机电一体化检测传感器及其接口电路讲课文档

机电一体化检测传感器及其接口电路第一页，共77页。康铜系热电偶，测量范围–180~2800℃，最佳测量范围630~1064℃；钨铼系热电偶，在300~2000℃的范围内具有良好的特性；镍铬-金铁热电偶，在0~-217℃范围内具有良好的特性。3.1温度传感器1.热电偶合金热电极

连接导线

连接导线

测点

参考点

Vo输出电压

图3-1热电偶结构第二页，共77页。

图3-2铠装热电偶图3-3点式热电偶

热电偶输出的电压是毫伏级小信号，一般需放大为伏级才能被利用，因此需要电压放大电路。由于集成电路的大量应用，通常都采用运算放大器放大。

第三页，共77页。图3-4热电偶信号放大电路第四页，共77页。机械系统的传感器信号一般是低频率信号；干扰噪声一般是高频率段；使用低通滤波器可滤除高频率噪声。第五页，共77页。2.热敏电阻热敏电阻是一种随温度变化其阻值变化的一种电阻；测量范围为–200~500℃。铂电阻的精度高但价格高；铜电阻精度稍差但价格低廉；半导体热敏电阻的特性呈非线性，但体积小、响应快、价格低廉。铂热电阻PT100（100欧姆）主要用于-200~650℃范围测温；Pt10（10欧姆）主要用于650℃以上范围的测温。第六页，共77页。图3-5铂热敏电阻图3-6铜热敏电阻图3-7NTC半导体热敏电阻图3-8PTC半导体热敏电阻

热敏电阻的电阻变化值首先要经变送电路变换为电压，并进行必要的放大和滤波处理输出伏级电压值，才能被后续电路利用。第七页，共77页。图3-9热敏电阻信号处理电路第八页，共77页。讨论题：热敏电阻的阻值计算式Rt=R0(1+αt)t：当前温度；Rt：当前温度下热敏电阻的阻值；R0：热敏电阻在零度时的阻值；α：热敏电阻的敏感系数。αpt=0.003850,Rpt0=100.00Ωαcu=0.004280,Rcu0=100.00Ω

分别计算铂热电阻和铜热电阻在50℃时的电阻。并设计一个铂热电阻变送电路,要求其在0℃和50℃时输出电压分别为0V和5V电压值。第九页，共77页。3.半导体集成温度传感器AD590AD590是一种常用的半导体集成温度传感器。测温范围–55~+150℃，工作电压+4~+30V，恒流源线性热敏系数为,恒流源电流计算公式：I0：温度为零度时的电流值。第十页，共77页。AD590AD590应用电路第十一页，共77页。3.2力传感器力学传感器的种类：电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。压阻式压力传感器应用最为广泛，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。第十二页，共77页。3.2.1金属电阻应变片式力传感器

图3-10金属电阻应变片的内部结构1.金属电阻应变片的内部结构

第十三页，共77页。2.电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）

S——导体的截面积（cm2）

L——导体的长度（m）以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

第十四页，共77页。3.测量电桥

由应变片作为桥臂而组成的电桥称为测量电桥。若测量电桥的输入电压为U0，输出电压为∆U，各桥臂的电阻分别为R1、R2、R3和R4，则测量电桥灵敏度K第十五页，共77页。图3-11双臂工作的半桥接法图3-12四臂工作的全桥接法R1=R2=R3=R3=R第十六页，共77页。某些固体材料受到外力的作用后，除了产生变形，其电阻率也要发生变化，这种由于应力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为“压阻效应”。利用压阻效应制成的传感器称为压阻式传感器。优点：1.体积小而灵敏高；2.频率响应范围宽、半导体集成化制造；

缺点：灵敏系数随温度变化较大3.2.2半导体应变式力传感器

第十七页，共77页。3.3位移测量传感器

位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛。常用直线位移测量传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器等；常用角位移传感器有：电容传感器、光电编码盘等。位移测量传感器的种类：电容位移传感器气隙电感位移传感器差动变压器结构电感式位移传感器第十八页，共77页。3.3.1电容位移传感器

