机电一体化第四章 机械参数的检测

1、机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 第四章第四章 机械参数的检测机械参数的检测 4.1 概述概述1 什么是机械参数？什么是机械参数？ 机械参数包括：位置、位移、速度、压力、温度、流量等。机械参数包括：位置、位移、速度、压力、温度、流量等。2 检测系统的组成检测系统的组成 （1）传感器。）传感器。 （2）信号检测与处理电路，其作用是将传感器的信号进行变换）信号检测与处理电路，其作用是将传感器的信号进行变换 加工加工 分析分析及运算。及运算。3 计算机测控系统组成框图计算机测控系统组成框图 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 4、对检测系统的要求对检测系统的要求 （1）几个概念）几

2、个概念 精度：检测系统的输出与被测量之间的对应程度。精度：检测系统的输出与被测量之间的对应程度。 什么是一级精度？二级精度？什么是一级精度？二级精度？ 分辨率：可辨别的最小量（单位）。分辨率：可辨别的最小量（单位）。 灵敏度：灵敏度高意味着被测量有微小的变化时，传感器的输出有较大灵敏度：灵敏度高意味着被测量有微小的变化时，传感器的输出有较大的变化。的变化。 线性：有效量程范围内输入与输出成比例的关系。线性：有效量程范围内输入与输出成比例的关系。 重复性：对于同一被测量反复测量结果的一致性。重复性：对于同一被测量反复测量结果的一致性。（2）要求）要求 精度、灵敏度、分辨率高，线性、重复性、稳定性

3、好，响应快，价格低。精度、灵敏度、分辨率高，线性、重复性、稳定性好，响应快，价格低。 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 4.2 传感器的定义及分类传感器的定义及分类 一、定义一、定义 两种定义：两种定义： 1 凡接受外界刺激并产生输出的装置。凡接受外界刺激并产生输出的装置。 2 将被测物理量转换成相对应的容易检测将被测物理量转换成相对应的容易检测 传输或处理的信号的装置。传输或处理的信号的装置。二、分类二、分类 传感器的分类方法很多，下面列举三种通常的分类方法：传感器的分类方法很多，下面列举三种通常的分类方法： 1 按被测物理量分按被测物理量分 有位移传感器、力传感器、温度传感器等。

4、有位移传感器、力传感器、温度传感器等。 2 按信号变换的特征分按信号变换的特征分 （1）物性型传感器）物性型传感器 靠敏感元件本身物理性质变化实现信号的变换（如靠敏感元件本身物理性质变化实现信号的变换（如水银温度计）水银温度计） （2）结构型传感器）结构型传感器 靠结构参数的变化实现信号的变换（如电容传感器靠结构参数的变化实现信号的变换（如电容传感器 电感传感器等。电感传感器等。 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 3 根据输出的信号方式分根据输出的信号方式分（1） 非电量型非电量型 如室内温度计、弹簧称等。如室内温度计、弹簧称等。（2）电量型）电量型 二值型：如各种开关。二值型：如各

5、种开关。 模拟型：模拟型： 如电压型、电流型、电感型等。如电压型、电流型、电感型等。 数字型：数字型： 如流量计、旋转编码器如流量计、旋转编码器 、光栅等。、光栅等。4.3 常用传感器原理常用传感器原理（复习）（复习） 一一 机械式传感器机械式传感器 1 测力测力 2 测压测压 3 测温测温 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 二、电阻式传感器二、电阻式传感器 把被测物理量（如位移把被测物理量（如位移 、力）转换成电阻变化的一种装置。、力）转换成电阻变化的一种装置。 1、电位计式传感器、电位计式传感器 2 、电阻应变片式传感器、电阻应变片式传感器 （1）原理）原理 机械变形引起电阻变化

6、机械变形引起电阻变化 （2） 特点特点 体积小体积小 响应快响应快 精度高精度高 使用方便。使用方便。 （3）结构）结构 电阻应变片结构如图所示电阻应变片结构如图所示: 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 （4）电阻应变片典型应用）电阻应变片典型应用 若若 R1=R2=R3=R4=R0 则全桥输出为：则全桥输出为： 00eRRe机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 三、电感式传感器三、电感式传感器( (差动变压器式差动变压器式) ) 下面为互感型（差动变压器式）位移传感器工作原理图。下面为互感型（差动变压器式）位移传感器工作原理图。 当初级线圈当初级线圈W W加上交流电压加上交流

