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文档简介
1、第4章 信号检测技术,一、传感器概述 二、长度及位移检测 三、角度及角位移检测 四、绝对测距 五、力/压力检测,六、速度/加速度检测 七、温度检测 八、流量检测 九、电磁量检测 十、视觉检测系统,一、传感器概述,1、传感器的基本概念,人的五官:,眼睛 耳朵 鼻子 舌头 皮肤,视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉,定义:,被测量:物理量、化学量、生物量 ,规律:确定规律,可以重复(线性、非线性、周期),可用信号:便于处理和传输的非噪声信号 (电信号、光信号),例:热敏电阻 - 温度变化 - 电阻变化,传感器:传-传递信息;感-感受被测量;器-器件,传感器是一种把特定的被测信息量按照一定规律转换成为可用信
2、号输出的器件或装置。,感觉:,功 能,传感器,一、传感器概述,2、传感器的构成型式,转换电路:,例:电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。,被测量,被测量,敏感元件,转换电路,敏感元件:,感受被测量变化,并输出相对应的电信号,例:电阻应变片(应变-电阻),把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和控制的可用信号的电路,,又称“信号调理电路” 或 “测量电路”,又称“转换元件” 或 “变换元件”,传感器,二、长度及线位移检测,1、电感式位移传感器,W-线圈匝数,Rm-磁路总磁阻,li-各段导磁体的长度,ui-各段导磁体的磁导率,Ai-各段导磁体的截面积,二、长度及线位移检测
3、,(1) 变气隙式,电感位移传感器基本形式,思考:灵敏度? 线性度?,改进方法?,(2) 变面积式 (3) 螺管式,二、长度及线位移检测,(2) 变面积式,(3) 螺管式,蔡萍教材P40 图3-5,二、长度及线位移检测,电感位移传感器,意大利Marposs:,二、长度及线位移检测,电感位移传感器,中国中原量仪:,二、长度及线位移检测,2、光栅位移传感器(Grating),二、长度及线位移检测,(1) 光栅传感器原理 (莫尔条纹),构成:,叠合,主光栅,指示光栅,夹角,明暗相间条纹,莫尔条纹,移动,条纹宽度:,W-栅距, a-线宽, b-缝宽,W=a+b ,a=b=W/2,主光栅-标尺光栅,定光
4、栅;,指示光栅-动光栅,二、长度及线位移检测,莫尔条纹特性:,方向性:垂直于角平分线 与光栅移动方向垂直 同步性:光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距 放大性:夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度 准确性:误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,二、长度及线位移检测,(2) 光栅传感器特点 精度高:测长(0.2+210-6L)m,测角0.1 量程大:透射式-光栅尺长(几十米 响应快:可用于动态测量 增量式:增量码测量 计数 断电数据消失 要求高:对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度 成本高:电路复杂,二、长度及线位移检测,(3) 光栅传感器结构,1 主光栅尺(定光栅) 2 指示光
5、栅(动光栅) 3 光电元件 4 透镜 5 光源,透射式结构:,反射式结构:,光源 指示光栅 透射 主光栅 光电元件,光源 主光栅 反射 指示光栅 光电元件,二、长度及线位移检测,(4) 代表性产品:,德国Heidenhain(海德汉):,封闭式:量程3000mm,分辨力0.1 m,开放式:量程1440mm,分辨力0.01m,开放式:量程270mm 分辨力1nm,二、长度及线位移检测,英国Renishaw(雷尼绍):,量程:任意 分辨力: 0.1 m 0.01 m,中国长春光机所:,量 程:1000mm 分辨力:0.01 m 精 度:2 m,二、长度及线位移检测,2、光学干涉(Interfere
