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华北电力大学2019年10月28日机电一体化系统设计第3章传感检测系统的选择与设计本章要求重点掌握以下内容：检测传感器的分类及机电一体化对其基本要求；常用检测传感器的原理及应用；传感器的测量电路及与微机接口。本章概述传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性也就越大。能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功能,传感器又称为一次仪表。对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理,这叫作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。非电量检测系统的结构形式3.1传感器的组成和分类3.1.1传感器的组成通常传感器由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。敏感元件转换元件基本转换电路电量被测量图3-1传感器的组成（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(如位移、应变、光强等)转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。（3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电第3章传感检测系统的选择与设计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3-3所示。3.1.2传感器的性能指标图3-3传感器的线性度示意图传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢第3章传感检测系统的选择与设计（3-1）（1）线性度线性度可用下式计算：式中：γL——线性度(非线性误差)；Δmax——最大非线性绝对误差；yFS——输出满度值。（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(3-2)对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。第3章传感检测系统的选择与设计(3-3)（3）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yFSΔHm—输出值在正、反行程间的最大差值。迟滞特性一般由实验方法确定,如图3-4所示。图3-4迟滞特性第3章传感检测系统的选择与设计（4）重复特性。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3-5所示。重复特性误差用满量程输出的百分数表示,即式中:ΔRm——最大重复性误差。重复特性也由实验方法确定,常用绝对误差表示,如图3-5所示。(3-4)图3-5重复特性第3章传感检测系统的选择与设计（5）分辨力:传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阈值。（6）漂移：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。（7）精度：精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度，包括传感器的测量精度和重复精度。2.传感器的动态特性传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。第3章传感检测系统的选择与设计表3.2传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标量程指标:量程范围、过载能力等灵敏度指标:灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等精度有关指标:精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性等动态性能指标:固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间、过冲量、稳态误差等温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标:允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差等其它环境参数:抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标:供电方式(直流、交流、频率及波形等)、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等结构方面指标:外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装连接方面指标:安装方式、馈线电缆等第3章传感检测系统的选择与设计3.1.3传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括：（1）传感器输出信号形式,如是模拟信号还是数字信号,是电压还是电流。（2）传感器输出电路形式,是单端输出还是差动输出。（3）传感器电路的输出能力,是电压还是功率,输出阻抗的大小如何等。（4）传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。第3章传感检测系统的选择与设计3.1.4传感器的分类1.按能量变换的功能分：2.按输出的信号分：物理传感器化学传感器计数型（二次型+计数型）电压，电流型（热电偶,Cds电池）电感，电容型（可变电容）有接点型(微动开关，接触开关，行程开关)传感器电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型二值型电量无接点型(光电开关，接近开关)模拟型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）第3章传感检测系统的选择与设计开关型：开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)。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。模拟型：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。如电位器、电容式位移传感器、电阻应变片输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。线性的可以直接使用，非线性的需经过线性化处理，模拟量经A/D转换后输入微机。第3章传感检测系统的选择与设计数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲数字型，其工作原理如图a-1所示。它可以是任何一种脉冲发生器，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，也可用来检测运行机构的位移量，这时运行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发出一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和检测光栅。代码型传感器又称编码器，其工作原理如图a-2所示；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的值，例如图中输入量的值为K1时，输出代码为1010，而输入量的值为K2时，输出代码为1011。代码的“1”为高电平，“0”为低电平。高、低电平可用光电元件或机械接触式元件输出。常用来检测执行元件的位置或速度，如绝对值型光电编码器、接触式编码板等。第3章传感检测系统的选择与设计3.按工作原理不同分物理型传感器：利用一些材料物理特性变化（如集成传感器），有潜力结构型传感器：利用弹性片、金属片、电容电感等结构元件（如一般的电阻、电容、电感传感器）4.按其作用可分为：（1）内部信息传感器：检测机电一体化系统内部状态，按被测物理量又可分为检测位置、速度、加速度、力、转矩、温度以及异常变化的传感器。（2）外部信息传感器：检测作业对象和外部环境状态，包括压觉/滑觉传感器、视觉/听觉传感器及电涡流传感器、无线电接收机等。第3章传感检测系统的选择与设计5.模拟式和数字式传感器检测系统模拟式检测系统电阻、电容、电感、压电、磁电、热电式等传感器输出模拟信号，其检测系统如图示：传感器量程变换放大器解调器滤波器运算电路A/D计算机显示、执行机构振荡器振荡器用于对传感器信号“调制”，以提高输出信号的抗干扰能力；并对“解调”提供参考信号，“解调”是使信号恢复原有形式。有的传感器可不进行调制与解调，直接阻抗匹配、放大、滤波等。第3章传感检测系统的选择与设计数字式检测系统光栅、磁栅、光电编码器、激光干涉仪等传感器输出增量码信号，信号变化的周期与被测位移成正比的信号，其检测系统如图示：传感器放大器整形电路细分电路变换电路计数器计算机显示执行机构辨向电路传感器输出多为正弦波信号，经放大、整形后变成数字脉冲信号，进入计数器、计算机，为提高分辨率，采取细分电路；辫向电路辨别方向以便正确进行加法或减法记数；脉冲信号所对应的被测来年感不便于读出和处理时，需进行脉冲当量变换电路。模拟式系统：精度低、易受干扰影响、不便于长距离传输、有A/D转换，成本高数字式系统：分辨率高、抗干扰强、易于长距离传输、易于计算机控制、应用广泛）第3章传感检测系统的选择与设计第3章传感检测系统的选择与设计传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。传感器的标定分静态标定和动态标定:1.感器静态特性标定静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。2.传感器动态特性标定动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。3.1.5传感器的标定第3章传感检测系统的选择与设计①体积小、重量轻、对整机的适应性好；②精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；③安全可靠、寿命长；④便于与计算机连接；⑤不易受被测对象(如电阻、磁导率)的影响，也不影响外部环境；⑥对环境条件适应能力强；⑦现场处理简单、操作性能好；⑧价格低廉。3.1.6机电一体化系统对检测传感器基本要求第3章传感检测系统的选择与设计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：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。3.1.7传感器的发展方向3.2线位移检测传感器3.2.1光栅位移传感器3.2.2感应同步器3.2.3磁栅位移传感器3.2.1光栅位移传感器在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为反馈检测元件。光栅不是依靠电磁学原理进行工作的，不需要激磁电压，而是利用光学原理进行工作，因而不需要复杂的电子系统。常见的光栅从形状上可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。光栅的检测精度较高，可达以上。32411.标尺光栅2.指示光栅3.光电元件4.光源一、光栅的构造光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅，也称标尺光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅（主光栅）和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上(如工作台或丝杠)，光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)，二者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。光栅副：指示光栅＋主光栅(标尺光栅）a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2(注：a为刻线宽度，即透光的明线，b为刻线间的缝隙宽度，即不透光的暗线)。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度相同。光栅传感器光源钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（-40℃到+130℃）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。半导体发光器件:转换效率高，响应特征快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。光电元件包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。二、工作原理当使指示光栅