机电一体化讲议-2

1、第二章 传感器及测量系统(1)吉林大学 机械电子工程学科赵丁选8/8/202212.1 传感器及测量系统概述2.1 传感器及测量系统概述 在机电一体化产品中，传感器及测量系统是一个十分重要的环节是获取信息与处理信息的手段只有在获得既准确又可靠的信息基础上，才能实现自动化，节省能源和原材料，提高机器效率。 信息采集与处理：模拟量数字量。A/D转换器、D/A转换器。8/8/202222.1 传感器及测量系统概述发展趋势：(1)集成化：集成（传感器、放大器、运算器、补偿器等）；组合（不同功能的传感器）；排列（成矩阵）。(2)多功能化：如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长度等多功能传感器。(3)智能化：

2、不但能对外界信号进行转换与测量，同时还具有记忆存储、运算及数据处理等功能。(4)数字化：数字显示与微处理机的应用，使传感器应用更为方便，可提高稳定性及精度，简化结构。8/8/202232.1 传感器及测量系统概述2.2 模拟量传感器及测量电路 传感器及测量电路：物理量、化学性能电信号F（U，I，f）模拟量传感：(1)直接传感器； (2)差动传感器（信号相加，干扰相减）；(3)补偿传感器（抗干扰）。模拟量传感器性能指标：精确度、稳定性、输入/输出特性。图2-2-1模拟量传感器及其测量电路结构Monday, August 8, 202242.2 模拟量传感器及测量电路2.3 模拟量传感器性能指标2

3、.3.1精确度精确度指标：共有三个：精密度、准确度、精度。在工程上常用精度等级来表示传感器的精度（相对误差）。传感器的精度等级一般分为：0.001,0.002,0.005,0.02,0.05,1.5,2.5,4.0,5.0和6.0。 Monday, August 8, 202252.3 模拟量传感器性能指标2.3.2稳定性传感器的稳定性有两个方面：(1)稳定度：传感器的输出在所有条件恒定的情况下，于规定的时间内，维持其值不变的能力。如：3.454mV/h。(2)影响量：传感器的输出在外界条件变化的情况下而引起输出的变化量。例0.002mV/。Monday, August 8, 202262.3

4、 模拟量传感器性能指标2.3.3输入输出特性分类：静特性、动特性。1、静特性定义：静特性是指输入量不随时间而变化，只考虑它们之间的静态关系静特性的主要指标：线性度、灵敏度与滞环。(1)线性度：是指传感器输入/输出特性曲线用一条直线来近似代替时其准确程度。传感器输入与输出的典型特性曲线如图2-3-1所示。Monday, August 8, 202272.3 模拟量传感器性能指标(2)灵敏度：传感器输出量增量与输入量增量之比，即传感器输入输出特性曲线上各点的斜率。(3)滞环:传感器输入/输出静特性在输入量上升时和下降时输出特性的不一致性。图2-3-1传感器输入/输出的曲型特性曲线Monday, A

5、ugust 8, 202282.3 模拟量传感器性能指标滞环误差和滞环率为:滞环是由于传感器吸收能量所产生，所以滞环效应常伴着死区效应。图2-3-2滞环与滞环误差图 2-3-3一阶动力学系统Monday, August 8, 202292.3 模拟量传感器性能指标2 、动特性定义：当输入量随时间变化很快时，输入量与输出量之间的动态关系。传感器输入输出的动态特性是含有时间变量的微分方程。表达式为：bny(n)+bn-1y(n-1)+b1y(1)+b0y=bx(t)式中：b0、b1、bn对线性系统来说是常数y、y(1)、y(n)输出信号的各阶导数输入信号x(t)与输出信号y(t)具有相同的量纲。

6、Monday, August 8, 2022102.3 模拟量传感器性能指标(1)一阶系统的动态响应一阶动力学系统可由刚度为的弹簧和粘性阻尼系数为的阻尼器并联组成，见图2-3-3(a)；也可由质量为的物体和粘性阻尼系数为的阻尼器串联组成，见图2-3-3(b)， 动力学方程分别为： cy(1)+ky=kx(t) 和 my(2)+cy(1)=cx(1)(t) 可以写成同一个一阶惯性公式:T1y(1)+y=x(t)Monday, August 8, 2022112.3 模拟量传感器性能指标正弦信号激励下其幅频及相频响应为:单位阶跃函数输入一阶系统时,通过拉氏变换方法可以求得其响应为：(2)二阶系统的

