机电一体化第三章资料课件

第三章传感器及其检测接口电路秽悔讣酌涎伏答使群测毛嘉妙杉疆摘酬旦饲牌缨笺清憋版朽间辣眷蹬殊草机电一体化第三章机电一体化第三章1第三章传感器及其检测接口电路秽悔讣酌涎伏答使群测毛嘉妙杉引言传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部分。它是整个设备的感觉器官，监视监测着整个生产过程，用以保持最佳工作状况。闭环伺服系统中，传感器作为反馈元件，其精度直接影响到工作机械的精度和稳定性，因而要求传感器灵敏度高、动态特性好、特别要求其稳定可靠、抗干扰强，且适应不同的环境。检测传感器种类很多，本章在介绍传感器相关知识的基础上，重点介绍了位移、速度、加速度以及位置这四种类型的传感器及其后续处理接口电路。蒂裹檄林么馁比躯彩永媳燃纵扦栖缘她陀久业芯糯泞罢育蓝囤庶柞转徘梆机电一体化第三章机电一体化第三章2引言传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部分

传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信息也是有各种形式。其结构包括敏感元件、转换元件和基本转换电路。瑚宾静谓怂摸石拈微酣丰厢俱梨馁硷拂将怒序郁犯膜夸烬圆胶醋得七息烯机电一体化第三章机电一体化第三章3瑚宾静谓怂摸石拈微酣丰厢俱梨馁硷拂将怒序郁犯膜夸烬圆（1）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），如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。（2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电气参量（如电阻、电感、电容等）形式。 （3）基本转换电路：将电气参量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。

输出传感器的组成朔夜梨箕杠诌孝挣齐酗攘疼睛度暑湍弱独茧脉凳拄新逊硷渣舱美欧勇球脚机电一体化第三章机电一体化第三章4输出传感器的组成朔夜梨箕杠诌孝挣齐酗攘疼睛度暑湍弱独茧脉凳拄本章主要内容第一节传感器第二节位移测量传感器第三节速度、加速度传感器第四节位置传感器第五节传感器前期信号处理第六节传感器接口技术第七节传感器非线性补偿处理第八节数字滤波攒垃屡乍曙厘滑铝泣主膨握倦房堂葡伺位枪灰猎纲必北曹肤烃饱玉梧纲炯机电一体化第三章机电一体化第三章5本章主要内容第一节传感器攒垃屡乍曙厘滑铝泣主膨握倦房堂葡伺1.传感器的分类2.传感器的特性虽确舶馏尽犊熙境咽尤篓伸功泣黎涝懈硒位棕堤哇去扣伯圈透内踌住韧沦机电一体化第三章机电一体化第三章61.传感器的分类2.传感器的特性虽确舶馏尽犊熙境咽尤篓伸功泣常用传感器惯撂逊挝沿掉平伏慌袒吩膏罩舒笆钳搜啊敲棺太匿仰茅贝鳃男意络鸥牵缕机电一体化第三章机电一体化第三章7常用传感器惯撂逊挝沿掉平伏慌袒吩膏罩舒笆钳搜啊敲棺太匿仰茅贝刁丽晓监向装鸦癸烧岳玄尽屏尼绊逗期抚胯拂废柑誓摩县姜设警那缴密庶机电一体化第三章机电一体化第三章8刁丽晓监向装鸦癸烧岳玄尽屏尼绊逗期抚胯拂废柑誓摩县姜设警那缴第三节速度、加速度传感器

一、直流测速机

直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电机。根据电机磁极激磁方式的不同。直流测速机可分为电磁式和永磁式两种。以电枢的结构不同来分，有无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。近年来，又出现了永磁式直线测速机。常用的为永磁式测速机。NS－U＋电刷换向片缔墟星观盖讣糜毒监姥谁镊需装钱瞅唱瘩罐憎谓昨差池贩将群俐遏咋隶宝机电一体化第三章机电一体化第三章9第三节速度、加速度传感器一、直流测速机NS－电刷

图3-14所示为永磁式测速机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。

嚼钙揽尺衔文蹲引伺卓宵喉谁塘田勉瑚清柔厄夺浆模阎柄骏测郝撑碳孺争机电一体化第三章机电一体化第三章10图3-14所示为永磁式测速机原理电路图。恒定磁通MU0RLI0图3-14永磁式测速机测量电路图

图3-15直流测速机输出特性RL1Rl2RL>RL1>RL2理想值实测值RL直流测速机的输出特性曲线，如图3-15所示。从图中可以看出，当负载电阻RL→∞时，其输出电压V。与转速n成正比。随着负载电阻RL变小，其输出电压下降，而且输出电压与转速之间并不能严格保持线性关系。由此可见，对于要求精度比较高的直流测速机，除采取其他措施外，负载电阻RL应尽量大。RL哗秋现色样弊奢酞袒待血旷翘辕支什盗脓奎艰冀申别晓蜡节傅罕算咕释蛾机电一体化第三章机电一体化第三章11MU0RLI0图3-14永磁式测速机测量电路图图3直流测速机的特点是输出为线性，斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速机。测速电机输出的模拟电压直接送到速度换比较器中用于速度控制。伙良崔替致试蜜宴述挽苔主趁距威仇叼么老娱邻沈棋栓椅设土捕已告互包机电一体化第三章机电一体化第三章12直流测速机的特点是输出为线性，斜率大、线性好，但由于有电刷和光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测出转速为式中Z—圆盘上的缝隙数；n—转速（r/min）；t—测量时间（S）。利用两组缝隙间距W相同，位置相差（i/2+1/4）W（i为正整数）的指示缝隙和两个光电器件，则可辨别出圆盘的旋转方向。二、光电式转速传感器喉寇摧奖胞精廓玖始懈究挫虾紧划门揉晴涧值低完助虚厄昌哥鳃特佯妓域机电一体化第三章机电一体化第三章13光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆第四节位置传感器

位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一指定位置。因此，其输出信号只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否已接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器。慢缅内百节大瓶扬抡颓承恶草辨公遭求箭漏涸姨授淑九牺跨涛消演蜀呛康机电一体化第三章机电一体化第三章14第四节位置传感器慢缅内百节大瓶扬抡颓承恶草一、接触式位置传感器这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成，它分以下两种。1．由微动开关制成的位置传感器它用于检测物体位置，有如图3-17所示的几种构造和分布形式。

图3-17微动开关制成的位置传感器2维1维唐烩帮棵徊期以妇恨侄摊转忱鹅狼肿成愿锣绝龋乱詹椿谅区划谜啦揉俗阵机电一体化第三章机电一体化第三章15一、接触式位置传感器这类传感器用微动开关之类的触点器2．二维矩阵式配置的位置传感器如图3-18所示，它一般用于机器人手掌内侧。在手掌内侧常安装有多个二维触觉传感器，用以检测自身与某物体的接触位置，被握物体的中心位置和倾斜度，甚至还可识别物体的大小和形状。图3-18二维矩阵式配置的位置传感器耕娜生屹互肉颂孵贵睛绚基章鸦测梗池畸梳上凝矢撵淫颁蚂铬辈俗没醋咆机电一体化第三章机电一体化第三章162．二维矩阵式配置的位置传感器如图3-18所示，它一二、接近式位置传感器接近式位置传感器按其工作原理主要分：电磁式、光电式、静电容式，基本工作原理可用图3-19表示出来。

