机电系统检测与控制--第四章传感器与检测系统

1、济南大学机械工程学院济南大学机械工程学院第四章 传感器与检测系统 4.14.1传感器的分类及特性传感器的分类及特性。二、传感器的特性二、传感器的特性100%BFSyLxyS0%100maxFSyhH。二、传感器的特性二、传感器的特性。二、传感器的特性二、传感器的特性6测量范围测量范围 传感器所能测量到的最小输入量传感器所能测量到的最小输入量 与最大输入量与最大输入量 之间的范围称为之间的范围称为传感器的测量范围。传感器的测量范围。7. 量程量程 传感器测量范围的上限值传感器测量范围的上限值 与下限值与下限值 的代数差的代数差 - 称为量程。称为量程。8.零漂零漂 传感器在零输入状态下，输出值的

2、变化称为零漂，零漂可用相对传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，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。二、传感器的特性二、传感器的特性二、传感器的特性二、传感器的特性两种典型的输入响应：二、传感器的特性二、传感器的特性 4.2 4.2 位移传感器位移传感器分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻气隙型可变磁阻气隙型涡流式涡流式互感型互感型可变磁阻面积型可变磁阻面积型可变磁阻螺线管型可变磁阻螺线管型1、自感型电感式传感器、自感型电感式传感器1、自感型电感式传感器、自感型电感式传感器当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2 灵敏度k为0

3、02LLk1、自感型电感式传感器、自感型电感式传感器 螺线管型自感传感器螺线管型自感传感器如果在线圈中放入圆柱如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。化，就构成了螺线管型自感传感器。2、互感型电感式传感器、互感型电感式传感器2、互感型电感式传感器、互感型电感式传感器优点：优点： 差动变压器式电感位移传感器测量精度差动变压器式电感位移传感器测量精度高，分辨力可达高，分辨力可达0.1m,线性范围大，有的能线性范围大，有的能达到达到250mm,稳定性好，使用方便。这种传感稳定性好，使用方便。这种传感器广泛用于

4、直线位移、角位移以及可转换成器广泛用于直线位移、角位移以及可转换成位移的其他机械量，如压力、重量、膨胀等。位移的其他机械量，如压力、重量、膨胀等。3、电涡流式传感器、电涡流式传感器3、电涡流式传感器、电涡流式传感器二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器0sC 02sdCd 02sdCCKd 二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器22arS202arC202rdCKda常数二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器 二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器二、电容式位移传感器

5、二、电容式位移传感器（1） 工作原理工作原理R三三 、电阻式传感器、电阻式传感器ABVRKV0 检测直线位移或回转位移使用较多的是电位差计。在直线检测直线位移或回转位移使用较多的是电位差计。在直线型中，行程可从型中，行程可从lcmlcm到到25cm25cm左右。在回转型中有一转与多转之左右。在回转型中有一转与多转之别，多转型精度容易做得很高。别，多转型精度容易做得很高。 (2) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: 1) 线性线性(或曲线的一致性或曲线的一致性); 4) 移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; 2) 分辨率分辨率; 5) 电阻温度系数电阻温度系数; 3) 整个电阻

6、值的偏差整个电阻值的偏差; 6) 寿命寿命;(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类:变阻器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕电位器按电位器结构分三三 、电阻式传感器、电阻式传感器(4)变阻器式传感器的特点：变阻器式传感器的特点：三三 、电阻式传感器、电阻式传感器四、光栅数字传感器四、光栅数字传感器 四、光栅数字传感器四、光栅数字传感器 32411.标尺光栅 2.指示光栅3.光电元件 4.光源四、光栅数字传感器四、光栅数字传感器 四、光栅数字传感器四、光栅数字传感器 ddffddBffddW/2WddW/2指 示 光 栅标 尺 光

7、 栅四、光栅数字传感器四、光栅数字传感器 WWB2sin2四、光栅数字传感器四、光栅数字传感器 WWB2sin2 四、光栅数字传感器四、光栅数字传感器 U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin0四、光栅数字传感器四、光栅数字传感器 五、五、感应同步器五、五、感应同步器4l五、五、感应同步器 包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距定尺和滑尺上制成节距T(一般为一般为2mm)的方齿形线圈。定的方齿形线圈。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

8、余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，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余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（安装，其间保持一定间隙（0.050.2mm）。）。五、五、感应同步器 在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为（一般为210kHz）的）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电动势。感的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。 五、五、感应同步器cos360cos2s

9、sKUTxKUUo 设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕，余弦绕组供电电压为组供电电压为Uc，移动距离为，移动距离为x，节距，节距为为T，则正弦绕组单独供电时，在定尺，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为上感应电势为五、五、感应同步器sin360sin2ccKUTxKUUosincos222csKUKUUUU余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 TxTx2360)(o3. 测量方法测量方法 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有式的不同，感应同步器的

