机电一体化与PPT课件

1、 检测技术也称为测试技术，研究的主要内容有被测量的测量、原理、测量方法、测量系统和数据处理四个方面。 传感与检测是系统的感受器官。传感器是检测技术的关键元件。 检测系统的趋势：（1）不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性；（2）传感器逐渐向集成化、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。4.1 概述 第1页/共135页 检测系统的组成 系统中的检测量有电量和非电量。 非电量检测系统的环节： (1) 把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功能,传感器又称为一次仪表。 (2) 对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理,

2、这叫作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。 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 传感器的概念及基本特性 传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。 1.传感器的构成 如图示 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 （1

3、）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。 （2）转换元件：又称变换器，将非电量转换为电信号的元件。 （3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。 第5页/共135页 2.传感器的静态特性 （1） 线性度 线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际曲线偏离拟合曲线的程度。通常希望这个特性（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 线性度（非线性度误差）： 式中， L线性度(非线性误差)；

4、max最大非线性绝对误差； yFS 输出满度值。 （2） 灵敏度 传感器在静态标准条件下，输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比称灵敏度，用S0表示。灵敏度是传感器静态特性中的一个重要指标。%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 （3）迟滞 传感器在正、反行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量程输出yF S的百分数表示： 式中:Hm输出值在正、反行程间的最大差值。 迟滞特性一般用实验方法确定。 %10021%100FSmHFSmHyHyH或yFSHm0 xFSyx第8页/共135页 （4） 重复特性 传感器在同一

5、条件下,被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时的输出/输入曲线不一致的程度。重复特性误差用满量程输出的百分数表示,即式中，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 （5）分辨力 传感器能检测到的最小输入增量。 （6）漂移 传感器在外部输入不变时输出随时间变化的现象。 （7）精确度 表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。常以测量误差 的相对值表示。100%ESAAY第10页/共135页 3. 传感器的动态特性 动态特性是指传感器测量动态信号时， 输出对输入的响应特性。 动态特性的表示方法： 时

6、域特性、频域特性。 图为热电偶的时域动态特性。 4、传感器的标定 传感器的标定是指利用高等级的标准器具对传感器的特性 进行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量输出量之间的关系。 （1）静态标定：确定静态指标。 （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 5、传感器的分类 （1）工作原理 电阻原理：如电位计式传感器、应变式传感器； 变磁阻原理：如电感式、电涡流式、差动变压式传感器； 半导体原理：热敏、光敏、气敏等固态传感器。 （2）信号特性 模拟式：输出信号为模拟量，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； 数字式

7、：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。 第12页/共135页 （3）电源 有源式：将非电量转换为电量，也称换能器（只转换本身不提供能量），如压电式、热电式、电磁式等；通常与测量电路、放大电路配合使用； 无源式：也称能量控制型传感器，必须有辅助电源，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，如电阻式、电感式、电容式，常用于电桥和谐振电路的测量。 （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 信号传输与处理电路 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括 （1）传感器输出信号形式,

8、如是模拟信号还是数字信号,是电压还是电流。 （2） 传感器输出电路形式,是单端输出还是差动输出。 （3） 传感器电路的输出能力,是电压还是功率,输出阻抗的大小如何等。 （4） 传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。第14页/共135页 信号调理电路类型： 阻抗变换输出阻抗很高时 信号放大输出信号微弱时 噪声抑制信号淹没在噪声中 电压/电流转换需要电流输出时 模拟数字转换需要数字输出第15页/共135页 工业过程检测第16页/共135页 产品质量检测 如汽车出厂检验第17页/共135页4.2 位移检测 位移测量包括线位移和角位移。 位移传感器有电感式、电容式、感应同步器、光栅式、磁栅式、旋转变

9、压器、光电编码器。其中光栅式和光电编码器为数字式传感器。 第18页/共135页 模拟式位移传感器 电感式传感器是一种非接触式检测接近测量的传感器。电感式位移传感器基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。 特点：输出功率大，灵敏度高，稳定性好。 分类：自感式、互感式、电涡流式 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 当线圈通以激磁电流时,其自感L与磁路的总磁阻Rm有关,即（4-5）式中，W线圈匝数； Rm总磁阻。