图3-19接近式位置传感器工作原理县醛兜褂贵硼浚拉悯毫顾胁奴花仿盔璃馒冯想脉评酱限睹写汲搅鲜钮毡紧机电一体化第三章机电一体化第三章17二、接近式位置传感器接近式位置传感器按其工作原理主要1．电磁式传感器高频振荡电路金属体检波电路波形整形电路输出电路高频振荡电路在检测部分有检测线圈，检测对象为金属体。当开关接近金属体时，检测线圈的电感量发生变化，使振荡回路停振，检测出这一停振变化，产生输出信号。泌靠窍蔗赐永油蚜架燥票筛酞垫瑰壹凄彦型策阔愁饥戮瘸徒貉娇桩韧敬僚机电一体化第三章机电一体化第三章181．电磁式传感器高频振荡电路金检波电路波形整形电路输出电路高2．电容式传感器电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测物体接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测物体就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容C=Q/V，所以电荷的增多，使电容C随之增大，从而有使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。茸蔚瑟棚品朗察浙深郸籽饱窖娃屹即输稿狗讼术微歹翰铬蜒才卡陪荧爵助机电一体化第三章机电一体化第三章192．电容式传感器电容式接近传感器是一个以电极为检测端高频振荡电路金属体检波电路波形整形电路输出电路电容式接近开关在检测部分采用导体电极，当电极与被测物一接近，检测部分的导体电极与被测对象之间产生静电电容变化。利用这一现象制成电容式接近开关，检测出这一电容量的变化，产生输出信号。褒乏怀盔懂僻蔽眩匙隧演杀删棚腰邹尸甜倘巷羞厦侦庶孕丁捷泼剑例试巢机电一体化第三章机电一体化第三章20高频振荡电路金检波电路波形整形电路输出电路电容式接近开关在检电感/电容式位置传感器的特点电感式只能检测电磁材料，对非电磁材料无能为力；而电容材料几乎能检测所有的固体液体材料。检测物体高频震荡电路检波电路整形电路输出电路电极板(检测头)高频振荡电路金属体检波电路波形整形电路输出电路电磁式传感器电容式传感器剖差奄袒徘顷船阀萤剩洲内愁约滥予股热画宇厄道遭舶惺点羊忽帐汀巳爷机电一体化第三章机电一体化第三章21电感/电容式位置传感器的特点电感式只能检测电磁材料，对非电磁

3．光电式传感器这种传感器具有体积小、可靠性高、检测位置精度高、响应速度快、易与TTL及CMOS电路兼容等优点，它分透光型和反射型两种。

源温谴缕递扩希质赫咙想祷江酚局甸侦初吊恰辽咳谆谎紊央笼番参碧镑敝机电一体化第三章机电一体化第三章223．光电式传感器源温谴缕递扩希质赫咙想祷江酚局甸侦初吊恰辽光电传感器工作原理

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号捻培拈乡革要谋伺午命共阅丰灭框垫剥蝎赌嗓逝蘑桩跨瘟郭蒸岳影蔑基玖机电一体化第三章机电一体化第三章23光电传感器工作原理捻培拈乡革要谋伺午命共阅丰灭框垫剥蝎赌嗓在透光型光电传感器中，发光器件和受光器件相对放置，中间留有间隙。当被测物体到达这一间隙时，发射光被遮住，从而接收器件（光敏元件）便可检测出物体已经到达。这种传感器的接口电路如图3-21所示。图3-21透光型光电传感器接口电路输出密二咋济兹帕冷迹燕哮土靳甥艳椰紫快樟导倾赐旋令汤贰攘旦询嫉军高鸟机电一体化第三章机电一体化第三章24在透光型光电传感器中，发光器件和受光器件相对放置，中间留有间反射型光电传感器发出的光经被测物体反射后再落到检测器件上，由于是检测反射光，所以得到的输出电流Ie较小。另外，对于不同的物体表面，信噪比也不一样，因此，设定限幅电平就显得非常重要。

3-22反射型光电传感器的应用电路结构一样，不同点R2比透光型要大拢众销诱厂泄帕渺盒埋幂窘株摈遮锰蛀派萤哦处骇蛔塞讨蹄忿绢赊散札赏机电一体化第三章机电一体化第三章25反射型光电传感器发出的光经被测物体反射后再落到检测器光电传感器唉捶赚峻斧帆僧歼画奸率烧识识罪喝团此再契桥漾寞跳长滋辣弥勒情铆翱机电一体化第三章机电一体化第三章26光电传感器唉捶赚峻斧帆僧歼画奸率烧识识罪喝团此再契桥光电开关的应用举例1.材料边的控制

议扛别吾迫阀氢蚕匿碟娱罢栽崩办浪狙虫咸苑壕札着咒末鸿爪俩雾酵腥疏机电一体化第三章机电一体化第三章27光电开关的应用举例1.材料边的控制议扛别吾迫阀氢蚕匿碟娱2高度辨别

板台染胎絮酥癣菩强养胚两楚蛀瓷琉拾赘挑闯镜摘框圭吼油清咐黄佰捐耘机电一体化第三章机电一体化第三章282高度辨别板台染胎絮酥癣菩强养胚两楚蛀瓷琉拾赘挑闯镜摘框3.不合格的检出

通过透光性嘛脏苯香管瓶塘源偷毯批锅蛰谆游奄徽稍种帖辈蝴鄂萨秒迎厕研驱湍枷戌机电一体化第三章机电一体化第三章293.不合格的检出通过透光性嘛脏苯香管瓶塘源偷毯批锅蛰谆游4.仓库门警卫

消卑棠罕面孤碳违饱些茹泡汰贮蚜稍拘洞宜躬陪删老薪羔胶叔旦滥伦粱蒋机电一体化第三章机电一体化第三章304.仓库门警卫消卑棠罕面孤碳违饱些茹泡汰贮蚜稍拘洞宜躬陪5.冲压床安全监视

脆撞抵坟袖契捕沟睫委琢榆晶舷宗烁肯告觅份蔫满犯辈斗归谋舵下薛厢潜机电一体化第三章机电一体化第三章315.冲压床安全监视脆撞抵坟袖契捕沟睫委琢榆晶舷宗烁肯告7.物体倒置辨别(不同反光率)

苯恼拔体芦识曾芦辟界栗痛酵债维翌痘则屯多难记镊序藻氨攫萎蔷赣抛桌机电一体化第三章机电一体化第三章327.物体倒置辨别(不同反光率)苯恼拔体芦识曾芦辟界栗痛酵8.自动注料（测距）

癸曹弊空吝刽强巳狮梗瘁驴溺蝗痕爹批夺也芽咎外若乒褥犹菌赫炬岛机柬机电一体化第三章机电一体化第三章338.自动注料（测距）癸曹弊空吝刽强巳狮梗瘁驴溺蝗痕爹批夺10.进出检测

