3速度 加速度检测 5 3 1直流测速机速度检测图所示为永磁式测速机的原理图 恒定磁通由定子产生 当转子在磁场中旋转时 电枢绕组中即产生交变的电势 经换向器和电刷转换成正比的直流电势 直流测速发电机在机电控制系统中 主要用作测速和校正的元件 在使用中 为了提高检测灵敏度 尽可能把它直接连接到电机轴上 有的电机本身就已安装了测速发电机 5 3 2光电编码器 光电编码器是一种角位移传感器 由装在被测轴 或与被测轴相连接的输入轴 上的带缝隙圆盘2 光源 光电器件4和指示缝隙盘3组成 如图所示 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速 根据测量单位时间内的脉冲数N 则可测出转速为 式中 Z 圆盘上的缝隙数 n 转速 r min t 测量时间 s N 脉冲数 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A B和Z相 A B两组脉冲相位差90度 从而可方便地判断出旋转方向 而Z相为每转一个脉冲 用于基准点定位 光电编码器伺服系统用于闭环控制当测出的脉冲个数与计算出的标准值有偏差时 可根据电压与脉冲个数的对应关系计算出输出给伺服系统的增量电压 U 直流电机 控制电机 5 3 3应变式加速度传感器应变式传感器加速度测试原理如图所示 它通过测试惯性力引起弹性敏感元件的变形换算关系 5 3 4压电速度传感器1 压电效应及压电材料图示晶体切片在x轴和y轴方向受压力和拉力时电荷产生方向的情况 2 压电传感器的结构及特性压电传感器一般由两片或多片压电晶体粘合而成 由于压电晶片有电荷极性 因此接法上分成并联和串联两种 如图 图压电传感器的并联 串联示意图 a 并联 b 串联 3 压电传感器的应用可以测量力和速度 加速度 压电加速度测试传感器的结构如图所示 图压电加速度传感器的结构 5 4力 扭矩和流体压强检测 5 4 1力 力矩检测1 柱形或筒形弹性元件 如图5 28所示 这种弹性元件结构简单 可承受较大的载荷 常用于测量较大力的拉 压 力传感器中 但其抗偏心载荷和测向力的能力差 制成的传感器高度大 应变片在柱形和筒形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法如图5 28所示 图5 28柱形和筒形弹性元件组成的测力传感器 2 梁式弹性元件 1 悬臂梁式弹性元件 它的特点是结构简单 容易加工 粘贴应变片方便 灵敏度较高 适用于测量小载荷的传感器 图所示为一截面悬臂梁弹性元件 在其同一截面正反两面粘贴应变片 组成差动工作形式的电桥输出 2 两端固定梁 这种弹性元件的结构形状 参数以及应变片粘贴组成桥的形式如图所示 它的悬臂梁刚度大 抗侧向能力强 3 扭矩测量图所示为电阻应变转矩传感器 它的弹性元件是一个与被测转矩的轴相连的转轴 转轴上贴有与轴线成45 的应变片 应变片两两相互垂直 并接成全桥工作的电路方式 5 4 2流体压强传感器 1 膜式压力传感器 它的弹性元件为四周固定的等截面圆形薄板 又称平膜板或膜片 其一表面承受被测分布压力 另一侧面贴有应变片 应变片接成桥路输出 2 筒式压力传感器如图所示 工作应变片R1 R3和R2 R4沿圆周方向贴在筒壁上 并接成全桥线路 这种传感器适用于测量较大压力 5 5传感器的选择和正确使用5 5 1传感器的选择1 测试要求和条件 测量目的 被测物理量 测量范围 输入信号最大值和测量范围 测量精度要求 测量所需时间要求等 2 传感器特性 精度 稳定性 响应速度 输出量性质 校正周期 输入端保护等 3 使用条件 安装条件 工作场地的环境条件 温度 湿度 振动等 测量时间 所需功率容量 与其它设备的连接 备件与维修服务等 5 5 2传感器的正确使用1 线性化处理与补偿在机电一体化测控系统中 特别是需对被测参量进行显示时 总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系 使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致 以便于读数及对系统进行分析处理 2 传感器的标定传感器的标定 就是利用精度高一级的标准量具对传感器进行定度的过程 从而确定其输出量和输入量之间的对应关系 同时也确定不同使用条件下的误差关系 传感器使用前要进行标定 使用一段时间后还要定期进行校正 检查精度性能是否满足原设计指标 3 抗干扰措施传感器大多要在现场工作 而现场的条