机电一体化教案与PPT教案

1、会计学1机电一体化教案与机电一体化教案与向集成化、组合式、数字化方向发展；（3）重视非接触式检测技术研究；（4）检测系统智能化。第1页/共135页,作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。n 第2页/共135页图 4-1 非电量检测系统的结构形式 光、声、 位移、 压力、 磁等非电量信号转换成电信号模拟电信号传输、运算放大切换、存储处理电信号数字转换成电信号驱动 光、声、 位移、 文字等被测物理量传感器以计算机为中心的电信号处理系统执行设备非电量检测系统的结构形式第3页/共135页敏感元件转换元件基本转换电路电量被测量图4-2 传感器的组成框图第4页/共135页量,如电压、电流、频率等。第5页/

2、共135页（曲线）为线性。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,如图示。yFS21max0 xFS1实际曲线2理想曲线yx第6页/共135页n%100maxFSLy（4-1） xyS输入量的变化量输出量的变化量0第7页/共135页n式中:Hm输出值在正、反行程间的最大差值。n迟滞特性一般用实验方法确定。 %10021%100FSmHFSmHyHyH或yFSHm0 xFSyx第8页/共135页用满量程输出的百分数表示,即n式中，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。%100FSmRyRyFS0 xFSxRm1yRm2第9页/共135页n100%ESAAY

3、第10页/共135页感器的输入量输出量之间的关系。n（1）静态标定：确定静态指标。n（2）动态标定：确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间、工作频率和频宽等。第11页/共135页n以幅值形式表示输入量的大小，如电感式传感器、电容式传感器等；n数字式：输出信号为数字量，便于计算机联用，抗干扰性强，如光栅传感器、光电编码器等，输出的脉冲数量多少表示了输入量的大小。n第12页/共135页电桥和谐振电路的测量。n（4）输入量类型：压力、位移、流量、速度、加速度等等。第13页/共135页n（4） 传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。n第14页/共135页n模拟数字转换需要数字输出第15页/共

4、135页第16页/共135页第17页/共135页n第18页/共135页n电涡流式n第19页/共135页图4-6 可变磁阻式电感传感器12x45L01线圈2铁心3活动衔铁4测杆5被测件3 1、可变磁阻式电感传感器 结构如图示，它主要由线圈、铁心和活动衔铁组成。第20页/共135页mRWL2002AAlRm（4-6）第21页/共135页值函数，构成变气隙式电感传感器；若不变，使A0随被测量变化，则构成变截面式电感传感器。n002AR2002AWL （4-8）第22页/共135页n当1 MHz)激励电流i0产生的高频磁场作用于金属板的表面,由于集肤效应,在金属板表面将形成涡电流。该涡流产生的交变磁场

5、又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。 集肤效应：当交变电流通过导体时，电流将趋于导体表面流过的现象，也称趋肤效应或表皮效应。频率越高，集肤效应越明显。 第29页/共135页失。金属板材料G越厚损耗的能量越大，输出电动势u2越小，即u2的大小与G的厚度及材料的性质有关。n当用此测量厚度时，激励电流频率不能太高，否则渗透过小，不利于测量。第30页/共135页第31页/共135页等有关，表明了两线圈间的耦合程度。n常采用差动式。第32页/共135页图4-12 差动变压器式电感传感器 （a）、（b）工作原理; （c）输出特性 WW1W2pxe0We1e2W1ey e1 e2W2xe2ee1

6、e0 x0(a)(b)(c) 差动变压器式传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三部分组成 。初、次级线圈的耦合程度随衔铁的移动而变化，即线圈件的互感随被测量位移变化。第33页/共135页图4-13 差动相敏检波电路的工作原理振荡器放大器相敏检波xR第34页/共135页第35页/共135页第36页/共135页第37页/共135页第38页/共135页n测量精度高，分辨率高，广泛用于静态测量和自动化领域中。第39页/共135页n（2）光的走向：反射光栅和透射光栅，所用材料分别为玻璃和金属（不锈钢）。n（3）形状：长光栅、圆光栅。第40页/共135页 光栅传感器测量系统： 结构组成：光源、透镜、光栅副、光

7、电元件。光栅副包括标尺光栅和指示光栅。 工作原理：莫尔条纹现象。 莫尔条纹：标尺光栅和指示光栅的密度相同，但是长度相差很多，当它们沿刻线成一个很小的角度叠合在一起，由于遮光效应，在光栅上出现明暗相间的条纹，沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。 第41页/共135页图4-16 莫尔条纹示意第42页/共135页1000倍, 大大减轻了电子线路的负担。n(4-10) PW 第43页/共135页图4-17 光栅测量系统差动放大器差动放大器整形器整形器方向判别门电路可逆计数器正向脉冲反向脉冲控制回路光电池组abcd4W标尺光栅聚光镜光源指示光栅 光栅测量系统的基本构成如图