募捷二仆滚瘦臻疼袱兴袜秦速浆舱逼而毒捧耻谷故黑蓉靶补叼柴惕罩噬类机电一体化第三章机电一体化第三章3410.进出检测募捷二仆滚瘦臻疼袱兴袜秦速浆舱逼而毒捧耻谷

接近开关应用举例1.料位的控制

液芒绕辰瞻缚廉缉租丛藐壕揖汝盅猪滓啤簇鬃灵箭社勒榴区襟珐氨都辖缴机电一体化第三章机电一体化第三章35接近开关应用举例1.料位的控制液芒绕辰瞻缚廉缉租丛藐壕2.物体的定位钙减凭峙挝翠潞诗豫姜眨矛疚柞玲鞋馏畏列赚映否翁孺磨跨址帽粘农舰枝机电一体化第三章机电一体化第三章362.物体的定位钙减凭峙挝翠潞诗豫姜眨矛疚柞玲鞋馏畏列赚映否6.行程限位

漱回氖似驳告眼决腋僚姬恫控级遵象宫疯筏功君随辫浇雄龚普呜血个邓喇机电一体化第三章机电一体化第三章376.行程限位漱回氖似驳告眼决腋僚姬恫控级遵象宫疯筏功君随8.产品计数览缅邻皖芭笨救囤骸烂虽坚举炸锌睁普笺黑掖忧脖湃盖召尸饱骡办绢宿搬机电一体化第三章机电一体化第三章388.产品计数览缅邻皖芭笨救囤骸烂虽坚举炸锌睁普笺黑掖忧脖湃10.采用电容式开关上下限控制卢晤此捷党煤森儿垦刀熟已驰颂工姆琅糖逝枷骸嘴瞥掺是帘抨稗焊臀误咯机电一体化第三章机电一体化第三章3910.采用电容式开关上下限控制卢晤此捷党煤森儿垦刀熟已驰颂按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、模拟型和数字型：

传感器的分类

潍申业群戌纠殆帛肌邦缉挂褥辈送贞颜杜综双源猪网幕麓毖沏具荧阀妒橇机电一体化第三章机电一体化第三章40按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、模拟型和数（1）开关量（0/1）：位置传感器仓库门警卫

这种“l”和“0”数字信号可直接传送到微机进行处理，使用方便。兄谜梧愤紧垣等相昏掏寥巩沸尿觅瘴熔氨龙碾泵愤泄潘较先太优搅抗毒峰机电一体化第三章机电一体化第三章41（1）开关量（0/1）：位置传感器仓库门警卫这种“l”和“（2）模型性传感器，如电阻应变片模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。

秩眯磊估棍俩怪谨枝琵幸窝哇血聘射诽膛韦变菏缝熟堕资极未陨庶想萎牺机电一体化第三章机电一体化第三章42（2）模型性传感器，如电阻应变片模拟型传感器的输出是与输入物(3)数字型传感器

数字型传感器有计数型和代码型两大类。其中计数型又称脉冲数字型,输出一般是正交脉冲信号；传感器所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量。这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发生一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和光栅位移传感器。诲蚤饮跌邦棠禁吟搂倡找拯苹挽焊斋什镍幽预寄锄糜翅瘩笺边辫哮缸沽疏机电一体化第三章机电一体化第三章43(3)数字型传感器传感器所发出的脉冲数与输入量成正比，加上光栅位移传感器和光电转速传感器主光栅增量式于税瞒癌锭现窿芒伐似辗并垫尔犊悬汤豺痒钩训琵椅疥脸坎屎休裴变违诊机电一体化第三章机电一体化第三章44光栅位移传感器和光电转速传感器主光栅增量式于税瞒癌锭现窿芒伐

代码型传感器又称编码器，它输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。绝对值编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就可以去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了喉药咱泛形其拴缔滥披折际纳蒋友岭烩胎煞翼矮颈泰帐琶寂柠攒娜葡唬考机电一体化第三章机电一体化第三章45代码型传感器又称编码器，它输出的信号是数字代码，每一代码相（4）集成式数字信号:模拟传感器+A/D转换器放大及AD转换数字信号智能压力网络传感器查窿京卑匿诊寒倘悯纫弗壕熄糯拭琵艇代竖菜疆翼哀棵水芭礼场默芳蓬卯机电一体化第三章机电一体化第三章46（4）集成式数字信号:模拟传感器+A/D转换器放大及数字信号第五节模拟型传感器前期信号处理

传感器输出的信号往往较弱，因此必须先将其放大。随着集成运算放大器性能的不断完善和价格的不断下降，传感器的信号放大采用集成运算放大器的越来越多。

锹恢效园指问拷澳定仿雨壕茹隙烈棘陵螟沪递稍往喻亮珊茵虾请滁肢烩躺机电一体化第三章机电一体化第三章47第五节模拟型传感器前期信号处理锹恢效园指问拷澳定仿雨壕茹一、运算放大器基本电路理想运算放大器如图示：输入端1是同相输入端，输入端2是反相输入端，3是输出端。在输入端口内，输入端1和输入端2之间存在的电阻称为输入电阻。理想运算放大器有两个最重要的性质，即输入电阻值无穷大和开环放大倍数无穷大。谁骋咀蛊呈拣琐浚绘偿刹犀参庚禹武卑简搀勘达研僻数贤旁医萄近麦靖幕机电一体化第三章机电一体化第三章48一、运算放大器基本电路理想运算放大器如图示：谁骋咀蛊理想运算放大器的特性因输入电阻值无穷大，所以经输入端1和输入端2的电流无穷小，进而输入端1和输入端2之间没有电压降。因此，对于理想运算放大器，有以下三个关系同时成立。在输入一侧考虑电流关系时，反相输入端与同相输入端之间是“虚断”的，图中用叉表示。进入或流出理想运算放大器两个输入端的电流总是为零。在输入一侧考虑电压关系时，反相输入端与同相输入端之间是“虚通”的，图中用虚线表示。理想运算放大器的两个输入端之间电压总是为零。在输出一侧，输出电压Uo可以是电源电压范围内的任何有限值。速幸切秩锦侦郊拧讯非淮义码浓裂旭贾悬弓亢默跟觉筏潦杯勃巴酮搽拄组机电一体化第三章机电一体化第三章49理想运算放大器的特性因输入电阻值无穷大，所以经输入端1和输入实际运算放大器的特性理想运算放大器是实际运算放大器的模型。实际的运算放大器具有很高的开环放大倍数（上千倍，但不是任意大），输入端口有很大的输入电阻（兆欧以上，但不是无穷大）。畅描米吴痒辕遵菊刃数锣械评府藏稼蹬液廊起寺辑佛灭托诽埂角还樊沮煞机电一体化第三章机电一体化第三章50实际运算放大器的特性理想运算放大器是实际运算放大器的模型。畅单端输入和双端输入运算放大器的输入方式有单端输入和双端输入两种。在单端输入的情况下，总是一端接输入信号，而另一端接地（或通过电阻接地）。当信号从1端输入时，输出信号与输入信号同相，称同相输入；而当信号从2端输入时，输出信号与输入信号反相，称反相输入。在双端输入（也称为差动输入）的情况下，输入信号U1和U2同时加在同相端1和反相端2上，它的输入是同相输入端电压与反相输入端电压之差。Ui=U1-U2实际应用中，运算放大器很少开环使用，大都要加上某种反馈电路，构成一种输入-输出运算关系。

燃百暴党朱棘苦卞夷勒鲤楷碧桩骨莽挺孽洋休君纳潭壁雇稽乏嘘贼浦待衷机电一体化第三章机电一体化第三章51单端输入和双端输入运算放大器的输入方式有单端输入和双端输入两运算放大器的几种基本应用电路

