第3章检测系统

第三章现代检测技术应用传感器的分类及要求常用传感器的特性及应用传感器的基本特性传感器的发展方向传感器的选用检测信号的采集与处理过程理解传感器的作用，了解传感器的一些基本知识。主要内容检测技术什么是传感器在机电一体化产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量（如力、位移、速度、位置等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构成了机电一体化产品中的检测系统。机电一体化系统对传感器有什么要求？？？检测技术传感器的分类按性质分：检测技术对传感器的要求1.精度、灵敏度、分辨率高2.线性、稳定性、重复性好3.抗干扰能力好4.静动态性能好检测技术常见传感器1.线位移检测传感器＿＿光栅、感应同步器、磁栅传感器2.角位移检测传感器＿＿旋转变压器、光电编码器3.速度检测传感器＿＿直流测速发电机、光电式速度传感器、差动变压器式速度传感器4.加速度传感器——应变式加速度传感器5.测力传感器——柱式弹性元件传感器、悬臂梁式弹性元件传感器、压力传感器、力矩传感器检测技术线位移检测传感器＿＿光栅光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，也称为光电脉冲发生器。它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床活动部件上(如工作台或丝杠上)，光栅读数头装在机床的固定部件上(如机床底座)。当工作台移动时，标尺光栅和光栅读数头产生相对移动。检测技术光栅位移传感器工作原理是由一对光栅副中的标尺光栅和指示光栅进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间(或明暗相间)的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白(或明暗)相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90o的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。检测技术光栅测量原理＿＿莫尔条纹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，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。检测技术线位移检测传感器＿＿感应同步器感应同步器是利用电磁原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置感应同步器在工作时，如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势。该电动势随定尺和滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。通过对正弦、余弦函数变化的感应电动势信号的检测处理，便可测量出直线位移量。检测技术线位移检测传感器＿＿感应同步器直线型感应同步器定尺、滑尺的结构o360xT检测技术线位移检测传感器＿＿磁栅磁栅是利用电磁特性来进行机械位移的检测，主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测元件。检测技术角位移检测传感器＿＿旋转变压器正余弦变压器原理图31sin1coskUkU输出电压与转子转角保持一定函数关系的感应式微电机。它是一种将角位移转换为电信号的位移传感器定子绕组D1-D2（D3、D4）接交流电源激磁，转子绕组Z1－Z2（Z3、Z4）接负载ZL。当主令轴带动转子转过θ角时,转子各绕组中产生的感应电压U1=UmsinwtU2=UmcoswtU3=kUmcos(wt-θ)线性旋转变压器:检测技术角位移检测传感器＿＿光电编码器四位二进制的编码盘=360°/2４=360°/218=0.0014°是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器.光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。检测技术速度检测传感器＿＿直流测速发电机永磁式测速发电机原理图直流测速发电机输出特性与普通发电机的原理相同，把转速转换成电压。检测技术速度检测传感器＿＿光电式速度传感器光电式速度传感器工作原理图V=x/t将速度的变化转变成光通量的变化,在通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量检测技术速度检测传感器＿＿光电式速度传感器光电式转速传感器的结构60NnZt光电转速传感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件上的光线产生一次明暗变化,光敏元件即输出电流脉冲信号。检测技术差动变压器式速度传感器02vvUkI差动变压器式速度传感器的工作原理检测技术加速度传感器——应变式加速度传感器利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转换成电量。应变式加速度传感器有加速度——重块受力——悬臂梁歪曲——应变片变形——测出力大小——转换成电量检测技术加速度传感器——压电加速度传感器压电加速度传感器压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响很小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。利于压电敏感元件的压电效应得到与振动或者压力成正比的电荷量或者电压量。物体振动-质量块产生惯性力-压电元件变形-产生电荷量检测技术加速度传感器-电容式加速度传感器电容式加速度传感器电容式加速度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加速度值。1-固定电极，2-质量块，3-绝缘体，4-弹簧片是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，物体振动-质量块的惯性-固定极相对移动-C1C2一变大一减小-c1c2的差值正比与被测物的加速度检测技术测力传感器——柱式弹性元件常见传感器：柱式弹性元件测力传感器悬臂梁式弹性元件测力传感器压力传感器力矩传感器检测技术测力传感器＿＿柱式弹性元件柱式弹性元件及其电桥式这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉（压）力传感器。