第4章 机电一体化检测系统

1、第四章机电一体化检测系统，4.1概述4.2位移检测4.3速度，加速度检测4.4力，扭矩和流体压力检测4.5传感器前向信号处理4.6传感器接口技术4.7传感器非线性补偿处理测试问题，4.1概述，4.1.1检测系统的配置，将各种非电力信息转换为电信号，这是传感器的功能，传感器是一个(2)测量转换后的电信号，并进行放大、运算、转换、记录、指示、标记等，称为电信号处理系统，通常称为二次仪表。非电力检测系统的结构如图4-1所示。图4-1非电力检测系统的结构，4.1.2传感器的概念和基本特性1。传感器的配置传感器一般包括三部分：敏感组件、检测元件和转换电路，如图4-2所示。图4-2传感器的方块图(1)敏感

2、元件：是将测量转换为易于测量的物理量的预转换装置，其具有输入和输出之间的数学关系(最好是线性)。将力转换为位移或变形输出，例如弹性敏感元件。(2)传感器：将敏感组件输出的非周期性物理量转换为电信号(如电阻、电感、电容等)的形式。(3)基本转换电路：将电信号的量转换为易于测量的功率，例如电压、电流、频率等。(1)线性。传感器的静态特性是在静态标准条件下使用一定级别的标准设备对传感器进行往复循环测试而获得的输入/输出特性(列表或图片曲线)。通常，将此特性(曲线)指定为线性可以方便校准和数据处理。但是，实际输出和输入特性可能接近与理论线有偏差的路线，如图4-3所示。图4-3传感器的线性度图，线性度可

3、用于以下计算：通常：l线性(非线性误差)；最大非线性绝对误差；YFS输出已满值。(2)敏感度。传感器在静态标准条件下输出更改与输入更改的比率称为灵敏度，用S0表示。也就是说，(4-1)对于线性传感器，其灵敏度S0是常数。(3)犹豫。正(增加输入量)、反(减少输入量)笔划中输出/输入特性曲线的不一致称为迟滞，滞后错误通常表示为总范围输出yFS的百分比。Hm输出值与正笔划相反笔划的最大差异。(4-2)，(4-3)，滞后特性通常由实验方法确定，如图4-4所示。图4-4滞后特性，(4)迭代特性。传感器在相同条件下沿相同方向进行整个范围的连续迭代测量时，结果输出/输入曲线不匹配的程度称为迭代特性，如图4

4、-5所示。迭代特性误差以总范围输出的百分比表示，即样式的：Rm最大迭代误差。迭代特性也由实验方法确定，通常用绝对误差表示，如图4-5所示。(4-4)，图4-5重复特性，(5)分辨率。(6)漂流。传感器内部因素或外部干扰引起的传感器输出变化称为漂移。(7)准确度。精度表示测量结果与测量的“真”的接近度。3.传感器的动态特性动态特性表示传感器测量动态信号时输出的输出响应特性。4.1.3信号传输和处理电路传感器信号处理电路内容选择时要考虑的事项主要包括(1)模拟或数字或电压等传感器输出信号形式。(2)传感器输出电路形式，单端输出还是差动输出。(3)传感器电路的输出容量，电压还是功率，输出阻抗的大小如

5、何相同。(4)传感器的特性，如线性度、信噪比和分辨率。4.2位移检测，4.2.1模拟位移传感器1。可变磁阻传感器典型可变磁阻传感器的结构如图4-6所示，主要由线圈、铁芯和有源电枢组成。图4-6可变磁阻传感器，线圈产生电流时，磁电感l与磁路的磁阻Rm (4-5)式：W线圈灯的总数相关。Rm总磁阻。气隙小，整体磁阻(4-6)，样式：不考虑磁路的损耗；l芯导电长度(m)；核心渗透率(h/m)；芯传导剖面面积(m2)，A=ab气隙(m)，=0；0空气渗透率(Hm)，0=210-7；A0气隙导电剖面面积(m2)。由于芯的磁阻与气隙的磁阻比率较小，因此计算时可以忽略芯的磁阻(4-7)，因此(4-8)，表达

6、式(4-8)具有自感l如果A0固定不变，则形成l和非线性关系。此时，传感器的灵敏度图4-7是由两个相同线圈、芯和活动电枢组成的差动磁阻传感器。如果活动电枢连接到中间位置(位移为0)，则两个线圈的磁电感l相同，输出为0。如果电枢有位移，则两个线圈的间距为0，0-，这表示一个线圈的磁感增加，另一个线圈的磁感减少。(4-9)，图4-7可变磁阻差分传感器，图4-8可变磁阻区域电感传感器，如图4-9所示，在可变磁阻线圈内插入活动电枢。活动电枢在线圈中移动时，磁电阻发生变化，磁电感l发生变化。图4-9可变磁阻管传感器，2 .涡流传感器涡流传感器的转换原理是金属导体在交流磁场中的涡流效应。如图4-10所示，