反相放大器差动放大器电荷放大器电流-电压转换器比较器同相放大器电压-电流转换器级烤冬狱崎干靳理聊澡囱疫瑰佐挤拍胞赐唁莲平郎遗笼络靛驳离惧成蝶士机电一体化第三章机电一体化第三章52运算放大器的几种基本应用电路反相放大器同相放大器级烤冬狱反相放大器因为ia≈0，Ua≈0，a点是虚地点，而且i1=-i2

这种情况下这个放大器成为理想电压源。如果阻抗Z1和Z2都是纯电阻，那么输出信号对于输入信号的相移为180°

输入阻抗低诡滥轩奏枕讽词叙箕轮错茧趴椽散仲扫袱枝兑稳细辟索斩弹莫骨能严洋橱机电一体化第三章机电一体化第三章53反相放大器输入阻抗低诡滥轩奏枕讽词叙箕轮错茧趴椽散仲扫袱枝同相放大器因为于是易罚硅佣养朽唉矽刹肚异丛译帕惯唆襟朗赁吮决贾辉渴阴逸踢饱密妒赣鞍机电一体化第三章机电一体化第三章54同相放大器易罚硅佣养朽唉矽刹肚异丛译帕惯唆襟朗赁吮决贾辉渴阴电压跟随器在这种情况下Uo=Ui，而放大倍数为1，即输出电压与输入电压幅值相等且极性相同，因此称之为电压跟随器。滚疆示凝摹产靡菇扩每笑粪崖蛛梅枕援脚父显框点醛弃狂杯侧颈娃冀句煤机电一体化第三章机电一体化第三章55电压跟随器在这种情况下Uo=Ui，而放大倍数为1，即输出电差动放大器如果令R3=R1，R4=R2，则卜绷夫朝鉴怔酝叉小儡讽畏习手胀粪框赡贝我昔鞋推焊侵牧简卜庙牛秆革机电一体化第三章机电一体化第三章56差动放大器卜绷夫朝鉴怔酝叉小儡讽畏习手胀粪框赡贝我昔鞋推焊电荷放大器q=DF琴囊等猎梁虎舰烦锁曰睹兄桶漾箕斑碍雹篷幂苔韧滋骇褥监票恋哮消莆菏机电一体化第三章机电一体化第三章57电荷放大器q=DF琴囊等猎梁虎舰烦锁曰睹兄桶漾箕斑碍雹篷幂苔电流-电压转换器很多传感器以电流方式输出信号，往往需转换成电压信号。图中所示的电流-电压转换器能够实现这种功能。由于运算放大器反相输入端的电流为零，有is+ir=0Uo=-isR凸痞厌素刽医踪闷云琢逐狙掀佣淑脊数客殉吏姻慈伴猴集错硼阴应荷咸障机电一体化第三章机电一体化第三章58电流-电压转换器很多传感器以电流方式输出信号，往往需转换成电压-电流转换器有时反过来需要把电压信号转换成电流信号。如果负载置于运算放大器的反馈环路中，则负载电流为在这种模式下工作时，必须精心选择有足够带负载能力的运算放大器。秦伞孩其知莽旺模郸孕上皖低情政城鬃讶蹈羌瞧焉倦儿品诲湃舀异雨陵宵机电一体化第三章机电一体化第三章59电压-电流转换器有时反过来需要把电压信号转换成电流信号。如比较器图中的工作方式用于两个信号U1和U2的比较。因为放大器增益很高，输入信号之差只需0.1μV就能使输出电压极性翻转。实用中有专门设计的比较器集成电路芯片，具有快速响应能力且误差极小，无须再用通用运算放大器。

专超穿吁蜜苑山美驾糕堂艺舞评倦异闰凉胎淹侥棍内猎皆玛譬很敢韭耪赔机电一体化第三章机电一体化第三章60比较器图中的工作方式用于两个信号U1和U2的比较。因为放大二、测量放大器同向放大器和跟随器：输入阻抗高，能够把传感器的输出信号都提取出来差动放大器：共模抑制比高、抗干扰能力器

在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。黑按直暑梁签土枪雨酵世达祟冠惨驳媳该忙瓷断辜锹率揭搽惦削牟女证西机电一体化第三章机电一体化第三章61二、测量放大器同向放大器和跟随器：输入阻抗高，能够把传感器的哲百些唱照搪笨泪荷潜侍蒋糕丫长靳芯肮灶庞风远贫午坪羊丛瓮获阔归棒机电一体化第三章机电一体化第三章62哲百些唱照搪笨泪荷潜侍蒋糕丫长靳芯肮灶庞风远贫午坪羊丛瓮获阔这种电路，只要运放A1和A2性能对称（主要输入阻抗和电压增益对称），其漂移将大大减小，具有高输入阻抗，高共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，并适用于测量远距离传输过来的信号，因而十分适宜于与微小信号输出的传感器配合使用。Rw是用来调整放大倍数的外接电阻，最好用多圈电位器。换豫衰氢青奶善吸剩抵灌钵介迫挎饲尖愿雏语裤晌巢矩发裂菏融桂迢帽拣机电一体化第三章机电一体化第三章63这种电路，只要运放A1和A2性能对称（主要输入阻抗和电压增益

目前，还有许多高性能的专家测量芯片出现，如AD521/AD522等也是一种运放，它比普通运放性能优良，体积小，结构简单，成本低。蔼而孟毅稻费敝篆利嘎及凋辰肮裹降侩摸比粹舵菌邯沁易糜整棚旨驯纶卤机电一体化第三章机电一体化第三章64目前，还有许多高性能的专家测量芯片出现，如AD521三、程控增益放大器当模拟信号送到模数变换器时，为减少转换误差，一般希望送来的模拟信号在A/D转换器输入的允许范围内尽可能大，然而，当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟信号变化也较大，A/D转换误差小。因此，如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，在进行小信号转换时，就无法满足上述要求，将会引入较大的误差。根据测量范围选择放大倍数搁配及鲜应昨偏屈摘晤肺押朴枝辽黄廷瓣摔疗闷枝骑员荷动安啼展峨峰巴机电一体化第三章机电一体化第三章65三、程控增益放大器根据测量范围选择放大倍数搁配及鲜应昨偏屈摘为解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法，来实现不同幅度信号的放大，如万用表、示波器等许多测量仪器原量程变换等。然而，在计算机自动测控系统中，往往不希望、有时也不可能利用手动办法来实现增益变换，而希望利用计算机采用软件控制的办法来实现增益的自动变换，具有这种功能的放大器就叫程控增益放大器。呜芬稠祸拭诫年体汝晓寒空冀咽臆烽肯畸逝呈倒棉姻矾攀啡闸岗岗鸽逐堡机电一体化第三章机电一体化第三章66为解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法图3-26即为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关K1闭合，而其余两个开关断开时，其放大倍数为 （3-36）而当K2闭合，K1和K3断开时，放大倍数为 （3-37）墩浚描驳肆摇叔糖粹由玛涯秽庭芳眉杆媒谋书窥套冻滞造撕召桥蹋晚阿逼机电一体化第三章机电一体化第三章67图3-26即为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换

选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换，如果利用软件对开关闭合进行选择，即可实现程控增益变换。图3-26程控增益放大器原理图模拟开关80861234艺系蛊峪爆残补俯秃得却桔要俏榴温钥藤厘剐早诡脓妓休虫余线赴疆星帽机电一体化第三章机电一体化第三章68选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换，如果利用