6、nce),干涉原理(单频干涉):,两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹,其亮暗程度取决于两束光间的相位差,亮条:,暗条:,=2k, k=0,1,l,2, 相消干涉,=2k, k=0,1,l,2, 相长干涉,二、长度及线位移检测,结构:,实现要点:(1)单一光源,光源,观察屏、光电接收,固定 反射镜,被测物体,半透半反镜,(4)分光镜(半透半反),(5)固定参考反射镜,(2)被测物体,(3)光电接收,二、长度及线位移检测,双频激光干涉位移传感器,测量原理:,激光器发出一束激光, 含有两束偏振光: 左旋光,频率f1 右旋光,频率f2, 振幅相同, 频率相差约2MHz。,激光束,分光器,参考光束,测
7、量光束,光电检测,/4波片,渥氏棱镜,f2光电检测,f1角锥棱镜,参考信号,测量信号,f2-f1,f,f1f1,f2-(f1 f),二、长度及线位移检测,激光干涉位移传感器,HP5528A Laser interferometer:,量程:100m 分辨力: 0.01 m,三、角度及角位移检测,1、绝对码光电编码器,原理:平行光源码盘 光电元件电信号输出,码盘:光学玻璃,透光/不透光 照相腐蚀 要求:分度准确(工艺)、阴暗交替边缘陡峭(工艺、材质),光源:LED 光学系统 平行光 投影精确,光电元件:硅光电池,光电晶体管 滞后 响应速度,码道:位数每个码道对应一个光电元件分辨率,角度分辨率:=
8、360/2n n-码道数(位数),组成:光源、码盘、光电元件,增加码道、增大码盘尺寸 有限,提高精度,光学细分 附加码道,三、角度及角位移检测,测量电路:,编码码制:,十进制码 - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9,二进制码 - 0000 0001 0010 0011 0100,格 雷 码-循环码:相邻两数只有一位不同 每次只有一位变化转换,放大 足够电平 ,驱动,整形 接近理想方波,细分 提高分辨率(光学+电路),多位码同时动作同步误差错码,读数直观,不易电路处理,直观,易于后续电路和计算机处理,4位绝对码光电编码器码制,三、角度及角位移检测,特点:,小范围绝对位置测量-角度、直线位置
9、 小范围位移、速度检测,结构简单、精度高、分辨率高,可靠性好,,应用:,例:直线 旋转 360,直接数字量输出 - 数字传感器,,绝对码 - 绝对角位置传感器,测量范围有限(360),,速度不高(最高几千转/分),怕振动 - 丢数,连接 - 弹性连轴结,三、角度及角位移检测,2、增量码光电编码器,结构: 与绝对编码器类似,码道:最外 - 增量码道:透光扇形区分辨率 中间 - 辨向码道:错开半个扇形区 最内 - 零位码道:透光狭缝基准脉冲,应用:相对位置测量-角度、直线位置, 位移、速度测量,特点:结构简单、精度高、分辨率高,可靠性好, 脉冲数字输出,测量范围无限 速度不高(最高几千转/分) 怕
10、振动 - 丢数,三、角度及角位移检测,3、圆光栅传感器,工作原理:莫尔条纹技术,类型:(1) 直线莫尔条纹:条纹 -直线,(2) 圆型莫尔条纹:条纹 - 圆型,RENISHAW 圆光栅:角度分辨率为0.01 系统精度为 0.7,(a) 径向光栅 - 圆弧形莫尔条纹,光栅:两块,径向刻线,栅距角相同,偏心叠合,条纹宽度不是定值,随位置不同而不同。,在位于偏心的垂直位置上,条纹近似垂直于栅线,称横向莫尔条纹,在沿着偏心方向上,条纹近似地平行于栅线,称纵向莫尔条纹,其他位置上上,称为斜向莫尔条纹,条纹:在不同区域栅线的交角不同,不同曲率半径圆弧,三、角度及角位移检测,光栅:两块完全相同,环形刻线,偏