7、金属板被放置在相互间隔的线圈附近。(1)高频反射涡流传感器。如图4-10所示，高频(1MHz)激发电流i0产生的高频磁场作用于金属板的表面，蒙皮效应在金属板表面形成涡流。图4-10高频反射涡流传感器，(2)低频透射涡流传感器。低频透射涡流传感器的工作原理如图4-11所示。图4-11低频透射涡流传感器(a)原理图；(b)图表，3 .互感差动变压器电感差动变压器电感传感器是各种形式的互感传感器，如图4-12(a)，(b)所示。图4-12差动变压器电感传感器(a)、(b)工作原理；(c)输出特性，图4-13是用于小位移的差分相位检测电路的工作原理。图4-13差动相位检测电路的工作原理，图4-14是电

8、感测微计中使用的螺旋差动位移传感器的结构图。图4-14螺旋差动传感器的原理图，具有图4-15所示结构的4.2.2数字位移传感器光栅由光刻密度和指令光栅组成。它们以接近垂直于光栅条纹的方向排列，如图4-16所示。图4-15光栅测量原理，图4-16莫尔条纹结构，光栅莫尔条纹的特征是放大，条纹宽度为w，表示光栅条纹之间的角度的p，将光栅条纹之间的角度调整为10毫米，将莫尔条纹宽度调整为1000倍，即利用光的干涉现象将光栅间距放大1000倍，从而大大减轻电子线的负担光栅测量系统的基本配置如图4-17所示。(4-10)，图4-17光栅测量系统，滑块表面刻有正弦绕组和馀弦绕组两种绕组(见图4-18)。如图

9、4-18所示，inductosyn原理图，磁盘inductosyn图4-19所示，其转子相当于线性inductosyn的滑块，定子相当于标尺，定子绕组的两个绕组也交错了四分之一节距。图4-19盘感应同步器(a)定子；(b)转子，(1)鉴相。鉴赏式是以诱发电位的相位为基准确认位移量。也就是说，如果uA=Umsint，uB=Umcost，则标尺上的绕组将产生与励磁电压频率相同的交变诱发电位。图4-20显示了可变电位振幅与固定和滑块的相对位置之间的关系。图4-20滑块绕组位置与长度感应电位振幅变化的关系，滑块每次在标尺上滑动各节距时，固定英尺绕组的感应电位改变一个周期，即eA=KuAcos(4-11

10、)式：k滑块和刻度的电磁耦合系数；滑块和标尺相对位移的转换角度。如果绕组的螺距为w，相对位移为l(4-12)，同样，如果仅对正弦绕组b应用交流感应电压UB，固定宽度感应电位将在滑块上的两条绕组上同时加上励磁电压(4-13)，标尺绕组上检测到的总电位为e=ea EB因此，只要测量角度，就可以知道滑块的相对位移l: (4-15)、(2)拼贴。滑块的两条绕组采用频率和相位相同但振幅不同的交流励磁电压uA和uB。ua=um sin-1 Sint(4-16)ub=um cos-1 Sint(4-17)样式中的：1命令位移角度。此时，如果将滑块缠绕和长度缠绕的相对位移角度设置为，则长度缠绕的诱发电位为e=

11、kuacoos-kubssin=kum(sin-1 cos-cos-1 sin)Sint=kumms in(1-)Sint图4-21永磁转速测量仪的电路图，直流转速测量仪的输出特性曲线如图4-22所示。图4-22直流速度测量仪的输出特性，4.3.2光电速度传感器光电速度传感器是由安装在正在测量的轴(或连接到测量轴的输入轴)上的狭缝盘、光源、光电设备和显示槽盘组成的角度位移传感器，如图4-23所示。图4-23光电速度传感器的结构图可根据测量时间的脉冲数n测量为(4-19)样式的：z盘的间隙数；n速度(rmin)；测量t时间(s)。通常采用Zt=6010m(m0，1，2，)。两组插槽间距W可以使用

12、相同的位置差异(I2 14)W(i0，1，2，)来标识磁盘旋转方向。应变传感器加速度测试原理如图4-24所示，测试惯性力，导致弹性敏感元件的变形转换输出之间的关系。相关原理将在后面的主题中说明。图4-24应变加速度传感器，1 .压电效应和压电材料图4-25表示在z轴和y轴方向受到压力和张力时，晶体切片产生电荷的方向。图4-25晶体的压电原理，2 .压电传感器的结构和特性压电传感器一般由两个或多个压电晶体粘合，压电芯片具有电荷极性，因此连接分为并行和串行，如图4-26所示。图4-26压电传感器并行，串行图(a)并行；(b)串行，3 .压电传感器的压电加速度测试传感器的结构如图4-27所示。图4-