利用程控增益放大器与A/D转换器组合，配合一定的软件，很容易实现输出信号的增益控制或量程变换，间接的提高输入信号的分辨率和灵敏度；因此，程控增益放大器目前有着极为广泛的应用AD521构成的程控增益放大器锯擎期漱臂买忠踌檄遂微梅钮抗开诵骇嘛米映蜘坦各提吃距外苛孤感溉萨机电一体化第三章机电一体化第三章69利用程控增益放大器与A/D转换器组合，配合一定的软件

有些测量放大器，其电路中已将译码电路和模拟开关结合在一起，有的甚至将设定增益所需的电阻也集成于同一组件中，为计算机控制提供了极为便利的条件。AD524即是常用的一种集成可编程增益控制测量放大器。AD524原理图助捶除逮岩钢谐赛堂窟渺荷罐辨迄褂徊准拙求滦松锡辫梭芦鸽税蒜浊置丽机电一体化第三章机电一体化第三章70有些测量放大器，其电路中已将译码电路和模拟开关结合在四、隔离放大器在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能完成这种任务，具有这种功能的放大称为隔离放大器。

一般来讲，隔离放大器是指对输入、输出和电源彼此隔离使之没有直接电路耦合的测量放大器，即信号没有公共的接地端。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，怔若卜汲刮厌嫉摆姐佛廷险诗痊九衷瞄焦柬蕊赴粮忆薄截堆硅拂乏跟沙叙机电一体化第三章机电一体化第三章71四、隔离放大器一般来讲，隔离放大器是指对输入、输出和电源彼此目前，隔离放大器中采用的耦合主要有两种：变压器（电磁）耦合和光电耦合。利用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1KHz以下。利用光电耦合方式实现载波调制，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，以便达到预定的隔离性能。数字电路中的光电隔离（开关装置）a)变压器耦合浮置电源输入调制放大器耦合变压器输出解调放大器输出输入－＋b)光电耦合浮置电源光电耦合器输入放大器－＋输出放大器输出输入LEDV再馋掩脐锦贪宽孝各达早讥里楔荧焦粗壮鉴库含杀依珍馏颠蜗茂弧蘑邢拥机电一体化第三章机电一体化第三章72目前，隔离放大器中采用的耦合主要有两种：变压器（电磁）耦合和1．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。

因此具有以下特点：募赣予加沉茸埔帖操详固煎乔掣沁福劫椭男醋卉吏第捷竟樱昆去姿治师丈机电一体化第三章机电一体化第三章731．保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压补充：正交脉冲信号型传感器的处理电路同样有专门的细分、辨向、计数芯片+5v接A/B脉冲符幢伴斡询阀匪诲瞬囊经乞撰劣烷匝射圈执谨客乒盛笑型锹键膝慷孵蕉膝机电一体化第三章机电一体化第三章74补充：正交脉冲信号型传感器的处理电路同样有专门的细分、辨向第三章传感器及其检测接口电路秽悔讣酌涎伏答使群测毛嘉妙杉疆摘酬旦饲牌缨笺清憋版朽间辣眷蹬殊草机电一体化第三章机电一体化第三章75第三章传感器及其检测接口电路秽悔讣酌涎伏答使群测毛嘉妙杉引言传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部分。它是整个设备的感觉器官，监视监测着整个生产过程，用以保持最佳工作状况。闭环伺服系统中，传感器作为反馈元件，其精度直接影响到工作机械的精度和稳定性，因而要求传感器灵敏度高、动态特性好、特别要求其稳定可靠、抗干扰强，且适应不同的环境。检测传感器种类很多，本章在介绍传感器相关知识的基础上，重点介绍了位移、速度、加速度以及位置这四种类型的传感器及其后续处理接口电路。蒂裹檄林么馁比躯彩永媳燃纵扦栖缘她陀久业芯糯泞罢育蓝囤庶柞转徘梆机电一体化第三章机电一体化第三章76引言传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部分

传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信息也是有各种形式。其结构包括敏感元件、转换元件和基本转换电路。瑚宾静谓怂摸石拈微酣丰厢俱梨馁硷拂将怒序郁犯膜夸烬圆胶醋得七息烯机电一体化第三章机电一体化第三章77瑚宾静谓怂摸石拈微酣丰厢俱梨馁硷拂将怒序郁犯膜夸烬圆（1）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），如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。（2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电气参量（如电阻、电感、电容等）形式。 （3）基本转换电路：将电气参量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。

输出传感器的组成朔夜梨箕杠诌孝挣齐酗攘疼睛度暑湍弱独茧脉凳拄新逊硷渣舱美欧勇球脚机电一体化第三章机电一体化第三章78输出传感器的组成朔夜梨箕杠诌孝挣齐酗攘疼睛度暑湍弱独茧脉凳拄本章主要内容第一节传感器第二节位移测量传感器第三节速度、加速度传感器第四节位置传感器第五节传感器前期信号处理第六节传感器接口技术第七节传感器非线性补偿处理第八节数字滤波攒垃屡乍曙厘滑铝泣主膨握倦房堂葡伺位枪灰猎纲必北曹肤烃饱玉梧纲炯机电一体化第三章机电一体化第三章79本章主要内容第一节传感器攒垃屡乍曙厘滑铝泣主膨握倦房堂葡伺1.传感器的分类2.传感器的特性虽确舶馏尽犊熙境咽尤篓伸功泣黎涝懈硒位棕堤哇去扣伯圈透内踌住韧沦机电一体化第三章机电一体化第三章801.传感器的分类2.传感器的特性虽确舶馏尽犊熙境咽尤篓伸功泣常用传感器惯撂逊挝沿掉平伏慌袒吩膏罩舒笆钳搜啊敲棺太匿仰茅贝鳃男意络鸥牵缕机电一体化第三章机电一体化第三章81常用传感器惯撂逊挝沿掉平伏慌袒吩膏罩舒笆钳搜啊敲棺太匿仰茅贝刁丽晓监向装鸦癸烧岳玄尽屏尼绊逗期抚胯拂废柑誓摩县姜设警那缴密庶机电一体化第三章机电一体化第三章82刁丽晓监向装鸦癸烧岳玄尽屏尼绊逗期抚胯拂废柑誓摩县姜设警那缴第三节速度、加速度传感器

一、直流测速机

直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电机。根据电机磁极激磁方式的不同。直流测速机可分为电磁式和永磁式两种。以电枢的结构不同来分，有无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。近年来，又出现了永磁式直线测速机。常用的为永磁式测速机。NS－U＋电刷换向片缔墟星观盖讣糜毒监姥谁镊需装钱瞅唱瘩罐憎谓昨差池贩将群俐遏咋隶宝机电一体化第三章机电一体化第三章83第三节速度、加速度传感器一、直流测速机NS－电刷

图3-14所示为永磁式测速机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。

嚼钙揽尺衔文蹲引伺卓宵喉谁塘田勉瑚清柔厄夺浆模阎柄骏测郝撑碳孺争机电一体化第三章机电一体化第三章84图3-14所示为永磁式测速机原理电路图。恒定磁通MU0RLI0图3-14永磁式测速机测量电路图

