机电系统检测与控制-第四章传感器与检测系统

机电系统检测与控制MeasurementandControlinMechatronicsSystem

第四章传感器与检测系统本章的学习内容：4.1传感器的分类及特性4.2位移传感器4.3速度传感器4.4加速度传感器4.5力、压力和扭矩传感器4.6位置传感器4.7检测信号的采集与处理一、机械量传感器分类传感器通常是非电物理量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。

4.1传感器的分类及特性按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感、力传感器、力矩传感器等。压力传感器扭矩传感器角位移传感器位移传感器一、机械量传感器分类光栅位移传感器按传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、光电式、超声波式等等。压电式加速度传感器激光位移传感器光纤式位移传感器超声波位移传感器传感器电感式位移传感器一、机械量传感器分类1、静态响应特性当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出－输入特性。包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。非线性度迟滞灵敏度二、传感器的特性1、静态响应特性当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出－输入特性。包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。二、传感器的特性4.精度传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差。5.分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。1、静态响应特性当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出－输入特性。包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。二、传感器的特性6测量范围传感器所能测量到的最小输入量

与最大输入量

之间的范围称为传感器的测量范围。7.量程传感器测量范围的上限值

与下限值

的代数差

-称为量程。8.零漂传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。2、动态特性动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利用系统的传递函数、频率响应来描述。调整时间峰值时间最大超调量振荡次数延迟时间Ts上升时间Tr1）时域指标二、传感器的特性2）频域指标可以用幅频特性和相频特性描述二、传感器的特性二阶系统的脉冲输入和响应

二阶系统的阶跃输入和响应

两种典型的输入响应：二、传感器的特性一、电感式位移传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测物理量转换为电感量的变化。

4.2位移传感器分类:电感式传感器自感型可变磁阻气隙型涡流式互感型可变磁阻面积型可变磁阻螺线管型自感L可表示为：灵敏度：1）可变磁阻式气隙型电感传感器1、自感型电感式传感器如果将δ固定，变化空气隙导磁截面积S0时，自感L与S0呈线性关系可变磁阻式传感器的典型结构：可变导磁面积型、可变气隙差动型、单螺管线圈型。1、自感型电感式传感器当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2

灵敏度k为可变磁阻式传感器的典型结构：可变导磁面积型、可变气隙差动型、单螺管线圈型。1、自感型电感式传感器

螺线管型自感传感器——如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。差动变压器式电感传感器：传感器由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。ev的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1>e2，ey>0;当活动衔铁向下移时，e1<e2，ey<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化。2、互感型电感式传感器2、互感型电感式传感器优点：差动变压器式电感位移传感器测量精度高，分辨力可达0.1μm,线性范围大，有的能达到250mm,稳定性好，使用方便。这种传感器广泛用于直线位移、角位移以及可转换成位移的其他机械量，如压力、重量、膨胀等。1）自感型电涡流式电感传感器高频反射式涡流传感器：高频(>1MHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。若只改变距离δ而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化。3、电涡流式传感器低频透射式涡流传感器：发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈ω2产生感应电动势e2，且e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少。3、电涡流式传感器2）互感型电涡流式电感传感器二、电容式位移传感器电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。

式中：ε0——真空的介电常数；

s——极板的遮盖面积；ε——极板间相对介电系数；δ——两平行极板间的距离。1、极距变化型电容式传感器如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为：传感器的灵敏度为：二、电容式位移传感器2、面积变化型电容式传感器动板与定板之间相互覆盖的面积引起电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为：电容量为：其灵敏度为：二、电容式位移传感器3、介质变化型电容式传感器的变换原理这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。二、电容式位移传感器4、电容式传感器的测量电路

电容传感器为电桥的一部分。由电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。1）电桥电路二、电容式位移传感器电容传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，谐振回路的阻抗将发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。2）谐振电路二、电容式位移传感器3）运算放大器电路

前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压约与位移的关系转换为线性关系。如图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为二、电容式位移传感器作业１.简述电容式位移传感器的工作原理，对其灵敏度分析并据此说明应用条件。二、电容式位移传感器1变阻器式传感器（1）工作原理R三、电阻式传感器检测直线位移或回转位移使用较多的是电位差计。在直线型中，行程可从lcm到25cm左右。在回转型中有一转与多转之别，多转型精度容易做得很高。

(2)变阻器式传感器的性能参数:

1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;(3)变阻器式传感器的分类:变阻器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕电位器按电位器结构分三、电阻式传感器(4)变阻器式传感器的特点：电阻器制作特点绕线式直径0.012-0.1mm的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘的胶木板等卷心上而制作电阻温度系数非常好，为±(5－20)×10-6/℃；精度、稳定性、重复性比薄膜式好；分辨力低于薄膜式金属陶瓷式电阻胶印在陶瓷基板上，并用高温烧制而成分辨力高，环境适应性强，电阻温度系数为±200×10-6/℃左右导电-塑料式将基板的树脂与电阻膜制成一体，或将电阻胶涂于薄膜基片上分辨力高，寿命长，线响应特性好，电阻温度系数为±400×10-6/℃混合式导电型树脂涂于线绕式电阻元件上兼有绕线式、导电－塑料式的优点，电阻温度系数为±150×10-6/℃三、电阻式传感器四、光栅数字传感器

光栅数字传感器的外形1、光栅的构造光栅是在透明的玻璃上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面上均匀地刻化出许多间隔相等的条纹，通常线条和间隙的宽度是相等的。四、光栅数字传感器

2、光栅工作原理把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列。四、光栅数字传感器

四、光栅数字传感器

2、光栅工作原理把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列。四、光栅数字传感器

2、光栅工作原理把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列。四、光栅数字传感器

2、光栅工作原理莫尔条纹具有如下特点：1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B

2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。3、测量系统光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可用光电元件接受，通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。