10、如果空气隙较小,而且不考虑磁路的损失,则总磁阻为 mRWL2002AAlRm（4-6）第21页/共135页 铁心的磁阻远小于空气隙的磁阻，则 （4-7）将式(4-7)代入式(4-5),得 若A0不变，则L是的单值函数，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。 002AR2002AWL （4-8）第22页/共135页 当A0固定不变而改变时，L与成非线性关系,此时传感器的灵敏度为： 传感器的灵敏度与空气隙的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。S不是常数，所以会出现非线性误差。例如，设间隙变化范围为（0，0+），则灵敏度 当1 MHz)激励电流i0产生的高频磁场作用

11、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 （2）低频透射式涡流传感器 发射线圈W1和接收线圈W2分别置于被测金属板材料G的上、下方。低频磁场集肤效应小，渗透深，有能量损失。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。 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 涡流传感器特点： 结构简单

12、，容易进行非电量测量，灵敏度高，应用范围广，可测位移、振动、厚度等等。第31页/共135页3.互感型差动变压器式电感传感器互感型电感传感器是利用互感系数M的变化来反映被测量的变化，与变压器的工作原理相似，初级线圈输入稳定交流电时，次级线圈输出的电压随被测量的变化而变化。也常称为变压器式传感器，互感系数M的大小与两个线圈相对位置及周围介质的导磁能力等有关，表明了两线圈间的耦合程度。 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 e2W2xe2ee1e0 x0(a)(b)(c) 差动变压器

13、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 注意：（1）输出的电压是交流电压，用交流表指示时只反应铁心位移的大小不能反应移动的极性；（2）交流电压输出存在一定的零点残余电压。 图示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理。 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 特点：精度高（0.1um），线性变化范围大，稳定性好。 第35页/共135页第36页/共135页第37页/共135页第38页/共135页 数字式位移传感器数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步

14、器等，其特点是利用自身的物理特征，使输出信号为脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，对脉冲计数则可计算出位移。 1、光栅传感器 光栅传感器是利用莫尔条纹效应实现被测量的测量。 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 光栅在一块长条形光学玻璃上均居刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的光学器件。 分类： （1）用途：物理光栅和计量光栅，物理光栅是利用光的衍射原理，主要用于光谱分析、光波长的测量；计量光栅利用光的莫尔现象实现位移、速度、振动等测量。 （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）。 （3）形状：长光栅、圆光

15、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 莫尔条纹的特点：位移放大作用。 用W表示条纹宽度,P表示栅距,表示光栅条纹间的夹角,则有 例：若P0.01mm,把莫尔条纹的宽度调成10mm,则放大倍数相当于1000倍,即利用光

16、的干涉现象把光栅间距放大1000倍, 大大减轻了电子线路的负担。 (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 2、同步感应器 感

17、应同步器是利用电磁感应原理将位移量转换为数字量的高精度检测元件，以脉冲形式输出。 工作原理：两个平面形印刷电路绕组的互感随两者的相对位移变化。 分类：直线型、圆盘型 特点：较高的分辨率和测量精度，可靠性好，抗干扰性强。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 （2）圆盘式感应同步器 组成：定子、转子，分别相当于定尺和滑尺；其转子相当于直线感应同步器的滑尺,定子相当于定

18、尺，而且定子中的两个绕组也错开1/4节距。第47页/共135页 信号检测： （1） 鉴相式： 根据感应电势的相位来鉴别位移量。即当uA=Umsint, uB=Umcost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 滑尺在定尺上每滑动一个节距,定尺绕组感应电势就变化了一个周期，即 eA=KuAcos式中，K滑尺和定尺的电磁耦合系数； 滑尺和定尺相对位移的折算角。 若绕组的节

19、距为W,相对位移为l，则 当仅对正弦绕组B施加交流激磁电压UB时,定尺绕组感应电势为 e B=-KuBsin 360Wl第49页/共135页 对滑尺上两个绕组同时加激磁电压,则定尺绕组上所感应的总电势为 e =e A+eB=KuAcos-KuBsin =KUmsint cos-KUmcostsin =KUm sin (t-)（4-14） 可知，感应同步器把滑尺相对定尺的位移l的变化转成感应电势相角的变化。因此,只要测得相角,就可以知道滑尺的相对位移l： （4-15）Wl360第50页/共135页 （2）鉴幅式 滑尺的两个绕组上有激磁电压频率和相位相同，但幅值不同的电压uA和uB uA=Umsi

20、n1sint uB=Umcos1sint；1指令位移角。 若滑尺绕组与定尺绕组的相对位移角为,则定尺绕组上的感应电势为 e=KuAcos-KuBsin =KUm(sin1cos-cos1sin)sint =KUmsin (1-) sint 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/共135页第52页/共135页4.3 速度、加速度检测 物体的速度有线速度和角速度两种。 速度加速度的测量方法： （1）直接测量速度转变为输出信号 （2）通过位移检测换算出速度和加速度 （3）通过测试惯性力换算出加速度 速度测量原理： （1）频率计数法