10、测量方式有鉴相式鉴相式和和鉴幅式鉴幅式两种两种工作法。工作法。五、五、感应同步器(1)鉴相式工作法鉴相式工作法 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差位相差90o的两个电压，设的两个电压，设tmsUUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUtKUmmmTxo360五、五、感应同步器2.鉴幅工作法鉴幅工作法 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：但幅值不等的两个交流电压：tmUUssinsintmUUc

11、sincostKUUUUmsin)sin(222五、五、感应同步器六、光电编码器六、光电编码器六、光电编码器六、光电编码器1、增量式光电编码器、增量式光电编码器六、光电编码器六、光电编码器1、增量式光电编码器、增量式光电编码器 增量式光电编码盘构成的角度增量式光电编码盘构成的角度数字转换系统，数字转换系统，包括增量式光电编码盘、光源、光敏转换元件以及放包括增量式光电编码盘、光源、光敏转换元件以及放大、整形、辨向和计数等后续处理电路。大、整形、辨向和计数等后续处理电路。六、光电编码器六、光电编码器1、增量式光电编码器、增量式光电编码器六、光电编码器六、光电编码器测量角位移时，单位脉冲对应的角度为

12、测量角位移时，单位脉冲对应的角度为 360m360mNN六、光电编码器六、光电编码器2、绝对式光电编码器、绝对式光电编码器 绝对式光电编码盘直接输出码盘上的编码，从而检测绝对位置。绝对式光电编码盘由内向外由多个码道组成，码道的条数就是数码的位数，由内至外构成一个编码。4位格雷码的码盘示意图:黑色部分为不透光区域，输出二进制码“1”；白色部分为透光区域，输出二进制码“0”。 六、光电编码器六、光电编码器作业：作业：.增量式与绝对式圆光栅编码器各有何特点？增量增量式与绝对式圆光栅编码器各有何特点？增量式圆光栅编码器如何辨别转动方向？式圆光栅编码器如何辨别转动方向？简述摩尔条纹的特点及其应用。简述摩

13、尔条纹的特点及其应用。 4.3 速度传感器速度传感器4.3 速度传感器速度传感器4.3 速度传感器速度传感器ZtNn604.3 速度传感器速度传感器4.4 加速度传感器加速度传感器 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。变化的现象。金属丝式电阻应变片金属丝式电阻应变片金属丝式电阻应变片外形金属丝式电阻应变片外形1）工作原理）工作原理金属应变片的

14、电阻金属应变片的电阻R为为AlRdRdAARdllRdRrA2drldrrldlrdR2322)2(drdrldlRldlldlrdrEd)21 (ER纵向应变纵向应变泊松比泊松比弹性模量弹性模量压阻系数压阻系数应变计 金属应变片有：金属应变片有： 丝式、箔式丝式、箔式 优点：优点： 稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好 缺点：缺点： 灵敏度系数小灵敏度系数小应变计(1) 直流电桥直流电桥5) 信号放大电路信号放大电路 UIRRRRRRRRUIRRRRRRUbcUbaUO)34)(2(14231)344211(RRRR4231RRUII211RRUII344UIRRRRIUba21111UIR

15、RRRIUbc34444平衡条件平衡条件直流电桥的连接方式直流电桥的连接方式a)半桥单臂半桥单臂b)半桥双臂半桥双臂c)全桥全桥(a)半桥单臂半桥单臂UIRRUIRRRUIRRRRRRRRUO04204)344211(RRRRR04321令RR0又因为(b)半桥双臂半桥双臂UIRRUO02(c) 全桥全桥UIRRUO0直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件4231RRRR优点：优点：所需的高稳定直流电源较易获得；所需的高稳定直流电源较易获得；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；对从传感器到测量仪表的连接导线要量；对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平

16、衡电路简单。求较低，电桥的平衡电路简单。缺点：缺点：直流放大器比较复杂，易受零漂和直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。接地电位的影响。2）交流电桥）交流电桥平衡条件平衡条件4231ZZZZ4231交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定度。率稳定度。 二、压电式二、压电式4.5、力、压力和扭矩传感器、力、压力和扭矩传感器 21,Gll

17、GRREAPE二、二、弹性元件铰链弯曲式弹性元件梁式弹性元件受径向载荷二、二、弹性元件电阻应变转矩传感器。它的弹性元件是一个与被测转矩的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轴相连的转轴,转轴上贴有与轴线成转轴上贴有与轴线成45的应变片的应变片,应变片两应变片两两相互垂直两相互垂直,并接成全桥工作的电路方式。并接成全桥工作的电路方式。三、三、转矩传感器弹性元件应变片接线插座集流刷子壳体承扭轴4545R2R4R1R3三、三、转矩传感器4.6 位置传感器位置传感器 二、接触式位置传感器二、接触式位置传感器 三、非接触式位置传感器三、非接触式位置传感器 .试分析说明电阻电桥有何优点。分析半桥单臂、试分析说明电阻电桥有何优点。分析半桥单臂、半桥双臂、全桥电路中电阻变化转换为电桥的电半桥双臂、全桥电路中电阻变化转换为电桥的电压输出的灵敏度。压输出的灵敏度。 三、非接触式位置传感器三、非接