第4章 机电控制系统中传感器技术

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第4章传感器技术4-4传感器的分类及特性4-5生产机械的机械特性4-1位移传感器4-2速度传感器4-3加速度传感器4-6力、压力和扭矩传感器4-7位置传感器4.1传感器的分类及特性一、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。第4章传感器技术按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感、力传感器、温度传感器等。温度传感器压力传感器扭矩传感器角位移传感器位移传感器第4章传感器技术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第4章传感器技术二、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。非线性度迟滞灵敏度第4章传感器技术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上升时间1）时域指标第4章传感器技术2）频域指标可以用幅频特性和相频特性描述第4章传感器技术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：第4章传感器技术5.2位移传感器一、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。1、自感型电感式传感器

可变磁阻式电感传感器、电涡流式传感器2、互感型电感传感器

第4章传感器技术自感L可表示为：灵敏度：1）可变磁阻式电感传感器1、自感型电感式传感器

第4章传感器技术如果将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、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。第4章传感器技术2）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。第4章传感器技术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。第4章传感器技术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、互感型电感传感器第4章传感器技术二、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。第4章传感器技术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：第4章传感器技术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：第4章传感器技术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。第4章传感器技术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）电桥电路第4章传感器技术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）谐振电路第4章传感器技术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第4章传感器技术三、光栅数字传感器

1、工作原理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，通常线条和间隙和宽度是相等的。测量装置中由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多。第4章传感器技术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。第4章传感器技术2、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，对这些信号进行适当的处理后，即可变成光栅位移量的测量脉冲。第4章传感器技术四、感应同步器感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有直线式和圆盘式两类。当给滑尺的正余弦绕组同时加励磁电压，则在定尺上感应的总电动势为：第4章传感器技术五、光电编码器这种码盘有两个通道与B（即两组透光和不透光部分），其相位差90°，相对于一定的转角得到一定的脉冲，将脉冲信号送入计数器。则计数器的计数值就反映了码盘转过的角度。第4章传感器技术5.3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：第4章传感器技术测速发电机的输出特性：第4章传感器技术二、码盘式转速转感器第4章传感器技术5.4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。第4章传感器技术二、压电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。第4章传感器技术5.5、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。第4章传感器技术二、弹性元件

第4章传感器技术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第4章传感器技术5.6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