13、27压电加速度传感器的结构、4.4力、扭矩和流体压力检测、4.4.1力、扭矩检测1。圆柱形或圆柱形弹性元件可以承受简单大的载荷(如图4-28所示)，这种弹性元件结构通常在较大的拉伸(压力)力传感器上测量，但是由于偏心载荷和测向力的差异，制作的传感器高度较大。应变计在圆柱和圆柱弹性元件上的附着位置和桥接方法，如图4-28所示。图4-28由圆柱和圆柱弹性元件组成的力测量传感器，在弹性元件施加压力p的情况下，圆柱弹性元件的轴向变形L按电阻应变计测量=2(1 )L(4-21)式的：作用于p弹性元件的负载；电子气缸材料的弹性系数；圆柱材料的泊松系数；A筒管剖面面积，A=(D1-D2) 24。其中D1是筒

14、体的外径，D2是筒体的内径。(4-20)，2。梁弹性元件(1)悬臂弹性元件。其特点是结构简单，易于加工，附着应变计，灵敏度高，适用于测量小载荷的传感器。图4-29示出了在同一截面正负两侧粘贴应变计，构成差分操作形式的桥梁输出的截面悬臂弹性元件。图4-29悬臂力传感器图，在梁的自由端具有力p的情况下，桥梁输出的变形为USC=KU0(4-23)样式的：l应变计中心到力点的距离；b悬臂宽度；h悬臂厚度；e悬臂梁材料的弹性系数；k应变计的敏感系数。(4-22)，(2)将梁固定在两端。此弹性元件的结构形状、参数和应变计粘贴如图4-30所示。悬臂梁刚度大，侧面电阻强。粘贴应变计时，应变和力p的关系与(4-

15、24)桥输出和类型(4-23)相同。图4-30两侧固定力传感器图(3)梁剪切弹性元件。与梁弹性构件相比，线性、偏心载荷和侧向力更强，结构和粘贴拉伸，如图4-31所示。图4-31梁剪力传感器图，应变计的变形与实测力p的关系近似(4-25)样式的：G是弹性元件的剪切系数；b和h是粘贴应变计的梁截面的宽度和高度。扭矩测量也显示4-32电阻应变力矩传感器。弹性元件是连接至测量扭矩的轴，轴上贴有轴45的应变计，两个互垂，腿工作的电路。应变计感受到的变形与正在测试的零件的扭矩MT的关系如下：图4-32扭矩传感器示意图，MT=2GWT(4-26)风格的：G=E/2(1)是剪切弹性量。WT是扭转剖面系数，对于

16、填满的圆形轴，WT=D 3/16，对于中空的圆形轴，WT=D3(1- 4)/16，=d/D，D是中空圆柱的内径，D是外径。4.4.2流体压力传感器1。膜压力传感器弹性元件是固定的等截面圆板，也称为平板或膜片。一边受到测量的分布压力，另一边贴着应变计。应变计通过桥输出连接，如图4-33所示。图4-33薄膜压力传感器，应变计附在膜片上的径向应变r与切向应变t与实测力p的关系为中：x应变计中心和膜片中心之间的距离；h隔膜厚度；r膜片半径；电子膜片材料的弹性系数；隔膜材料的泊松比。(4-27)，(4-28)要使基于胶片的传感器的线性度小于3，则在特定压力下为2。滚筒压力传感器如图4-34所示，操作补片

17、R1、R3沿圆周方向附着到气缸壁，温度补偿应变计R2、R4附着到气缸下部壁，桥梁线完成。这个传感器适合于测量大压力。对于薄壁圆筒(壁厚与臂的中间曲率半径比率120)，桶壁的工作应变计上的切线变形与测量的压力p的关系为(4-29)，对于图4-34桶压力传感器、厚壁圆筒(壁厚与中间曲面曲率半径的比率大于120)，为(4-31)的333D1圆柱内孔直径；D2圆柱的外壁直径；电子气缸材料的弹性系数；圆柱材料的泊松系数。(4-30)，4.5传感器前级信号处理，4.5.1测量放大器图4-35是由三个运算放大器组成的测量放大器，差分输入部U1和U2分别是两个运算放大器(A1、A2)的相同相输入端，因此输入阻抗高。使用对称电路结构，正在测量的信号直接添加到输入端，从而保证了抑