11、心叠合,,(b) 切向光栅 - 环形莫尔条纹,光栅:两块,切向刻线,切向相同,栅距角相同, 基圆半径不同,栅线面相对同心叠合,,条纹:是以光栅中心为圆心的同心圆簇,,宽度也不是定值,随位置不同而不同。,特点:具有全光栅平均效应,用于高精度角度测量和分度。,(c) 环形光栅 - 辐射形莫尔条纹,条纹:近似直线并成辐射方向,称为辐射形莫尔条纹。,四、绝对测距,1、电涡流测距,(1) 工作原理:,交变电流,传感器线圈,被测导体,交变磁场H1,电涡流,交变磁场H2,参数变化(电感、阻抗、 品质因素等),输出信号,四、绝对测距,保持其他参数不变,只改变一个参数 - 测量,,变化因素:,被测导体 - 几何
12、形状、电导率、磁导率,线圈 - 几何参数、电流大小和频率、,其他 - 线圈与导体距离,测量原理:,电涡流密度径向分布,涡流密度不等:,电涡流分布:,深度:,高频激励 - 表面薄层,,铜导体,1MHz频率,深度0.07mm,径向:,有限范围 - 圆环形 - 涡流环,D=d时:密度最大 D=1.8d:下降为5% D0.4d:无电涡流,传感器特性:非线性严重,修正,四、绝对测距,导体 - 传感器的一部分 - 参数影响,被测导体直径的影响,材料:,形状:,被测导体:,作用:,电导率越高,灵敏度越高; 磁导率越高,灵敏度越低,,平面 - 曲面 - 曲率半径 (D3.5d),思考:,激励频率高低有什么影响
13、?,四、绝对测距,日本Keynce 量程:50mm 精度0.03%,四、绝对测距,2、激光测距传感器,(1) 激光测距特点:,测量距离可达几公里甚至几十公里(主要手段),(2) 激光测距方法:飞行时间法、相位差法,(a) 飞行时间法:,被测距离:,c - 光速 t - 往返飞行时间,(b) 相位差法:,被测距离:,c - 光速 f0 - 脉冲频率 - 相位差,原理:激光器发出单个激光脉冲,原理:激光器发出连续激光脉冲,特点:对时间测量精度要求高,适于测量超长距离(地球-月球:分辨力达到1m ),特点:测量精度高,测量范围大(短距离 超长距离)(相机自动调焦),四、绝对测距,范围:0.2 300
14、m 分辨力: 3mm,德国俫卡手持式: 范围:0.2 200m 分辨力:0.2mm,美国bushwell 单目军用 范围:1000m 分辨力:1m,四、绝对测距,3、超声测距传感器,超声测距原理:,被测距离:,c - 声速 t - 往返飞行时间,应用:适于大目标、近距离、一般精度测距 手持测距仪 - 盲人导盲 汽车倒车雷达 - 汽车安全 工业应用 - 超声测量液位、物位,特点:超声波束发散,测量范围小 波束聚焦困难,测量精度低 测量目标不能太小;,超声波传感器(超声波探头),是实现声电转换的装置(超声换能器) 这种装置能够发射超声波,同时还可以接收超声回波,并转换成电信号。,五、温度检测,1、
15、概述,温度,分类:,应用:,测温,接触测温,非接触测温,热辐射测温,热传导测温,压电效应,热阻效应,热电势效应,金 属,热电阻,半导体,热敏电阻,热电偶,温 度 传感器,压电陶瓷(热释电效应), 敏感元件, 电参数,光电效应,红外温度传感器、光纤温度传感器,热电阻,电涡流传感器,PN结热电效应,热敏二极管/三极管、集成温度传感器,工作原理:,(1) 热电阻原理与特性:,要求:,(1)温度系数、电阻率较高 提高灵敏度,体积小,反应快,(2)理化性能稳定 提高稳定性和准确性,复现性好,(3)良好的输入-输出特性 线性/接近线性,测量精度高,(4)良好的工艺性 批量生产,降低成本,材料:纯金属 -铂
