检测系统1-概述及位移传感器

机电系统及其控制授课教师：赵建文所在单位：哈尔滨工业大学（威海）船舶与海洋工程学院

机械工程系第二章检测系统设计检测系统的组成传感器的分类传感器的性能指标常用传感器的工作原理传感器选型信号采集处理电路及数据处理§2-1检测系统的组成一般由敏感元件、转换元件、信号采集处理电路三部分组成。

敏感元件：直接感受被测量、并输出与被测量成确定关系的某

一物理量的元件。

转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元

件和转换元件的功能由同一个元件（敏感元件）实现。

采集处理电路：将敏感元件或转换元件输出的电信号放大、滤波、A/D变换。敏感元件采集处理电路转换元件被测量控制器可识别的电信号中间量传感器：通常把敏感元件和转换元件（有时也包括信号处理电路）

集成后的产品称为传感器。

电信号1．按物理原理分类

⑴电路参量式传感器。包括电阻式、电感式、电容式等三个基本型式。

⑵磁电式传感器。包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等

⑶压电式传感器。

⑷光电式传感器。包括光栅式、激光式、光电码盘式、光电效应式、红外式等。⑸气电式传感器。

⑹热电式传感器。

⑺波式传感器。包括超声波式、微波式等。§2-2

传感器的分类2．按用途分类

按照传感器的用途来分类，可分为：位移传感器：光电编码器、光栅、陀螺仪、倾角传感器、旋转变压器速度传感器：雷达测速、直流测速发电机加速度传感器：加速度计压力传感器：应变片振动传感器：压电陶瓷温度传感器：热敏电阻（半导体材料）嗅觉传感器：气敏电阻（半导体材料）视觉传感器：通过CCD将光学影像转化为数字信号2.2传感器的分类

（1）线性度。传感器的静态特性是在静态标准条件下,利用一定等级的标准设备,对传感器进行往复循环测试,得到的输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性,这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性,与理论直线有偏差,如图所示。

传感器的线性度示意图

§2-3衡量传感器性能的指标

式中：

:线性度(非线性误差)；

:最大非线性绝对误差；

:输出满度值。

2.3衡量传感器性能的指标对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。（2）

灵敏度。传感器在静态标准条件下,输出变化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即（3）精度。测量结果和被测的“真值”的靠近程度。（4）分辨力。传感器能够感受到的被测量的最小变化。

（5）漂移。在输入量不变的情况下，由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传感器的输出发生的变化称为漂移。xySDD==输入量的变化量输出量的变化量02.3衡量传感器性能的指标传感器的迟滞特性

yFSDHm0xFSyx式中:输出值在正、反行程间的最大差值。（6）迟滞。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示：

传感器的重复特性

式中:（7）重复性。传感器在同一条件下,被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时,所得的输出/输入曲线不一致的程度,称为重复特性,如图所示。重复特性误差用满量程输出的百分数表示,即yFS0xFSxDRm1yDRm2：任意两条同向变化

曲线间的最大误差2.3衡量传感器性能的指标传感器的动态特性：传感器测量动态信号时,输出对输入的响应特性。信噪比，频响2.3衡量传感器性能的指标传感器的动态特性：传感器测量动态信号时,输出对输入的响应特性。信噪比，频响信噪比（

signal-to-noiseratio）:狭义来讲是指待测信号产生的输出电压与噪声信号产生的输出电压之比，常常用分贝数表示，信噪比越高表明输出信号所含的噪声越少。频响（

FrequencyResponse）:用来描述传感器对于不同频率的信号的检测能力。转轴码盘及狭缝光敏元件指示光栅及A、B狭缝光源及透镜AI零位标志一、光电编码器工作原理位移传感器§2-4常用传感器的工作原理及应用B为什么要设置AB两条狭缝？AB狭缝距离与码盘上的狭缝距离之间需满足什么条件？

光电编码器的指示光栅上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辨向。☆根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；☆根据脉冲的频率可得被测轴的转速；2.4.1光电编码器根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。为增强抗干扰能力，可以选择具有AB相信号差动输出形式的编码器。

码盘里圈，还有一根狭缝I，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。

I相（Z相）的作用☆被测轴的周向定位基准信号；☆被测轴的旋转圈数记数信号I2.4.1光电编码器编码器接线：

Vcc、GND

A、B、I

利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服系统控制其各种运行参数。光电编码器在伺服电机中的应用2.4.1光电编码器交流伺服电机编码器光电编码器在伺服电机中的应用2.4.1光电编码器光电编码器直流伺服电机光电编码器的选择原则一般与伺服电机配套选择，厂家将编码器与电机装配好编码器的测量精度取决于刻线数若工作环境中干扰较强，可选择差动信号输出（带有A和B项）的编码器编码器的供电电压能够方便的提供2.4.1光电编码器光电编码器的选择实例直流伺服电机经减速箱减速后带动同步带轮，同步带轮带动同步带进而拖动加样臂完成直线位移进给，已知减速箱的减速比为3：1，同步带轮节径100/3.14mm，要求加样臂的重复性位置精度为0.1mm，编码器的线数应满足什么条件？2.4.1光电编码器电机同步带轮同步带连接片滑块加样臂减速箱编码器编码器选择实例F二、光栅透射光栅的结构光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电接收元件组成

主光栅，是测量的基准，另一块光栅为指示光栅，在使用长光栅尺的数控机床中，主光栅往往固定在床身上不动，而指示光栅随拖板一起移动。主光栅的尺寸常由测量范围确定，指示光栅则为一小块，只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可。2.4.2光栅主光栅指示光栅莫尔条纹的产生均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动条纹宽度：

Wω

在直光栅中，若a为刻线宽度，b为缝隙宽度，则ω＝a+b称为光栅的栅距(也称光栅常数)。通常a＝b，或a:b＝1.1:0.9。线纹密度一般为每毫米100、200、500和1000线。2.4.2光栅4、莫尔条纹的特性☆放大性：

W=ω/θ，夹角θ很小→W>>ω

→光学放大→提高灵敏度☆莫尔条纹移动与栅距成比例：

光栅移动一个栅距ω→莫尔条纹沿垂直方向移动一个间距W☆在一个栅距内，光电元件所检测的光强变化为正弦（或余弦）变化。很容易转化为