7、电压V V时，次级线圈时，次级线圈W W1 1与与W W2 2分别产生感应电动势分别产生感应电动势E E1 1与与E E2 2，E E1 1与与E E2 2的大小与铁芯的位置有关。的大小与铁芯的位置有关。 铁芯在中心位置时，铁芯在中心位置时，E E1 1=E=E2 2，输出电压，输出电压E E0 0=0=0 铁芯向上运动时，铁芯向上运动时，E E1 1 E E2 2，E E0 0 0 0 铁芯向下运动时，铁芯向下运动时，E E1 1 E E2 2，E E0 0 1V3V 外形尺寸：外形尺寸： 直径直径 20， 25 ； 长度长度 45 1260 温度范围：温度范围：25C 55C 价价 格：与

8、尺寸及精度有关（格：与尺寸及精度有关（500 1500元）元） 各参数选择表各参数选择表特点：体积大，测量范围较大，质量一般，精度较低，价格低廉。特点：体积大，测量范围较大，质量一般，精度较低，价格低廉。机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 （二）三门峡中原量仪股份有限公司生产的位移传感器（二）三门峡中原量仪股份有限公司生产的位移传感器 特特 点：高精度点：高精度 小量程小量程 小体积。小体积。 外形尺寸参数表外形尺寸参数表 形形 式：差动变压器式（直流）。式：差动变压器式（直流）。 测量范围：大多品种为测量范围：大多品种为 1 6毫米。毫米。 精精 度：示值变动误差为度：示值变动误差为

9、 0.03 m，0.1 m ，0.5 m ，1 m 输出：直流毫伏级，伏级输出：直流毫伏级，伏级 外形尺寸：外形尺寸：630， 8 85， 8 97， 8 103， 13 107 特点：体积小，精度较高，价格较高。特点：体积小，精度较高，价格较高。 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 二二. 压力压力 差压的测量差压的测量 压力传感器用来测量气体压力传感器用来测量气体 液体等流体的压力，最常用的是液体等流体的压力，最常用的是电阻应变片式压力传感器，电阻应变片式压力传感器， 内部结构如图所示（内部结构如图所示（内部结构图内部结构图）。）。 差压传感器用来测量两流体的压力差，其外观图如图所

10、示差压传感器用来测量两流体的压力差，其外观图如图所示（外观图外观图）。）。（一）应用实例（一）应用实例 1、密封性能检测密封性能检测 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 2 .测量压力与流量之间的关系测量压力与流量之间的关系 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 三、力的测量三、力的测量（一）（一）差动变压器式测力传感器差动变压器式测力传感器 （二）（二）应变式测力传感器应变式测力传感器 目前最广泛采用的是由弹性元件和电阻应变片组成的电阻目前最广泛采用的是由弹性元件和电阻应变片组成的电阻应变片式测力传感器。应变片式测力传感器。 测力范围从几毫牛顿几千万牛顿，精度可达测力范围从几毫

11、牛顿几千万牛顿，精度可达 0.1% 生产厂家：中原电测仪器厂生产厂家：中原电测仪器厂 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 四四 、液体流量的测量、液体流量的测量（一）涡轮流量计（一）涡轮流量计 1、测量原理、测量原理 测量原理见右图。涡轮叶片由导磁材料制成，感应头输出电脉冲，频率与涡轮转测量原理见右图。涡轮叶片由导磁材料制成，感应头输出电脉冲，频率与涡轮转速成正比。速成正比。 2、产品特性、产品特性 量程：量程：200ml/分分 1000ml/分分 120M/小时小时1200M/小时。小时。 量程倍数（最大流量量程倍数（最大流量/最小流量）：最小流量）：fmax 。机电一体化系统设计

12、第四章 机械参数的检测 采样举例：采样举例： 下图为交流正弦波信号，下图为交流正弦波信号， fmax =50HZ，若要求通过采样获得最大值，误，若要求通过采样获得最大值，误差不大于差不大于1%，采样频率，采样频率fS=？ 误差误差=1 cos（360/ fZ）=0.01。 上式中上式中fZ为每个正弦周期采样次数为每个正弦周期采样次数 , 解以上等式解以上等式fZ=40。 采样频率采样频率: fS=fmaxfZ=5040=2000。 采样周期采样周期: T=1 / fS=1/2000=0.5毫秒毫秒 。 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 4.5.2 数字信号的预处理数字信号的预处理 1