16、、铜、镍、铁,(5)较大的测温范围 特别是在低温范围,五、温度检测,2、热电阻,原理:热能 热电阻 电阻值,温度 热电阻 阻值,特点:,0 +850:,0 - 200:,应用:,(1) 在高温和氧化介质中性能极为稳定, 易于提纯,工艺性好,(2) 输入输出特性接近线性,(4) 贵重金属,成本较高,标准温度计,高精度工业测温,高低温测试,构成:,金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈,(3) 测量精度高:0: 1、 0100: 0.5、 100650: 0.5%,五、温度检测,Pt100:,R0:0时的温度 标准值(Pt100, Pt500),(2) 铂电阻(Pt),特点:,-50 180:
17、,应用:,(1) 易于提纯,在-50 150范围内性能稳定,价格低,(2) 输入输出特性接近线性:,(3) 电阻率低(为铂电阻的1/6),体积较大 (Cu50, Cu100),(4) 高温易被氧化,易被腐蚀,(5) 测量精度低于铂电阻:-5050: 0.5、50150: 1%,小范围,较低温度,测量精度要求低,没有浸蚀性介质,代替铂,五、温度检测,构成:,金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈,(3) 铜电阻(Cu),R0:0时的温度 标准值,材料:,特点:,分类:,(1)温度系数大 灵敏度高 (为热电阻10100倍),(2)结构简单,体积小 可以测量点温度,(3)电阻率高、热惯性小 适于
18、动态测温,(4)易于维护、使用寿命长 适于现场测温,(5)互换性差,非线性严重,精度低,正温度系数热敏电阻(PTC),负温度系数热敏电阻(NTC),临界温度系数热敏电阻(CTR),半导体 - 半导体热电阻,(6)成本低,应用广泛,3、热敏电阻,五、温度检测,非线性,热敏电阻的应用,五、温度检测,应用实例:基于热敏电阻的电机过热保护器:,Rt1 Rt2 Rt3 :热敏电阻(NTC) ,安装在三相绕组附近,温度低时 :电阻高 三极管不导通 继电器不吸合 电机运行,温度高时 :电阻低 三极管导通 继电器吸合 电机停止,五、温度检测,4、热电偶,五、温度检测,(1) 工作原理:,两种不同导体构成闭合回
19、路,两个节点(A、B)温度不同,热电势,温差电势:,A-温差系数 TA,TB-A、B两节点绝对温度,k-波尔兹曼常数 e-电子电荷 NA,NB-导体AB的自由电子密度材料 T-节点绝对温度,接触电势:,不同导体自由电子密度不同扩散电势 (帕尔帖),同一导体两端温度不同电子迁移(高 低) 电势,若两种导体相同: A=B E=0,若两端无温差: T=T0 E=0,两种情况,导体不同,两端温差,条件,(2) 常用热电偶材料:,五、温度检测,(3) 热电偶结构:,五、温度检测,a) 普通热电偶:,应用:测量气体、蒸汽、液体等介质温度,结构:1-热电极 2-绝缘套管 3-保护套管 4-接线盒,b) 铠装
20、热电偶:,结构:热电极 + 绝缘材料 + 金属保护套,特点:细长(13mm),可以弯曲,挠性好,强度高 测端热容量小,动态响应快(0.01s),,应用:适于狭小空间、点温度,c) 其他热电偶:,薄膜热电偶、浸入式热电阻、,(4) 热电偶的冷端补偿,热电势:,a) 恒温法:,测 温: 获得T T0固定 T0=0(冷端),冷 端:干扰、波动 T00 误差 冷端温度补偿,标准大气压下,冷端 冰水混合液(保温容器),b)系数修正法:,T00 精确计算 修正,T:测端温度 T0:参考端(冷端)温度,Tn:测量温度 k:修正系数(表7-5),五、温度检测,恒温控制 0 实验室(半导体制冷器),冷端温度补偿方法:,d) 电桥补偿法:,全臂电桥:R1, R2, R3 - 锰铜线绕制电阻(固定电阻) R4 - 铜线绕制补偿电阻(热电阻) R - 限流电阻 E - 电桥电源,平衡: 调整R4,使得电桥输出 Uab=0,补偿:,冷端温度,热电偶输出热电势Ex,R4 失衡 Uab ,若Ex= Uab 输出不变,c) 延伸电极法:,需要长线
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