8、示。图中a，b，c，d是四块光电池，即在一个莫尔条纹间距间安装四个光电元件。 光电转换：当两块光栅作相对位移时，光电池上的光强度随莫尔条纹移动而变化，则光电池的输出信号也变化。 辨向：a，b，c，d在同一个莫尔条纹间距间，则产生的信号相位彼此差900 ，经处理可辨别位移方向。第44页/共135页性强。第45页/共135页图4-18 感应同步器原理图1/4W定尺滑尺cossin （1）直线同步感应器 组成：定尺、滑尺。其上均有均匀节距的绕组，滑尺上有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组。当余弦绕组与定子绕组相位相同时，正弦绕组与定子绕组错开1/4节距。 第46页/共135页第47页/共135页t,nu

9、B=Umcostn定尺上的绕组由于电磁感应作用将产生与激磁电压同频率的交变感应电势。图示为感应电势幅值与定尺和滑尺相对位置的关系。定尺绕组12345ABABABABABeA12043510eB2345滑尺绕组位置定尺感应电势变化情况仅对 A绕组激磁仅对 B绕组激磁第48页/共135页n360Wl第49页/共135页势相角的变化。因此,只要测得相角,就可以知道滑尺的相对位移l： n（4-15）Wl360第50页/共135页m1cos1sin)sintn =KUmsin (1-) sint n 当1=时，e=0；当滑尺相对定尺有位移时，感应电动势的幅值增量发生变化，测得e即可测出B的大小。第51页

10、/共135页第52页/共135页n速度测量原理：n（1）频率计数法n（2）模拟法n（3）比较法第53页/共135页 测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。 测速电机有直流测速电机和交流测速电机。 直流测速机速度检测 工作原理：电磁感应原理。转子在磁场中旋转时，电枢绕组即产生交变电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。 分类： （1）励磁方式：电磁式、永磁式。常用的是永磁式测速机。 （2）电枢的结构：有无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等 。第54页/共135页图 4-22 直流测速机的输出

11、特性理想值实测值RLRL1RL2RL RL1 RL2nU/V01/aLKnURRMI0U0RL 负载电阻RL时输出电压V0与转速n成正比；负载电阻RL小输出电压下降，输出电压与转速之间线性度下降。所以要求精度较高的直流测速机，负载电阻RL应尽可能大。第55页/共135页nn第56页/共135页第57页/共135页象，如光敏二极管、光电池等。第58页/共135页图 4-23 光电式转速传感器的结构原理图光源12341透镜；2带缝隙圆盘；3指示缝隙盘；4光电元件 光电式转速传感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、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，将光脉冲转换

12、为电脉冲。第59页/共135页ZtNn60第60页/共135页化成电量，间接度量被测加速度。最常用的有应变式、压电式、电磁感应式等。应变式传感器。第61页/共135页图4-24 应变式加速度传感器m悬臂梁充以阻尼液体的壳体应变片Z0(t)Z1(t) 应变式加速度传感器：通过测试惯性力引起弹性敏感元件的变形换算出力的关系。 电磁感应式传感器是借助弹性元件在惯性力的作用下，变形位移引起气隙的变化导致的电磁特性。 第62页/共135页高），在振动冲击测量中引用非常广泛。n第63页/共135页n xFxy(a) xFxy(b) xy(c) xy(d)FyFy第64页/共135页(b)(a)第65页/共

13、135页 并联接法：输出电荷大，但本身电容也大，时间常数大，适于测量变化较慢的信号，输出测量参数为电荷。 串联接法：输出电压高，本身电容小，适于电压输出信号和测量电路输出阻抗很高的情况。 信号处理：压电传感器的信号较弱，以电荷为表现形式，测量电路必须进行信号放大。测量电路要配置高阻抗的前置放大器和一般放大器。高阻抗的前置放大器的将高阻抗输出变为低阻抗输出，也有放大传感器微弱信号的作用；阻抗变换后的信号则可经一般放大器放大至数据处理设备。 预应力：保证接触面的平坦且压电片始终有压力。第66页/共135页m3121质量块;2压电材料切片;3电荷输出端 压电传感器除了可以测量加速度，还可以用在振动仪