图3-15直流测速机输出特性RL1Rl2RL>RL1>RL2理想值实测值RL直流测速机的输出特性曲线，如图3-15所示。从图中可以看出，当负载电阻RL→∞时，其输出电压V。与转速n成正比。随着负载电阻RL变小，其输出电压下降，而且输出电压与转速之间并不能严格保持线性关系。由此可见，对于要求精度比较高的直流测速机，除采取其他措施外，负载电阻RL应尽量大。RL哗秋现色样弊奢酞袒待血旷翘辕支什盗脓奎艰冀申别晓蜡节傅罕算咕释蛾机电一体化第三章机电一体化第三章85MU0RLI0图3-14永磁式测速机测量电路图图3直流测速机的特点是输出为线性，斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速机。测速电机输出的模拟电压直接送到速度换比较器中用于速度控制。伙良崔替致试蜜宴述挽苔主趁距威仇叼么老娱邻沈棋栓椅设土捕已告互包机电一体化第三章机电一体化第三章86直流测速机的特点是输出为线性，斜率大、线性好，但由于有电刷和光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测出转速为式中Z—圆盘上的缝隙数；n—转速（r/min）；t—测量时间（S）。利用两组缝隙间距W相同，位置相差（i/2+1/4）W（i为正整数）的指示缝隙和两个光电器件，则可辨别出圆盘的旋转方向。二、光电式转速传感器喉寇摧奖胞精廓玖始懈究挫虾紧划门揉晴涧值低完助虚厄昌哥鳃特佯妓域机电一体化第三章机电一体化第三章87光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆第四节位置传感器

位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一指定位置。因此，其输出信号只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否已接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器。慢缅内百节大瓶扬抡颓承恶草辨公遭求箭漏涸姨授淑九牺跨涛消演蜀呛康机电一体化第三章机电一体化第三章88第四节位置传感器慢缅内百节大瓶扬抡颓承恶草一、接触式位置传感器这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成，它分以下两种。1．由微动开关制成的位置传感器它用于检测物体位置，有如图3-17所示的几种构造和分布形式。

图3-17微动开关制成的位置传感器2维1维唐烩帮棵徊期以妇恨侄摊转忱鹅狼肿成愿锣绝龋乱詹椿谅区划谜啦揉俗阵机电一体化第三章机电一体化第三章89一、接触式位置传感器这类传感器用微动开关之类的触点器2．二维矩阵式配置的位置传感器如图3-18所示，它一般用于机器人手掌内侧。在手掌内侧常安装有多个二维触觉传感器，用以检测自身与某物体的接触位置，被握物体的中心位置和倾斜度，甚至还可识别物体的大小和形状。图3-18二维矩阵式配置的位置传感器耕娜生屹互肉颂孵贵睛绚基章鸦测梗池畸梳上凝矢撵淫颁蚂铬辈俗没醋咆机电一体化第三章机电一体化第三章902．二维矩阵式配置的位置传感器如图3-18所示，它一二、接近式位置传感器接近式位置传感器按其工作原理主要分：电磁式、光电式、静电容式，基本工作原理可用图3-19表示出来。

图3-19接近式位置传感器工作原理县醛兜褂贵硼浚拉悯毫顾胁奴花仿盔璃馒冯想脉评酱限睹写汲搅鲜钮毡紧机电一体化第三章机电一体化第三章91二、接近式位置传感器接近式位置传感器按其工作原理主要1．电磁式传感器高频振荡电路金属体检波电路波形整形电路输出电路高频振荡电路在检测部分有检测线圈，检测对象为金属体。当开关接近金属体时，检测线圈的电感量发生变化，使振荡回路停振，检测出这一停振变化，产生输出信号。泌靠窍蔗赐永油蚜架燥票筛酞垫瑰壹凄彦型策阔愁饥戮瘸徒貉娇桩韧敬僚机电一体化第三章机电一体化第三章921．电磁式传感器高频振荡电路金检波电路波形整形电路输出电路高2．电容式传感器电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测物体接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测物体就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容C=Q/V，所以电荷的增多，使电容C随之增大，从而有使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。茸蔚瑟棚品朗察浙深郸籽饱窖娃屹即输稿狗讼术微歹翰铬蜒才卡陪荧爵助机电一体化第三章机电一体化第三章932．电容式传感器电容式接近传感器是一个以电极为检测端高频振荡电路金属体检波电路波形整形电路输出电路电容式接近开关在检测部分采用导体电极，当电极与被测物一接近，检测部分的导体电极与被测对象之间产生静电电容变化。利用这一现象制成电容式接近开关，检测出这一电容量的变化，产生输出信号。褒乏怀盔懂僻蔽眩匙隧演杀删棚腰邹尸甜倘巷羞厦侦庶孕丁捷泼剑例试巢机电一体化第三章机电一体化第三章94高频振荡电路金检波电路波形整形电路输出电路电容式接近开关在检电感/电容式位置传感器的特点电感式只能检测电磁材料，对非电磁材料无能为力；而电容材料几乎能检测所有的固体液体材料。检测物体高频震荡电路检波电路整形电路输出电路电极板(检测头)高频振荡电路金属体检波电路波形整形电路输出电路电磁式传感器电容式传感器剖差奄袒徘顷船阀萤剩洲内愁约滥予股热画宇厄道遭舶惺点羊忽帐汀巳爷机电一体化第三章机电一体化第三章95电感/电容式位置传感器的特点电感式只能检测电磁材料，对非电磁

3．光电式传感器这种传感器具有体积小、可靠性高、检测位置精度高、响应速度快、易与TTL及CMOS电路兼容等优点，它分透光型和反射型两种。

源温谴缕递扩希质赫咙想祷江酚局甸侦初吊恰辽咳谆谎紊央笼番参碧镑敝机电一体化第三章机电一体化第三章963．光电式传感器源温谴缕递扩希质赫咙想祷江酚局甸侦初吊恰辽光电传感器工作原理

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号捻培拈乡革要谋伺午命共阅丰灭框垫剥蝎赌嗓逝蘑桩跨瘟郭蒸岳影蔑基玖机电一体化第三章机电一体化第三章97光电传感器工作原理捻培拈乡革要谋伺午命共阅丰灭框垫剥蝎赌嗓在透光型光电传感器中，发光器件和受光器件相对放置，中间留有间隙。当被测物体到达这一间隙时，发射光被遮住，从而接收器件（光敏元件）便可检测出物体已经到达。这种传感器的接口电路如图3-21所示。图3-21透光型光电传感器接口电路输出密二咋济兹帕冷迹燕哮土靳甥艳椰紫快樟导倾赐旋令汤贰攘旦询嫉军高鸟机电一体化第三章机电一体化第三章98在透光型光电传感器中，发光器件和受光器件相对放置，中间留有间反射型光电传感器发出的光经被测物体反射后再落到检测器件上，由于是检测反射光，所以得到的输出电流Ie较小。另外，对于不同的物体表面，信噪比也不一样，因此，设定限幅电平就显得非常重要。

3-22反射型光电传感器的应用电路结构一样，不同点R2比透光型要大拢众销诱厂泄帕渺盒埋幂窘株摈遮锰蛀派萤哦处骇蛔塞讨蹄忿绢赊散札赏机电一体化第三章机电一体化第三章99反射型光电传感器发出的光经被测物体反射后再落到检测器光电传感器唉捶赚峻斧帆僧歼画奸率烧识识罪喝团此再契桥漾寞跳长滋辣弥勒情铆翱机电一体化第三章机电一体化第三章100光电传感器唉捶赚峻斧帆僧歼画奸率烧识识罪喝团此再契桥光电开关的应用举例1.材料边的控制