21、（2）模拟法 （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 直流测速机的输出特性理想值实测值RLRL1RL2RL RL1 RL2nU/V01/

22、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 直流测速电机特点：输出电压斜率大，无剩余电压，无相位误差，易实现温度补偿；但结构复杂，摩擦转矩大。 作用：测速和校正。安装时尽可能直接连于主轴。 如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。 第56页/共135页 光电式转速传感器 光电式传感器是将被测量转换为光量的变化，再通过光电元件把光量转化为电信号。它的工作原理是光电效应，即物体吸收光能后转换成电

23、量的变化。第57页/共135页 目前利用的光电效应有三种： （1）外光电效应：物体光电照射下电子溢出现象，如光电管； （2）内光点效应：材料在光的照射下电阻率发生变化的现象，如光敏电阻； （3）光生伏特效应：物体在光照下内部产生电势的现象，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，将光脉冲转换为电脉冲。第59页/共135页 根 据 测 量 单 位 时 间 内 的 脉 冲

24、 数 N , 则 可 测 出 转 速 为 （4-19） 式中，Z圆盘上的缝隙数；n转速(rmin)；t测量时间(s)。 一般取Zt=6010m(m0,1,2,)。利用两组缝隙间距W相同，位置相差（i2+14 ）W（i0,1,2,） 的指示缝隙和两个光电器件,就可辨别出圆盘的旋转方向。 ZtNn60第60页/共135页 加速度传感器 加速度是反映物体在空间运动本质的一个基本物理量，通过测量加速度可以测量物体的运动状态。 测量方法：通常采用惯性法，即把惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。 工作原理：利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，间接度量被测加速度。最常

25、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 压电式加速度传感器是是利用某些材料在受力变形的状态下产生压电效应的原理进行测量。 特点：输出电压与所受的加速度成正比，使用时不需外加供电源，能直接把振动的机械能转换成电能，而且体积小，输出大，固有频率高（灵敏度高），在振动冲击测量中引用非常广泛。 第63页/共1

26、35页 1. 压电效应及压电材料 压电效应：当某些材料沿某一方向施加压力或拉力时会产生变形，内部产生极化现象，同时在材料的相对表面产生符号相反的电荷；当去掉外力后，又重新回到不带电的状态；当作用力方向发生变化，电荷的极性也发生变化。 压电材料：石英晶体、压电陶瓷多晶体、压电薄膜 压电效应具有方向性。 xFxy(a) xFxy(b) xy(c) xy(d)FyFy第64页/共135页 2. 压电传感器的结构及特性 压电传感器相当于一个电压发生器和电容器。 一般由两片或多片压电晶体粘合而成，由于压电晶片有电荷极性,因此接法上分成并联和串联两种。 (b)(a)第65页/共135页 并联接法：输出电荷

27、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3. 压电传感器的应用压电加速度测试传感器的结构如图示。 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

28、以测量加速度，还可以用在振动仪、超声波探测、助听器等产品中。 第67页/共135页第68页/共135页4.4 力、扭矩和流体压强检测 力、力矩传感器按其工作原理可分为弹性式、电阻应变式、气电式、位移式和相位差式等。 第69页/共135页 电阻应变式传感器用得最为广泛，工作原理是弹性敏感器元件受到力、压力或扭矩的作用产生相应的应变，致使其表面的电阻应变片的电阻值的变化，再经过转换电路输出电压或电流信号，从而得到应变的大小，再换算为应力。 第70页/共135页 力、力矩检测 组成：弹性元件和传感元件组合而成，弹性元件将力转换为位移或者应变，传感元件将位移或应变转换为电量。 常见的弹性元件：柱形、筒

29、形、环形、梁式和轮辐式等，应根据被测力的大小和性质选择弹性元件。 弹性元件的要求：良好的弹性；足够的精度；随时间和温度变化的稳定性。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 若在弹性元件上施加一压力p,则筒形弹性元件的轴向应变L为