基于电阻应变效应。粘贴有应变片的弹性元件受力作用时产生变形，应变片将弹性元件的应变转换成电阻值的变化，经转换电路输出电压或电流。检测技术测力传感器＿＿悬臂梁式弹性元件悬臂梁式弹性元件及其电桥这种元件的特点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高，主要用于小载荷、高精度的拉（压）力传感器中，可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉（压）力检测技术压力传感器示例薄板的形状控制检测技术测力传感器＿＿膜力传感器介质压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。检测技术测力传感器＿＿筒式压力传感器弹性元件为薄壁圆筒，工作应变片R1R3粘贴在桶壁上，温度补偿片粘贴在筒底外壁上，行成全桥线路。检测技术测力传感器＿＿压阻式压力传感器压阻式压力传感器适用于中、低压力、微压和压差测量。由于其弹性敏感元件与变换元件一体化，尺寸小且可微型化，固有频率很高。是指利用具有压阻效应的半导体材料作为敏感元件，当传感器处在压力介质中时，介质压力作用于波纹膜片上使使其中的硅油受压，硅油将膜片的压力传递给半导体芯片。芯片受压后使其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。检测技术力矩传感器机器人手腕用力矩传感器原理B-驱动轴，A-应变片，C-手部，D-螺丝钉手部受到的力矩通过应变片电压输出无触点力矩测量原理A-磁分度圆盘，B-磁头利用转角差与负荷M成比例的关系，则可测力力矩的大小检测技术力与力矩复合传感器机器人十字架式腕力传感器原理检测技术其它传感器＿＿ＣＣＤ图像传感器CCD图像传感器检测工件尺寸的测量系统检测技术其它传感器＿＿激光传感器激光多普勒流速计原理激光检测主要是利用激光的方向性、单色性、相干性以及随时间、空间的可聚焦性的特点，无论在测量精确度和测量范围上都具有明显的优越性。检测技术其它传感器＿＿超声波检测超声波检测过程超声波被用于无损探伤、厚度测量、流速测量、黏度测量等。检测技术传感器基本特性＿＿输入特性(1)量程或测量范围传感器预期要测量的被测量值的范围，一般用传感器允许测量的上下极限值来表示，其中上限值也称为满量程FS。(2)过载能力传感器允许承受的最大输入量(被测量),通常用一个最大允许值或满量程的百分比来表示。传感器基本特性＿＿静态特性表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。nnxaxaxaxaay332210y-输出量x-输入量a0-零输出a1-理论灵敏度a2、…、an-非线性项的待定系数理想状态下a0、a2、…、an均为零。1)线性度%100)(MFSaxLLy最大非线性误差非线性误差或线性度也称非线性，表示传感器输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程度，采用工作直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量程输出之比来表示。满量程输出理想特性实际特性xΔHmaxY线性度反映了被测值处于稳定状态时，传感器输出与输入之间的关系曲线对拟合直线的接近程度。选用原则：选用线性度小的为宜。传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度。表征传感器对输入量变化的反应能力。xyk（2）灵敏度线性传感器非线性传感器传感器的灵敏度选用原则：在量程范围内，传感器的灵敏度越高越好，但要注意外界噪声的影响。正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。—正反行程间输出的最大差值。HMAX%100))(21(FSHMAXHy(3)迟滞xΔHmaxY磁性材料的磁滞，结构材料受力变形的滞后、摩擦等是产生迟滞误差（回程误差）的原因。选用原则：迟滞误差越小越好。xY(4)重复性传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差1MaxR2MaxR取较大者为MaxR%100)(MaxFSRRyxΔRmax1ΔRmax2y反映了传感器的离散性。检测技术(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。(6)稳定性(温度漂移，时间零漂)时间零漂:在规定的时间内，在温度不变的条件下，零输出的变化；温度漂移:当温度发生变化时，其输出特性的变化，通常用零点输出变化值表示，也可以用它与满量程的比值来表示。传感器的动态特性是传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映了传感器输出值真实再现变化着的输入量的能力。测量交变信号时，传感器在其所测频率范围内，保持信号不失真的测量特性。在信号的所测频率范围内，要求传感器的幅频特性是平直的，而要求相频特性是线性的或是不变的。传感器基本特性＿＿动态特性检测技术传感器基本特性＿＿动态特性频率响应特性幅频特性相频特性阶跃响应特性时间常数上升时间过冲量(超调量)固有频率阻尼比(对数减缩)检测技术传感器的发展发向1.新型传感器的开发：以结构型为主转向以物性型为主的过程2.传感器的集成化和多功能化：实现了横向和纵向的多功能3.传感器的智能化：“电五官”与“电脑”的相结合检测技术选择传感器应考虑的因素测试要求和条件传感器的特性使用条件检测技术传感器的正确使用方法输出特性进行线性化处理输出特性进行补偿传感器的标定传感器的抗干扰措施：屏蔽＼接地＼隔离＼滤波检测技术传感器的正确使用方法-抗干扰措施1)屏蔽：用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路和组合件包围起来，隔离内外电磁或电场的相互干扰。分类：电场屏蔽磁场屏蔽电磁屏蔽检测技术传感器的正确使用方法-抗干扰措施2)接地：清除电流流经公共地线阻抗时产生噪声电压，避免受磁场或地电位差的影响。3)隔离：避免电路信号在两端接地时形成环流产生的噪声干扰。主要隔离方法有变压器隔离和光电耦合隔离。4）滤波：对外界干扰引入的噪声信号加以滤除检测技术检测信号采集与处理1.模拟信号检测系统2.数字信号检测系统3.开关信号检测系统检测系统的组成检测技术检测系统的组成＿＿模拟信号检测技术检测系统的组成＿＿数字信号绝对码数字信号检测系统检测技术检测系统的组成＿＿数字信号增量码数字信号检测系统检测技术检测系统的组成＿＿开关信号