14、、超声波探测、助听器等产品中。 第67页/共135页第68页/共135页第69页/共135页第70页/共135页温度变化的稳定性。第71页/共135页图 4-28 柱形和筒形弹性元件组成的测力传感器p(a)BR2R1R3R4R5R6R8R7ADCUUs(b)R6R8R2R4R1R5R3R7p(c) 1.柱形或筒形弹性元件 特点：结构简单，承载力大，但其抗偏心载荷和测向力的能力差 。采用全桥接法，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示。这种接桥方法能减少偏 心载荷引起的误差，增加传感器的输出灵敏度。第72页/共135页EApEL(4-20)第73页/共135页第74页/共135

15、页pEbhl26(4-22)R3R1bR1(R3)R2(R4)lhp第75页/共135页第76页/共135页204)4(3Ebhll bpA AR3R4hlAAR1R2l0USC=KU 0第77页/共135页R3、4R1、24545AABA AbHhbhGp2第78页/共135页第79页/共135页变片，应变片两两相互垂直，并接成全桥工作的电路方式。第80页/共135页图4-32 转矩传感器示意图弹性元件应变片接线插座集流刷子壳体承扭轴4545R2R4R1R3 应变片感受的应变与被测试件的扭矩MT的关系如下式： MT=2GWT* （4-26）式中，G=E/2（1+）为剪切弹性量；WT为抗扭截面

16、模量,实心圆轴的WT=D 3/16,空心圆轴的WT=D3(1-4)/16,=d/D, d为空心圆柱内径,D为外径。第81页/共135页第82页/共135页片 。 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 输出如图示。应变片膜片R1R2R3R4ll0rth第83页/共135页)3)(1(83)3)(1(8322222222xrEhpxrEhptr（4-27） （4-28） 为保证膜式传感器的线性度小于3,在一定压力作用 下，要求：pEhr5.34第84页/共135页R2R1R4R3D2D1p第85页/共135页n式中，D1圆筒内孔直径； D

17、2圆筒的外壁直径； nE圆筒材料的弹性模量； 圆筒材料的泊松系数。pDDDt)(2)2(121（4-30）pDDDt)(2)2(122212第86页/共135页第87页/共135页4.5 传感器前级信号处传感器前级信号处理理第88页/共135页信号，但是这些信号很微弱n（3）传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传感器信号输入测量电路时产生较大的信号衰减n（4）输出与输入的被测量之间不一定是线性比例关系，且信号动态范围很宽，n（5）传感器的输出信号大小会受温度的影响第89页/共135页线性度n（3）抑制噪音n传感器的信号处理有传感器接口电路完成。n传感器的信号放大大多采用集成运算放大器。第90页/

18、共135页 第91页/共135页n160180dB），n（2）输入电阻大（几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几十欧），n（3）共模抑制比高（60170dB），n（4）失调与飘移小，输入电压为零输出电压亦为零的特点，适用于正、负两种极性信号的输入和输出；n（5）放大倍数取决于外接反馈电阻。第92页/共135页反的信号。n共模抑制比：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数比值的对数。第93页/共135页第94页/共135页 测量放大电路的基本要求基本要求：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率； 高共模输入

19、范围和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高；第95页/共135页称电路结构,而 且 被 测 信号 直 接 加 入到输入端上,从 而 保 证 了较 强 的 抑 制共 模 信 号 的能力。n第二级：A3是 一 普 通 差动 跟 随 器 ，其 增 益 近 似为1。A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo第96页/共135页模电压很敏感。n对于交流信号，由于电缆的分布电阻和电容，会产生相移，使共模抑制比降低。n120UUUAU(4-32)1(21WfffURRRRRA(4-33)测量放大器的放大倍数： 第97页/共135页（0.1100Hz）；n（5）低失调电压 AD5

20、22集成数据采集放大器可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度的数据采集。第98页/共135页图4-36 AD522的外围电路U Ui UiRG8114236139111874510 kAD 522输出基准地数据防护U AD522的一个主要特点是设有数据防护端，用于提高交流输入时的共模抑制比。第99页/共135页 图4-37 AD522 的典型应用 US US10 F10 F598地采样12711641332141输出RL基准10 k数据防护RGUR信号地第100页/共135页n程控增益放大器：用计算机软件控制的办法实现增益的自动变换，在多通道或多参数的模拟输入通道共用一个测量放大器、一个A/D转