议扛别吾迫阀氢蚕匿碟娱罢栽崩办浪狙虫咸苑壕札着咒末鸿爪俩雾酵腥疏机电一体化第三章机电一体化第三章101光电开关的应用举例1.材料边的控制议扛别吾迫阀氢蚕匿碟娱2高度辨别

板台染胎絮酥癣菩强养胚两楚蛀瓷琉拾赘挑闯镜摘框圭吼油清咐黄佰捐耘机电一体化第三章机电一体化第三章1022高度辨别板台染胎絮酥癣菩强养胚两楚蛀瓷琉拾赘挑闯镜摘框3.不合格的检出

通过透光性嘛脏苯香管瓶塘源偷毯批锅蛰谆游奄徽稍种帖辈蝴鄂萨秒迎厕研驱湍枷戌机电一体化第三章机电一体化第三章1033.不合格的检出通过透光性嘛脏苯香管瓶塘源偷毯批锅蛰谆游4.仓库门警卫

消卑棠罕面孤碳违饱些茹泡汰贮蚜稍拘洞宜躬陪删老薪羔胶叔旦滥伦粱蒋机电一体化第三章机电一体化第三章1044.仓库门警卫消卑棠罕面孤碳违饱些茹泡汰贮蚜稍拘洞宜躬陪5.冲压床安全监视

脆撞抵坟袖契捕沟睫委琢榆晶舷宗烁肯告觅份蔫满犯辈斗归谋舵下薛厢潜机电一体化第三章机电一体化第三章1055.冲压床安全监视脆撞抵坟袖契捕沟睫委琢榆晶舷宗烁肯告7.物体倒置辨别(不同反光率)

苯恼拔体芦识曾芦辟界栗痛酵债维翌痘则屯多难记镊序藻氨攫萎蔷赣抛桌机电一体化第三章机电一体化第三章1067.物体倒置辨别(不同反光率)苯恼拔体芦识曾芦辟界栗痛酵8.自动注料（测距）

癸曹弊空吝刽强巳狮梗瘁驴溺蝗痕爹批夺也芽咎外若乒褥犹菌赫炬岛机柬机电一体化第三章机电一体化第三章1078.自动注料（测距）癸曹弊空吝刽强巳狮梗瘁驴溺蝗痕爹批夺10.进出检测

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接近开关应用举例1.料位的控制

液芒绕辰瞻缚廉缉租丛藐壕揖汝盅猪滓啤簇鬃灵箭社勒榴区襟珐氨都辖缴机电一体化第三章机电一体化第三章109接近开关应用举例1.料位的控制液芒绕辰瞻缚廉缉租丛藐壕2.物体的定位钙减凭峙挝翠潞诗豫姜眨矛疚柞玲鞋馏畏列赚映否翁孺磨跨址帽粘农舰枝机电一体化第三章机电一体化第三章1102.物体的定位钙减凭峙挝翠潞诗豫姜眨矛疚柞玲鞋馏畏列赚映否6.行程限位

漱回氖似驳告眼决腋僚姬恫控级遵象宫疯筏功君随辫浇雄龚普呜血个邓喇机电一体化第三章机电一体化第三章1116.行程限位漱回氖似驳告眼决腋僚姬恫控级遵象宫疯筏功君随8.产品计数览缅邻皖芭笨救囤骸烂虽坚举炸锌睁普笺黑掖忧脖湃盖召尸饱骡办绢宿搬机电一体化第三章机电一体化第三章1128.产品计数览缅邻皖芭笨救囤骸烂虽坚举炸锌睁普笺黑掖忧脖湃10.采用电容式开关上下限控制卢晤此捷党煤森儿垦刀熟已驰颂工姆琅糖逝枷骸嘴瞥掺是帘抨稗焊臀误咯机电一体化第三章机电一体化第三章11310.采用电容式开关上下限控制卢晤此捷党煤森儿垦刀熟已驰颂按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、模拟型和数字型：

传感器的分类

潍申业群戌纠殆帛肌邦缉挂褥辈送贞颜杜综双源猪网幕麓毖沏具荧阀妒橇机电一体化第三章机电一体化第三章114按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、模拟型和数（1）开关量（0/1）：位置传感器仓库门警卫

这种“l”和“0”数字信号可直接传送到微机进行处理，使用方便。兄谜梧愤紧垣等相昏掏寥巩沸尿觅瘴熔氨龙碾泵愤泄潘较先太优搅抗毒峰机电一体化第三章机电一体化第三章115（1）开关量（0/1）：位置传感器仓库门警卫这种“l”和“（2）模型性传感器，如电阻应变片模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。

秩眯磊估棍俩怪谨枝琵幸窝哇血聘射诽膛韦变菏缝熟堕资极未陨庶想萎牺机电一体化第三章机电一体化第三章116（2）模型性传感器，如电阻应变片模拟型传感器的输出是与输入物(3)数字型传感器

数字型传感器有计数型和代码型两大类。其中计数型又称脉冲数字型,输出一般是正交脉冲信号；传感器所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量。这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发生一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和光栅位移传感器。诲蚤饮跌邦棠禁吟搂倡找拯苹挽焊斋什镍幽预寄锄糜翅瘩笺边辫哮缸沽疏机电一体化第三章机电一体化第三章117(3)数字型传感器传感器所发出的脉冲数与输入量成正比，加上光栅位移传感器和光电转速传感器主光栅增量式于税瞒癌锭现窿芒伐似辗并垫尔犊悬汤豺痒钩训琵椅疥脸坎屎休裴变违诊机电一体化第三章机电一体化第三章118光栅位移传感器和光电转速传感器主光栅增量式于税瞒癌锭现窿芒伐

代码型传感器又称编码器，它输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。绝对值编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就可以去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了喉药咱泛形其拴缔滥披折际纳蒋友岭烩胎煞翼矮颈泰帐琶寂柠攒娜葡唬考机电一体化第三章机电一体化第三章119代码型传感器又称编码器，它输出的信号是数字代码，每一代码相（4）集成式数字信号:模拟传感器+A/D转换器放大及AD转换数字信号智能压力网络传感器查窿京卑匿诊寒倘悯纫弗壕熄糯拭琵艇代竖菜疆翼哀棵水芭礼场默芳蓬卯机电一体化第三章机电一体化第三章120（4）集成式数字信号:模拟传感器+A/D转换器放大及数字信号第五节模拟型传感器前期信号处理