四、光栅数字传感器

3、测量系统光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可用光电元件接受，如图中的是四块光电池，光电池产生的信号，相位彼此差90º，将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。四、光栅数字传感器

1.感应同步器结构五、感应同步器1.感应同步器结构五、感应同步器sincos节距2τ（2mm）节距τ（0.5mm）滑尺定尺1.感应同步器结构五、感应同步器

包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.05~0.2mm）。2.感应同步器的工作原理五、感应同步器

在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为2~10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。

2.感应同步器的工作原理五、感应同步器

设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为2.感应同步器的工作原理五、感应同步器余弦绕组单独供电所产生的感应电势为

由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为3.测量方法根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式和鉴幅式两种工作法。五、感应同步器(1)鉴相式工作法滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差90o的两个电压，设则从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移x：五、感应同步器2.鉴幅工作法在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：则：

由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。五、感应同步器六、光电编码器编码器是将机械传动的模拟量转换成旋转角度的数字信号，进行角位移检测的传感器。编码器的种类很多，根据检测原理，它可分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。六、光电编码器1、增量式光电编码器在码盘上有A相、B相和Z相三相光栅，其中A相与B相的相位差为90°，Z相只有一条光栅。六、光电编码器1、增量式光电编码器增量式光电编码盘构成的角度—数字转换系统，包括增量式光电编码盘、光源、光敏转换元件以及放大、整形、辨向和计数等后续处理电路。六、光电编码器1、增量式光电编码器六、光电编码器

测量角位移时，单位脉冲对应的角度为式中，m为光栅的条数，m越大，则码盘的测量精度越高。若计数器得到的脉冲数为N，则角位移的大小为：

Z相在码盘旋转一周只送出一个脉冲信号，且脉冲较宽，因此常作为计数器归零（回原点）信号或作为整圈计数信号，从而提高测量的可靠性与精度。六、光电编码器2、绝对式光电编码器绝对式光电编码盘直接输出码盘上的编码，从而检测绝对位置。绝对式光电编码盘由内向外由多个码道组成，码道的条数就是数码的位数，由内至外构成一个编码。4位格雷码的码盘示意图:黑色部分为不透光区域，输出二进制码“1”；白色部分为透光区域，输出二进制码“0”。

(a)4位二进制绝对式编码器的编码盘(b)4位格雷码盘示意图

六、光电编码器作业：１.增量式与绝对式圆光栅编码器各有何特点？增量式圆光栅编码器如何辨别转动方向？２．简述摩尔条纹的特点及其应用。

4.3速度传感器4.3速度传感器一、直流测速发电机用于自动控制中测量转速或速度负反馈校正元件。分为永磁式和电磁式，常用的是永磁式。测速发电机的输出电压：测速发电机的输出特性：4.3速度传感器二、码盘式转速转感器4.3速度传感器4.4加速度传感器

一、电阻应变式电阻应变式加速度计原理结构如图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可算出被测加速度。

一、电阻应变式金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。金属丝式电阻应变片金属丝式电阻应变片外形1）工作原理金属应变片的电阻R为纵向应变泊松比弹性模量压阻系数一、电阻应变式2）金属应变片应变计金属应变片有：丝式、箔式优点：稳定性和温度特性好缺点：灵敏度系数小一、电阻应变式3）半导体应变片应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片.一、电阻应变式4）应用案例1：桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车过障碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。一、电阻应变式案例2：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。一、电阻应变式(1)直流电桥5)信号放大电路

平衡条件一、电阻应变式直流电桥的连接方式a)半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥(a)半桥单臂(b)半桥双臂(c)全桥一、电阻应变式直流电桥平衡条件优点：所需的高稳定直流电源较易获得；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。缺点：直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。一、电阻应变式2）交流电桥●平衡条件交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定度。一、电阻应变式将传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形，压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。

二、压电式4.5、力、压力和扭矩传感器

一、工作原理首先由弹性元件将力、力矩、压力等被测量转换成位移或应变，然后再通过转换元件将相应的位移或应变转换成电信号输出。二、弹性元件应变式力传感器的测量范围很大，可以从5N～10MN以上，测量精度可以达到0.03%～2%。铰链弯曲式弹性元件梁式弹性元件受径向载荷二、弹性元件电阻应变转矩传感器。它的弹性元件是一个与被测转矩的轴相连的转轴,转轴上贴有与轴线成45°的应变片,应变片两两相互垂直,并接成全桥工作的电路方式。三、转矩传感器三、转矩传感器4.6位置传感器一、分类

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，确定是否已到某一位置。位置传感器分为接触式和非接触式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否已接触信息的一种传感器。二、接触式位置传感器

而非接触式（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。

三、非接触式位置传感器作业：１.位置传感器可分为接触式和非接触式两类，简述常见的三种非接触式位置传感器的类型、原理、特点及应用场合。２.电感式、电容式、光电式、霍尔式等非接触式位置传感器的主要特点是什么？接触式位置传感器与其相比有何特点？

３.试分析说明电阻电桥有何优点。分析半桥单臂、半桥双臂、全桥电路中电阻变化转换为电桥的电压输出的灵敏度。

三、非接触式位置传感器4.7检测信号的采集与处理4.7.1传感信号的采样/保持1、数字信号处理的步骤数字信号处理的基本步骤如图所示4.7.2数字信号的采集与处理2、数字信号处理方法通过A/D转换得到的数字信号，可以利用计算机进行各种各样的处理。除此之外，还有数字滤波、快速傅立叶变换（FastFourierTransform,FFT）等。（1）算术平均值法平均值滤波法是对信号Y的m次测量值进行算术平均，作