30、 用电阻应变仪测出的指示应变为 =2(1+)L （4-21） 式中，p作用于弹性元件上的载荷； E圆筒材料的弹性模量； 圆筒材料的泊松系数； A筒体截面积,A=(D1-D2) +24。 其中,D1为筒体外径, D2为筒体内径。EApEL(4-20)第73页/共135页 2. 梁式弹性元件 （1） 悬臂梁式弹性元件 特点：结构简单,容易加工,粘贴应变片方便,灵敏度较高,适用于测量小载荷的传感器。图示为一截面悬臂梁弹性元件,在其同一截面正反两面粘贴应变片，组成差动工作形式的电桥输出。第74页/共135页 若梁的自由端有一被测力p,则应变片感受的应变为 电桥输出为USC=KU 0 （4-23）式中，

31、l应变计中心处距受力点距离； b悬臂梁宽度； h悬臂梁厚度；E悬臂梁材料的弹性模量； K应变计的灵敏系数。pEbhl26(4-22)R3R1bR1(R3)R2(R4)lhp第75页/共135页第76页/共135页 （2） 两端固定梁 弹性元件的结构形状、参数以及应变片粘贴组成桥的形式如图示。它的悬臂梁刚度大,抗侧向能力强。粘贴应变片感受应变与被测力p之间的关系为 电桥输出为： 204)4(3Ebhll bpA AR3R4hlAAR1R2l0USC=KU 0第77页/共135页 （3） 梁式剪切弹性元件 与梁式弹性元件相比,它的线性好、抗偏心载荷和侧向力的能力大,其结构和粘贴应变片的位置如图示。

32、 粘贴应变片处的应变与被测力p之间的关系近似为： 式中，G为弹性元件的剪切模量；b和h为粘贴应变片处梁截面的宽度和高度。R3、4R1、24545AABA AbHhbhGp2第78页/共135页第79页/共135页 3.扭矩测量 扭矩测量常用在旋转设备的扭矩和功率检测中。 工作原理：采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，可测得弹性轴受扭的电信号。 弹性元件是一个与被测转矩的轴相连的转轴，轴在旋转式主应力与轴线成45和135 角，在这两个方向上贴有应变片，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45

33、45R2R4R1R3 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 若能测定轴的扭转角则： MT=G*WT* 第82页/共135页 流体压强传感器 1. 膜式压力传感器弹性元件为四周固定的等截面圆形薄板,又称平膜板或膜片。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 膜片上粘贴应变片处的

34、径向应变r和切向应变t与被测力p之间的关系为 式中，x应变计中心与膜片中心的距离；h膜片厚度； r膜片半径 E膜片材料的弹性模量； 膜片材料的泊松比。)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 2. 筒式压力传感器 工作应变片R1、R3沿圆周方向贴在筒壁上，温度补偿应变计R2、R4贴在筒底壁上，并接成全桥线路。这种传感器适用于测量较大压力。对于薄壁圆筒(壁厚与臂的中面曲率半径之比120),筒壁上工作应变计处的切向应变与被测压力p的关系,可用下式

35、求得：R2R1R4R3D2D1p第85页/共135页 对于薄壁圆筒(壁厚与臂的中面曲率半径之比110Db（G1000）； （4）低噪声：1.5V（P-P）（0.1100Hz）； （5）低失调电压 AD522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127116

36、41332141输出RL基准10 k数据防护RGUR信号地第100页/共135页程控增益放大器 问题：大小信号同用一个放大器，会出现测量误差；每个传感器用一个放大器则使控制电路体积、成本增加。 增益调控测量放大器可以改变放大增益。 增益调控放大器分类：自动增益测量放大器、程序增益放大器。 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

37、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 图为AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器,通过改变其外接电阻R的办法可实现增益控制。AD 5214052Uo7121310811123465UUD0D1R第103页/共135页图为AD524的结构原理图，其特点是： （1）具有低失调电压（50 mV）, （2）低失调电压漂移（0.5 V/）, （3）低噪声(0.3V（P-P）

38、,0.110Hz), （4）低非线性（0.003,增益为1时）, （5）高共模抑制比（120dB), （6）具有输入保护等。 使用： （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； （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页隔离放大器 隔离放大器是一种输入电路和输

39、出电路之间电气绝缘的放大器，一般采用变压器或光耦合传递信号。隔离放大器作用是对模拟信号进行隔离,并按照一定的比例放大。 由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入、输出端之间的耦合,因此还具有以下特点： （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。 （2）泄漏电流低,对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。（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。 第106页/共135页 隔离放大器采用的耦合方式主要有两种：变压器耦合和光电耦合。 变压器耦合实现载波调制，通常具有较高的线性度和隔离性能，但是带宽一般在lkHz以下。 光电耦合方式中

