第四章-传感器及其接口技术.ppt

1、第四章传感器及其接口技术，4.1概述，机电系统需要各种物理量(如位移、压力、速度等)的测量和控制，如果传感器不准确准确地检测出原来的各种残奥仪表，就不能实现机电产品的各种控制。 因此，能够将各种不同的非电量转换为电量的传感器成为机电系统不可缺少的构成要素。 作为独立器件，传感器的发展正进入集成化、智能化的研究阶段。 将传感器器件和信号处理电路集成在一个芯片上，形成信息型传感器，将微处理器集成在信息型传感器的芯片上，这就是所谓的智能型传感器。 4.1.1传感器的定义传感器：传感器是以一定的精度将被测量物(例如，位移、力、加速度等)转换为与其对应关系的精确处理和容易测量的物理量(例如，电量)的测量

2、部件或装置。 4.1.2组成：传感器元件、转换元件、电子电路等组成。 1传感器直接感受到测量，以规定的关系输出物理量。 弹性感应元件等将力转换为位移或应变输出。 2转换元件将传感器元件输出的非物理量(位移、变形、光强度等)转换为电量残奥表(电阻、电感、电容器等)等。 3基本转换电路将电路残奥仪表量转换为电压、电流、频率等易于测量的电量。 直接变换和间接变换、传感器的组成、4.1.3传感器的特性、传感器常用的性能指标如下1 .关于输入量的特性： (1)量程或测量范围传感器要测量的被测量值的范围，一般用传感器能测量的上下界限值表示，其上限值为全量程ff (2)过载能力传感器可容许的最大输入量(被测

3、量量)通常用最大容许值或满刻度的百分比表示。 2 .与输入输出关系相关的静态特性(1)精度表示测量结果与被测量的“真值”的接近程度。 一般以“极限误差”或极限误差与全尺度之比计算。 (2)当反复性传感器的操作条件不改变时，反复输入相同的输入值，输出值的匹配性，其含义与精度相似。 (3)直线性也称为非线性，表示传感器输出和输入的关系曲线和选定的作业曲线的接近程度，用作业直线和实际的作业曲线的最大偏差值和全刻度输出的比来表示。 (4)灵敏度传感器输入增量与输出增量之比(5)稳定性(温度漂移，时间零漂移) -时间零漂移3360，在预定时间内，在温度发生变化的条件下，当零输出的变化温度漂移3360温度

4、发生变化时，其输出特性的变化通常为零如果动态响应特性测量的物理量随时间变化，那么传感器的输出是否能够成功跟踪输入量的变化是重要的问题。 静态保持性非常好，但也有传感器，因为不能很好地跟踪输入量的急剧变化，所以会引起重大误差，如果不小心控制这样的动态误差，可以达到百分之几十到百分之百。 在被测定信号的变化速度快的情况下，要认真注意传感器的动态响应保持性。 频率响应特性振幅频率特性阶梯响应特性时间常数上升时间过冲量(过冲量)固有频率衰减比(对数简并)、4.1.4传感器的分类传感器的分类方法是各种各样的1 .按被测量物理量的性质分开的位移传感器、温度传感器、压力传感器等； 2、按工作机理分开的电阻式

5、、感应式、静电电容式、光电式； 3 .按输出信号的性质分为开关型(2值型)、数字型、模拟型，如下图所示，1开关型的开关型传感器的2值为“1”和“0”或者“ON”和“OFF”。 该“l”和“0”的数字信号可以直接传输给微机进行处理，使用方便。特性曲线中，从输出状态off到on的输入值为INon，到off的输入值为INoff时，特性满足INoffINon INoff和INon的差称为滞后幅度或瞬动(snap )幅度。 二值型传感器的实用特性是，二数字型数字型传感器有计数型和代码型两种。 其中，计数类型也称为脉冲数字类型。任何脉冲发生器，产生的脉冲数都与输入量成正比，可以通过加上计数器来计数输入量。