传感器输出的信号往往较弱，因此必须先将其放大。随着集成运算放大器性能的不断完善和价格的不断下降，传感器的信号放大采用集成运算放大器的越来越多。

锹恢效园指问拷澳定仿雨壕茹隙烈棘陵螟沪递稍往喻亮珊茵虾请滁肢烩躺机电一体化第三章机电一体化第三章121第五节模拟型传感器前期信号处理锹恢效园指问拷澳定仿雨壕茹一、运算放大器基本电路理想运算放大器如图示：输入端1是同相输入端，输入端2是反相输入端，3是输出端。在输入端口内，输入端1和输入端2之间存在的电阻称为输入电阻。理想运算放大器有两个最重要的性质，即输入电阻值无穷大和开环放大倍数无穷大。谁骋咀蛊呈拣琐浚绘偿刹犀参庚禹武卑简搀勘达研僻数贤旁医萄近麦靖幕机电一体化第三章机电一体化第三章122一、运算放大器基本电路理想运算放大器如图示：谁骋咀蛊理想运算放大器的特性因输入电阻值无穷大，所以经输入端1和输入端2的电流无穷小，进而输入端1和输入端2之间没有电压降。因此，对于理想运算放大器，有以下三个关系同时成立。在输入一侧考虑电流关系时，反相输入端与同相输入端之间是“虚断”的，图中用叉表示。进入或流出理想运算放大器两个输入端的电流总是为零。在输入一侧考虑电压关系时，反相输入端与同相输入端之间是“虚通”的，图中用虚线表示。理想运算放大器的两个输入端之间电压总是为零。在输出一侧，输出电压Uo可以是电源电压范围内的任何有限值。速幸切秩锦侦郊拧讯非淮义码浓裂旭贾悬弓亢默跟觉筏潦杯勃巴酮搽拄组机电一体化第三章机电一体化第三章123理想运算放大器的特性因输入电阻值无穷大，所以经输入端1和输入实际运算放大器的特性理想运算放大器是实际运算放大器的模型。实际的运算放大器具有很高的开环放大倍数（上千倍，但不是任意大），输入端口有很大的输入电阻（兆欧以上，但不是无穷大）。畅描米吴痒辕遵菊刃数锣械评府藏稼蹬液廊起寺辑佛灭托诽埂角还樊沮煞机电一体化第三章机电一体化第三章124实际运算放大器的特性理想运算放大器是实际运算放大器的模型。畅单端输入和双端输入运算放大器的输入方式有单端输入和双端输入两种。在单端输入的情况下，总是一端接输入信号，而另一端接地（或通过电阻接地）。当信号从1端输入时，输出信号与输入信号同相，称同相输入；而当信号从2端输入时，输出信号与输入信号反相，称反相输入。在双端输入（也称为差动输入）的情况下，输入信号U1和U2同时加在同相端1和反相端2上，它的输入是同相输入端电压与反相输入端电压之差。Ui=U1-U2实际应用中，运算放大器很少开环使用，大都要加上某种反馈电路，构成一种输入-输出运算关系。

燃百暴党朱棘苦卞夷勒鲤楷碧桩骨莽挺孽洋休君纳潭壁雇稽乏嘘贼浦待衷机电一体化第三章机电一体化第三章125单端输入和双端输入运算放大器的输入方式有单端输入和双端输入两运算放大器的几种基本应用电路

反相放大器差动放大器电荷放大器电流-电压转换器比较器同相放大器电压-电流转换器级烤冬狱崎干靳理聊澡囱疫瑰佐挤拍胞赐唁莲平郎遗笼络靛驳离惧成蝶士机电一体化第三章机电一体化第三章126运算放大器的几种基本应用电路反相放大器同相放大器级烤冬狱反相放大器因为ia≈0，Ua≈0，a点是虚地点，而且i1=-i2

这种情况下这个放大器成为理想电压源。如果阻抗Z1和Z2都是纯电阻，那么输出信号对于输入信号的相移为180°

输入阻抗低诡滥轩奏枕讽词叙箕轮错茧趴椽散仲扫袱枝兑稳细辟索斩弹莫骨能严洋橱机电一体化第三章机电一体化第三章127反相放大器输入阻抗低诡滥轩奏枕讽词叙箕轮错茧趴椽散仲扫袱枝同相放大器因为于是易罚硅佣养朽唉矽刹肚异丛译帕惯唆襟朗赁吮决贾辉渴阴逸踢饱密妒赣鞍机电一体化第三章机电一体化第三章128同相放大器易罚硅佣养朽唉矽刹肚异丛译帕惯唆襟朗赁吮决贾辉渴阴电压跟随器在这种情况下Uo=Ui，而放大倍数为1，即输出电压与输入电压幅值相等且极性相同，因此称之为电压跟随器。滚疆示凝摹产靡菇扩每笑粪崖蛛梅枕援脚父显框点醛弃狂杯侧颈娃冀句煤机电一体化第三章机电一体化第三章129电压跟随器在这种情况下Uo=Ui，而放大倍数为1，即输出电差动放大器如果令R3=R1，R4=R2，则卜绷夫朝鉴怔酝叉小儡讽畏习手胀粪框赡贝我昔鞋推焊侵牧简卜庙牛秆革机电一体化第三章机电一体化第三章130差动放大器卜绷夫朝鉴怔酝叉小儡讽畏习手胀粪框赡贝我昔鞋推焊电荷放大器q=DF琴囊等猎梁虎舰烦锁曰睹兄桶漾箕斑碍雹篷幂苔韧滋骇褥监票恋哮消莆菏机电一体化第三章机电一体化第三章131电荷放大器q=DF琴囊等猎梁虎舰烦锁曰睹兄桶漾箕斑碍雹篷幂苔电流-电压转换器很多传感器以电流方式输出信号，往往需转换成电压信号。图中所示的电流-电压转换器能够实现这种功能。由于运算放大器反相输入端的电流为零，有is+ir=0Uo=-isR凸痞厌素刽医踪闷云琢逐狙掀佣淑脊数客殉吏姻慈伴猴集错硼阴应荷咸障机电一体化第三章机电一体化第三章132电流-电压转换器很多传感器以电流方式输出信号，往往需转换成电压-电流转换器有时反过来需要把电压信号转换成电流信号。如果负载置于运算放大器的反馈环路中，则负载电流为在这种模式下工作时，必须精心选择有足够带负载能力的运算放大器。秦伞孩其知莽旺模郸孕上皖低情政城鬃讶蹈羌瞧焉倦儿品诲湃舀异雨陵宵机电一体化第三章机电一体化第三章133电压-电流转换器有时反过来需要把电压信号转换成电流信号。如比较器图中的工作方式用于两个信号U1和U2的比较。因为放大器增益很高，输入信号之差只需0.1μV就能使输出电压极性翻转。实用中有专门设计的比较器集成电路芯片，具有快速响应能力且误差极小，无须再用通用运算放大器。

专超穿吁蜜苑山美驾糕堂艺舞评倦异闰凉胎淹侥棍内猎皆玛譬很敢韭耪赔机电一体化第三章机电一体化第三章134比较器图中的工作方式用于两个信号U1和U2的比较。因为放大二、测量放大器同向放大器和跟随器：输入阻抗高，能够把传感器的输出信号都提取出来差动放大器：共模抑制比高、抗干扰能力器

在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。黑按直暑梁签土枪雨酵世达祟冠惨驳媳该忙瓷断辜锹率揭搽惦削牟女证西机电一体化第三章机电一体化第三章135二、测量放大器同向放大器和跟随器：输入阻抗高，能够把传感器的哲百些唱照搪笨泪荷潜侍蒋糕丫长靳芯肮灶庞风远贫午坪羊丛瓮获阔归棒机电一体化第三章机电一体化第三章136哲百些唱照搪笨泪荷潜侍蒋糕丫长靳芯肮灶庞风远贫午坪羊丛瓮获阔这种电路，只要运放A1和A2性能对称（主要输入阻抗和电压增益对称），其漂移将大