21、换器时，对不同通道或参数改变测量放大器的增益。具有这种功能的放大器就叫程控增益放大器。第101页/共135页图4-38 程控增益放大器原理图R3R2R1S3S2S1UoRUiR 图为通过改变反馈电阻实现量程变换的可变换增益放大器电路。 当开关S1闭合,S2和S3断开时,放大倍数为（4-34） 而当S2闭合,而其余两个开关断开时,其放大倍数为 （4-35） 选择不同的开关闭合,即可实现增益的变换。RRAvf1RRAvf2第102页/共135页AD 5214052Uo7121310811123465UUD0D1R第103页/共135页增益为1时）,n（ 5 ） 高 共 模 抑 制 比（120dB)

22、,n（6）具有输入保护等。n使用：n（1）1,10,100和1000倍的整数倍增益只需一个模拟开关即可控制；n（2）其他倍数的增益控制, 可外接增益调节电阻，或改变反馈电阻与D/A转换器的结合、第104页/共135页图4-40 AD524原理图数据保护1312111632数据保护UB8910 UiG10G100G1000RG1RG24.44 k404 40 Ui20 k20 k增益微调Uo基准AD52420 k20 k20 k20 k1第105页/共135页以下特点： n（1）能保护系统元件不受高共模电压的损害,防止高压对低压信号系统的损坏。n（2）泄漏电流低,对于测量放大器的输入端无须提供偏

23、流返回通路。n（3）共模抑制比高,能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量。n第106页/共135页负反馈技术克服非线性失真。当采用光电耦合实现载波调制，可获得10kHz带宽，但其隔离性能不如变压器耦合。上述两种方法均需对差动输入级提供隔离电源，以达到预定的隔离性能。n一般光电耦合器和隔离放大器能抗千伏以上的电压，所以这种测量电路可以用在高压情况下正常工作。第107页/共135页 图4-41 284型隔离放大器的电路结构图调制器解调器436125电源振荡缓冲放大器滤波器121179108输入端增益端320 k1 k保护端 UISO UISO公共端调制驱动输入滤波公共端双极型前置放大

24、器DC TO 1kHz解调驱动前置隔离输出端微调端 US电源端100 kHz振荡输入端 15 V 15 V100 kR2图为284型隔离放大器的电路结构图第108页/共135页第109页/共135页第110页/共135页电平控制工作状态的器件。开关控制SRUiCUo第111页/共135页第112页/共135页ms,AD389为0.1 Vms。n采样保持器的主要参数：采样时间、电压下降率等。n第113页/共135页图4-43LF398的原理图30 k1DV2DV14 U(15 V) U(15 V)5输出300 k6保持电容A2A3A12偏置3输入8控制逻辑IN()控制逻辑参考电压IN()S7 图

25、为LF398的原理图。其内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。第114页/共135页n5,持状态下输入特性不变。n（6） 在采样或保持状态时高电源抑制。n第115页/共135页A/D12 bit510 pFCHU1 k24 k321810 kUoUiLF398LF 39812348765U调零INUCONREFCHOUT 有时还可采取两级采样保持串联的方法,选用不同的保持电容,使前一级具有较高的采样速度而使后一级保持电压下降速率慢,两级结合构成一个采样速度快而下降速度慢的高精度采样保持电路,此时的采样总时间为两个采样保持电路时间之和。第116页/共135页nAD7501是单片集成的

26、CMOS 8选1多路模拟开关,每次只选中8个输入端的一路与公共端接通,选通通道是根据输入地址编码而得到的。所有数 字 量 输 入 均 可 用 T T L 或CMOS电路。图4-46为AD7501的外引脚图和原理图。n第117页/共135页图4-46 AD7501的外引脚原理图。A1GNDENA2S8S7S6S512345678161514131211109A0USSUDDS1OUTS2S3S4GNDCOMS电平转换器解码器，驱动器ENA2A1A0UDD(15V)USS(15V)OUTS1S8第118页/共135页, n(4) 极限电源电压：UDD+17 V,USS-17V。n第119页/共13

27、5页图 4-47AD7506的外引脚图和原理图UDDNCNCS16S15S14S13S1212345678COMS电平转换器解码器，驱动器ENA2A1A0UDD(15V)USS(15V)GNDOUTS1S16S11S10S9GNDNCA3910111213142827262524232221OUTUSSS8S7S6S5S4S3201918171615S2S1ENA0A1A2A3 2） 单端16通道 AD7506为单端16选1多路模拟开关。第120页/共135页第121页/共135页图4-48AD7502的外引脚图和原理图A1GNDENOUT58S8S7S6S512345678161514131211109A0USSUDDS1OUT14S2S3S4GNDCOMS电