13、、 问题的提出问题的提出 由于干扰的存在，数据采集系统所采集到的数据不一定都是传感器的输出值的真由于干扰的存在，数据采集系统所采集到的数据不一定都是传感器的输出值的真实反映。实反映。 数字信号的预处理目的数字信号的预处理目的: 削弱或消除随机性干扰削弱或消除随机性干扰 周期性干扰。周期性干扰。 2、解决方法、解决方法: 数字滤波（程序滤波）。数字滤波（程序滤波）。 （1）中值滤波）中值滤波 方法：采样方法：采样N3次（奇数），取中间值为有效值。次（奇数），取中间值为有效值。 特点：对缓慢变化的信号由于偶然因素引起的脉冲干扰具有较好的滤波效果。特点：对缓慢变化的信号由于偶然因素引起的脉冲干扰具有

14、较好的滤波效果。（2）算术平均滤波）算术平均滤波 方法：采样方法：采样N次取平均值。次取平均值。 特点：对周期脉动信号有良好的滤波效果；特点：对周期脉动信号有良好的滤波效果； 但需采样但需采样N次才能得到一个有效值。次才能得到一个有效值。（3）滑动平均滤波）滑动平均滤波 方法：将采样数据按时间顺序排列，每次将最新的方法：将采样数据按时间顺序排列，每次将最新的N个数取平均值，每采样一次个数取平均值，每采样一次取一次平均值。取一次平均值。 特点：速度快，实时性好，对周期性干扰具有良好的抑制作用。特点：速度快，实时性好，对周期性干扰具有良好的抑制作用。机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 4.

15、6 传感器的非线性补偿处理传感器的非线性补偿处理 1、问题的提出、问题的提出 在检测系统中，总是希望传感器的输入与输出呈线性关系，但很多检测在检测系统中，总是希望传感器的输入与输出呈线性关系，但很多检测元件的输入与输出呈非线性关系。元件的输入与输出呈非线性关系。 例如：管式差压流量传感器的输入与输出成非线性关系例如：管式差压流量传感器的输入与输出成非线性关系 。500400Q(ml/min)P(KPa)300200100806050403020107053PQ关系曲线差压传感器通流管管式差压流量传感器结构示意图 机电一体化系统设计 第四章 机械参数的检测 2、解决办法、解决办法 用软件的方法进

16、行用软件的方法进行“线性化线性化”处理，通常采用的方法有：计算法、查表处理，通常采用的方法有：计算法、查表法和插值法。法和插值法。（1）计算法）计算法 当传感器的输入与输出之间有确定的数学表达式时当传感器的输入与输出之间有确定的数学表达式时 可采用计算法进行非可采用计算法进行非线性补偿处理。线性补偿处理。 问题：传感器的输入与输出常常是一组标定数据，如何找出传感器的输问题：传感器的输入与输出常常是一组标定数据，如何找出传感器的输入与输出之间的数学表达式？入与输出之间的数学表达式？ 解决办法：用数学的方法进行曲线拟合，得出误差最小的近似表达式。解决办法：用数学的方法进行曲线拟合，得出误差最小的近

17、似表达式。 例如，上述管式差压流量传感器拟合曲线的数学模型为：例如，上述管式差压流量传感器拟合曲线的数学模型为： Q(P )=P 2（a0P 2+a1P +a2） 根据误差最小原则拟合求出表达式中的各个系数。根据误差最小原则拟合求出表达式中的各个系数。 （2）查表法）查表法 就是把事先标定或测得的数据按一定的顺序编制成表格就是把事先标定或测得的数据按一定的顺序编制成表格 ，查表程序的，查表程序的任务就是根据被测参数的值查表，查出所需要的结果。任务就是根据被测参数的值查表，查出所需要的结果。 （举例）（举例） 查表法所编制成的表格查表法所编制成的表格 数据应足够多，数据密度应满足最低分辨率的数据应足够多，数据