6、 例如，可以检测通过传送带上的产品个数，也可以检测执行元件的位移量。 此时，每当执行元件移动一定距离或旋转一定角度时，就会产生增量光电码盘或检测光栅等的脉冲信号。 代码型传感器也称为编码器，输出的信号为数字代码，各代码相当于一定输入量的值。 3模拟型模拟型传感器的输出是根据输入物理量的变化而连续变化的电量。 输入和输出可以是线性的，也可以是非线性的。 4.1.5对机电系统传感器的基本要求1 .精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高2 .体积小、重量轻、对机械整体的适应性好3 .安全可靠性高、寿命长4 .容易与电脑连接5 .被测量不易受影响，也不影响外部环境6 .对环境条件的适应能力强7 .

7、现场处理简单，操作性好8 .价格便宜。 4.1.6机电系统常用传感器1 .位移检测传感器位移测量是直线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电领域应用广泛。 这不仅是各种机电产品的需求位移测量，速度、加速度、压力、扭矩等残奥仪表的测量也是基于位移测量位移的。 直线位移传感器主要有电感传感器、差动变压器传感器、静电电容传感器、感应同步器、光栅传感器。 角位移传感器主要有静电电容传感器、旋转变压器、光电编码盘等。 2 .速度加速度传感器检测转速的传感器有测速发电机、光电、磁电式转速传感器。 检测加速度可以使用静电电容式或压电式的加速度传感器。 检测直线运动速度时，可将直线运动转换为旋转运动，用旋

8、转速度传感器检测。 用数字型传感器检测位移时，也可以同时检测运动速度。 修正型传感器通过检测其脉冲频率可以获得运动速度的数据。 码型传感器可以通过检测其码转换周期来确定运动的速度。 n=60N/Zt n转速r/min t测量时间s N -t内的脉冲个数Z -圆盘上的狭缝个数，3 .力，扭矩传感器可以利用应力传感器、力传感器和扭矩传感器，可以将扭矩片直接粘贴在被检测部分来检测力因此，只要制作反映某种状态的开关量即可。 位置传感器有接触式和接近式两种。 接触式传感器是能够取得两个物体是否自己接触的信息的传感器。接近式传感器是用于判断是否存在于某范围内的物体的传感器。 (1)接触式位置传感器这样的传

9、感器用微动开关这样的接点设备能够分为以下两种a : 超声波式； 气压式等。 其基本工作原理如下图所示。接近式位置传感器的工作原理，5视觉传感器视觉传感器在机电系统中的作用是： 1、确定对象物的位置和姿势2、图像识别：确定对象物的特征(识别符号、读取文字、识别物体) 3、形状尺寸检查：检查部件在形状尺寸上的缺陷。 机电系统中采用的视觉传感器有光导摄像管照相机、固体半导体照相机、激光视觉传感器等。 固体半导体摄像元件有CMOS型(金属氧化物集成电路)、CCD型(电荷耦合元件)、CMOS和CCD的混合型等。 4.2传感器与微机的接口技术输入微机的信息必须是微机可处理的数字量信息。 传感器的输出形式有

10、模拟量、数字量、开关量。 相应地有3种基本接口方式，请参照下表。 4.2.1数字量、开关量的接口可以通过缓冲器直接输入修正机数据总线。 4.2.2模拟量的接口1 .模拟量的数字化过程(1)时间可以是间断的，其中采样定理信号的最高频率为fc，并且在采样频率fs=2fc的条件下，采样后的信号可以无失真地复用为原始模拟信号。 (2)数值间断的过程被称为量化，其中量化是指将采样信号的幅度与某一最小数量单元的一系列整数倍数进行比较，并且将该幅度替换为最接近采样信号的幅度的最小数量单元的倍数。 最小单位被称为量化单位，其中，q=FSR/2n (其定义为量化器的全标量电压FSR与2n的比率)的示例是FSR=10V，在n=8的情况下，q=39.1mv是FSR=10V