40、，发光和光敏元件都是非线性元件，会引起输出信号的失真，但是可以采用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。 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器DC TO 1kHz解调驱动前置隔离输出端

41、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4.6 传感器接口技术 问题：模拟信号进行A、D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差；如果被测量较多，多个A/D使成本增加，系统校准困难。第109页/共135页 传感器信号的采样/保持 采样/保持器：在A/D转换开始时将信号电平保持住,而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化,即对输入信号处于采样状态。 从上面的分析也可知,采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。第110页/共135页

42、 1. 采样/保持器的原理 采样/保持器组成：存储电容C、模拟开关S等。 采样/保持器是一种用逻辑电平控制工作状态的器件。开关控制SRUiCUo第111页/共135页 采样保持器具有两个稳定的工作状态： 1、采样：尽可能快的接收模拟输入信号，并精确的跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止； 2、保持：对接收到的保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。第112页/共135页 2. 集成采样/保持器 大规模集成电路技术的发展，已经生产出了多种集成采样保持器，集成采样保持器的特点是： （1） 采样速度快、精度高,一般在22.5s内即可达到0.010.003的精度。 （2） 下降速率慢,如AD

43、585,AD348为0.5 mVms,AD389为0.1 Vms。 采样保持器的主要参数：采样时间、电压下降率等。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页主要技术指标有： （1） 工作电压： 518 V。（2） 采样时间： 10 s。（3） 可与TTL、PMOS、CMOS兼容。（4） 当保持电容为0.01F时,典型保持步长为0.5 mV

44、（5） 低输入漂移,保持状态下输入特性不变。（6） 在采样或保持状态时高电源抑制。第115页/共135页 图为LF398的外引脚图及其典型应用图。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 多通道模拟信号输入 当多个信号需要转换时可以利用多路转换开关实现。

45、多路转换开关实现多选一操作，把n路输入信号依次（或随机）地切换到后级，实现CPU对各路模拟量分时采样。 1.常用多路模拟开关集成电路 1） 单端8通道 AD7501是单片集成的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TTL或CMOS电路。图4-46为AD7501的外引脚图和原理图。 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ENA2A1

46、A0UDD(15V)USS(15V)OUTS1S8第118页/共135页AD7501的主要参数有： (1) 导通电阻Ron的典型值为170（-10 VVS10 V）,导通电阻温漂为0.5,路间偏差为4。(2) 输入电容： 3 pF。(3) 开关时间： ton =0.8 s, toff =0.8 s。(4) 极限电源电压： UDD +17 V,USS -17V。第119页/共135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)GNDOUTS1S16S11S10

47、S9GNDNCA3910111213142827262524232221OUTUSSS8S7S6S5S4S3201918171615S2S1ENA0A1A2A3 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(1) 导通电阻Ron 300。导通电阻温漂为0.5,路间偏差为4。 (2) 开关时间：ton =0.8 s, toff =0.8 s。(3) 极限电源电压： UDD 17 V,USS -17V。第121页/共135页图4-48AD7502的外引脚图和原理图A1GNDENOUT58S8S7S6S512345678161514131211109A0USSU

48、DDS1OUT14S2S3S4GNDCOMS电平转换器解码器，驱动器ENA1A0UDD(15V)USS(15V)OUT14S1S8S4S5OUT58 3） 差动4通道AD7502是差动4通道多路模拟开关,其主要特性AD7501的基本相同,但在同选通地址情况下有两路同时选通。第122页/共135页 2.多路模拟开关应用举例 在许多机电一体化产品中,都需要用到多路模拟量输入情况,此时可采用多路模拟开关来实现。如两片AD7501可以组合成16路输入。AD7501S1 S2S8S3 S4 S5 S6 S7INHAD7501S9S10S16S12S14A0S11S13S15A1A2A3A0A1A2COM COMS/Hto A/D第123页/共135页 3. 多路开关选用时的注意事项 （1） 对于传输信号电平较低的场合,可选用低压型多路模拟开关，但必须在电路中有严格的抗干扰措施。 （2）对于要求传输精度高而信号变化慢的场合,如利用铂电阻测量缓变温度场,就可选用机械触点式开关。 （3）在切换速度要求高、路数多的情况下,宜选用多路模拟开关。根据通道量选取单片模拟开关集成电路； 多片组合时宜选用同一型号的芯片。 （4）多路模拟开关速度选择要考虑后级采样保持和AD的速度； （5）使用