电容式传感器的工作原理式中

ε0—真空介电常数，等于8.85×10-12F/mεr—极板间介质的相对介电常数A—极板的有效面积(mm2)；δ—两极板间的距离(mm)。

图3-13变极距型电容传感器原理图第十九页，共77页。当动极板因被测量变化而向左移动使δ0减小△δ时，电容量增大△C。则有

变极距电容传感器的初始电容C0可由下式表达

传感器输出特性C=f(δ)是非线性的

电容位移传感器第二十页，共77页。3.3.2气隙电感位移传感器

电感式传感器工作原理，电感式传感器结构简单，输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，但它的动态响应慢，不宜作快速动态测试。由物理学磁路知识，线圈的自感系数为

式中W—线圈匝数；RM—磁路总磁阻。1－线圈2－铁心3－衔铁4－测杆5－被测件图3-14自感式传感器原理图第二十一页，共77页。

当铁心与衔铁之间有一很小空气隙δ时，可以认为气隙间磁场是均匀的，磁路是封闭的。不考虑磁路损失时，总磁阻为:

考虑到铁磁材料的磁导率μi比空气磁导率μ0大得多，计算总磁阻时，第一项可忽略不计，则:

第二十二页，共77页。3.3.3差动变压器结构电感式位移传感器

差动变压器有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架。初级线圈的激励电压为e1，在次级线圈中感应出电压e21和e22。图3-15差动变压器等效电路第二十三页，共77页。图3-16全波整流电路图图3-17全波整流电路波形图第二十四页，共77页。图3-18差动变压器输出电压-位移图图3-19差动结构电感式位移传感器第二十五页，共77页。3.3.4涡流电感式位移传感器

图3-20电涡流的形成图3-21电涡流位移传感器线圈通入交变电流I，在线圈的周围产生交变的磁场H1；位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流；涡流也产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反。第二十六页，共77页。图3-22电涡流位移传感器输出电压-位移曲线第二十七页，共77页。电感式接近开关第二十八页，共77页。接近开关的工作原理及接线图第二十九页，共77页。3.4光电传感器

光电传感器的种类：发光二极管激光二极管光敏二极管光敏三极管光电耦合电路光电开关传感器

第三十页，共77页。1.发光二极管

发光二极管也是一个PN结，具有普通二极管的通性，只是它透明封装。发光二极管采用砷化镓（红外光）、磷化镓（绿色光）、镓铝砷（红色）等材料组成。

图3-23发光二极管图3-24

发光二极管的符号第三十一页，共77页。发光二极管的主要参数：最大工作电流：发光二极管长期工作时所允许通过的最大电流（30~50mA）。正向电压：通过规定的正向电流时，发光二极管两端产生的正向电压。第三十二页，共77页。2.激光二极管改变激光二极管两端电压，使流过二极管的电流逐渐加大，当电流超过某一值时，管子的输出功率就急剧变化，产生激光振荡。

a）激光二极管b）激光二极管发光示意图图3-25激光二极管第三十三页，共77页。3.光敏二极管光敏二极管是一种光电转换器件。它也是PN结，具有普通二极管的特性，但有一个透明受光窗口。光敏二极管的特性是在两端加正向电压时，其PN结受光照射后，其电流随光照强度的变化而变化。

图3-26光敏二极管图3-27光敏二极管符号第三十四页，共77页。图3-28光敏二极管信号处理电路第三十五页，共77页。4.光敏三极管光电三极管具有普通三极管的特性，但其基区面积较大以接收光线照射。光敏三极管的主要参数：最高工作电压：在无光照下，集电极电流为规定值时，集电极与发射极间的电压。暗电流：在无光照下，集电极与发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流。光电流：在规定电压下，及规定光照时，流过集电极的电流。