7、动态响应二阶动力学系统可由质量为的物体、刚度为的弹簧和粘性阻尼系数为的阻尼器串联组成：其动力学方程为：my(2)+cy(1)+ky=kx(t)Monday, August 8, 2022122.3 模拟量传感器性能指标 图2-3-4动力学系统在正弦输入信号时的响应曲线Monday, August 8, 2022132.3 模拟量传感器性能指标图2-3-5 对单位阶跃输入信号的响应图2-3-6 二阶动力学系统Monday, August 8, 2022142.3 模拟量传感器性能指标正弦信号的激励下其幅频响应及相频响应为: 单位阶跃函数输入二阶系统时,通过拉氏变换方法可以求得其响应为: Mond

8、ay, August 8, 2022152.3 模拟量传感器性能指标2.4数字量传感器及其测量电路 数字量传感器有两种：直接数字量传感器可直接得到数字量输出的传感器，如角度数字编码器。间接数字量传感器通过A/D转换器得到数字量输出的传感器如光栅和感应同步器。按结构可分为三种类型：1、直接式数字量传感器其分辨率决定于数字量传感器的位数。被测物理量数字编码器信息提取装置数字量输出Monday, August 8, 2022162.4 数字量传感器及其测量电路2、周期计数式数字量传感器数字量传感器的结构方框图如图2-4-2所示。其分辨率决定于周期信号发生器的性质。可采用电子细分来提高传感器的精度且具

9、有辨向功能。图2-4-2周期计数式数字量传感器的结构方框图 Monday, August 8, 2022172.4 数字量传感器及其测量电路2.4.3 频率式数字量传感器结构：如图2-4-3所示。分类：带晶体振荡器、不带晶体振荡器其敏感元件可以是直接的和差动的，为了提高频率式数字量传感器的分辨率，一般采用倍频措施。图2-4-3频率式数字量传感器的结构方框图 Monday, August 8, 2022182.4 数字量传感器及其测量电路2.5 数字量传感器性能指标 (1)分辨率(Q)改变一个测量计数所对应的被测量的变化值。式中xmax，xmin数字量传感器的测量上限与下限N数字量传感器的输出值

10、Q越小，说明数字量测量装置的精度越高。Monday, August 8, 2022192.5 数字量传感器性能指标(2)精度()测量误差值与实际测量值之比。数字量传感器测量装置的精度为：式中n测量值与实际值之差。(3)检测时间对被测参数进行两次采样之间的时间间隔。(4)计数器字长根据检测装置的最大测量值xmax及分辨率(Q)可以确定计数器的最大计数值: Monday, August 8, 2022202.5 数字量传感器性能指标2.6 数字检测方法 2.6.1M法数字检测定义：在一定时间T内，测取数字量传感器测量电路发出脉冲的个数来计算被测参数的方法。例如，图2-6-2中测量转速时，脉冲发生器

11、每旋转一周输出P个脉冲，则转速n为:式中m在检测时间T内所得的脉冲数 T在设定的检测周期，单位sMonday, August 8, 2022212.6 数字检测方法测速装置的分辨率为:测量装置的分辨率在不同的区段是不同的。在低段的分辨率低(精度低)，而在高段的分辨率高(精度高)。图2-6-1M法测量原理图 图2-6-2转速测量脉冲发生器Monday, August 8, 2022222.6 数字检测方法2.6.2法数字检测定义：通过测量脉冲发生器发出的相邻两脉冲之间的间隔时间来计算被测参数的方法为T法例如，图2-6-2中测量转速时，脉冲发生器每旋转一周输出P个脉冲数。若采用频率为c的时钟脉冲进

12、行计数，则转速n为:式中m在检测时间内所测得的脉冲数。分辨率为：Monday, August 8, 2022232.6 数字检测方法测量装置的分辨率在不同的区段是不同的，在低段的分辨率高，而在高段的分辨率低。时钟脉冲频率fc越高，则检测装置的分辨率越灵敏。但这样会增加检测装置计数器字长，时钟脉冲频率fc由下式确定:式中nmin测量的最低转速。图2-6-3法测量原理图 图2-6-4/法测量原理图Monday, August 8, 2022242.6 数字检测方法2.6.3 M/T法数字检测定义：在固定的时间间隔内，由一个计数器对脉冲发生器的输出计数，得脉冲数m1，同时用另一计数器在同样的时间间隔内同步地对时钟脉冲进行计数，得另一脉冲数m2。计算公式：设脉冲发生器每转一周输出个脉冲数，若采用频率为fc的时钟进行计数，则转速n为:式中 m1在检测时间TC内所测得的信号脉冲数m2在检测时间TC内所测得的时钟脉冲数 Monday, August 8, 2022252.6 数字检测方法分辨率为:测量装置的分辨率是一个常数，