图3-27光敏三极管图3-28光敏三极管符号第三十六页，共77页。5.光电耦合电路发光二极管和光敏三极管常被用来做光电耦合隔离电路。

图3-31光电耦合集成电路图3-32光电耦合电路符号第三十七页，共77页。图3-33光电耦合电路应用第三十八页，共77页。6.光电开关传感器由振荡调制器产生的调制脉冲驱动LED光发射到被测物体表面并反射，反射光被光敏三极管接收，经放大整形解调后输出电平信号。图3-35反射式光电开关工作原理第三十九页，共77页。光电开关的工作原理及电路图第四十页，共77页。

a）反射式光电开关b）反射式光纤光电开关图3-34光电开关第四十一页，共77页。光电开关的应用例仓库安全防护

电梯运转控制第四十二页，共77页。3.5光电编码器增量式光电编码器构成及原理绝对式光电编码器构成及原理增量式光电编码器计数电路第四十三页，共77页。3.5.1增量式光电编码器构成及原理增量式光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

第四十四页，共77页。图3-37单路光电码盘脉冲VO图3-36单路光电码盘原理

第四十五页，共77页。图3-38双路光电码盘原理

VAVB图3-39双路光电码盘脉冲第四十六页，共77页。图3-40光电码盘正反转时输出脉冲信号的时序图特征AB正向旋转

反向旋转第四十七页，共77页。光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，能分辨的角度α为：α=360°/n（3-28）分辨率=1/n（3-29）例如：码盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°。

光栅盘的栅数增加到300，500，1000，则将一周分为300份，500份，1000份，光电编码器的测角精度就会分成不同的精度等级。第四十八页，共77页。

图3-41光电编码器第四十九页，共77页。3.5.2绝对式光电编码器构成及原理图3-42绝对式光电编码器二进制码盘

最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、…、1111。第五十页，共77页。第五十一页，共77页。绝对式光电编码器的特点

1.可以直接读出角度坐标的绝对值；

2.没有累积误差；

3.电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。第五十二页，共77页。3.5.3增量式光电编码器计数电路1．增量光电编码器的方向判断 软件判断 硬件判断方向判别集成电路ST288A 8脚双列直插集成电路图3-43方向判别集成电路ST288A第五十三页，共77页。图3-44ST288A输入输出信号时序图

第五十四页，共77页。组合方向判别电路信号波形时序图第五十五页，共77页。2.光电编码器计数电路CU：加计数时钟CD：减计数时钟P0，P1，P2，P3：四位预置数PL：预置操作QA，QB，QC，QD：四位计数值TCU：进位输出TCD：借位输出MR：清零操作3ABCDDCBARevisionSheetofDrawnBy:P015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14Counter74LS193QA图3-45双时钟可预置加减计数器74LS193第五十六页，共77页。74LS193封装形式第五十七页，共77页。3ABCDDCBARevisionSheetofDrawnBy:P015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14Counter74LS193QA表3-174LS193真值表CU(加计数时钟)CD(减计数时钟)PL(预置输入)MR(清零输入)操作功能↑HHL加计数↓HHL不计数H↑HL减计数H↓HL不计数XXLL预置XXXH清零

↑：上升沿；↓：下降沿；H：高电平；L：低电平；X：忽视第五十八页，共77页。

图3-46增量式光电编码器8位上电清零计数电路第五十九页，共77页。图3-47增量式光电编码器8位上电预置计数电路第六十页，共77页。第六十一页，共77页。进给手柄刻度盘200格，每格代表0.01mm。每格的角度为1.8度。经验表明，这样小的角度很难用手控制准确。光电编码器的安装位置比较灵活，但多数情况是和电机轴同轴。在数控机床的进给系统中得到大量应用。第六十二页，共77页。第六十三页，共77页。第六十四页，共77页。光栅尺第六十五页，共77页。第六十六页，共77页。3.6电流环信号传输图3-48电流环传输