传感器检测及其接口电路

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1、 传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部分。传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部分。它是整个设备的感觉器官，监视监测着整个设备的工作它是整个设备的感觉器官，监视监测着整个设备的工作过程，使其保持最佳工作状况，同时可用作数显装置。过程，使其保持最佳工作状况，同时可用作数显装置。在闭环伺服系统中，传感器又用作位置环的检测反馈元在闭环伺服系统中，传感器又用作位置环的检测反馈元件，其性能直接影响到工作机械的运动性能、控制精度件，其性能直接影响到工作机械的运动性能、控制精度和智能水平。因而要求传感器灵敏度高、动态特性好，和智能水平。因而要求传感器灵敏度高、动态特性好，特别要求其稳定可靠、抗干扰

2、性强且能适应不同环境。特别要求其稳定可靠、抗干扰性强且能适应不同环境。 检测传感器种类很多，而在机电一体化产品中，控检测传感器种类很多，而在机电一体化产品中，控制系统的控制对象主要是伺服驱动单元和执行机构，传制系统的控制对象主要是伺服驱动单元和执行机构，传感器主要用于检测位移、速度、加速度、运动轨迹以及感器主要用于检测位移、速度、加速度、运动轨迹以及机器操作和加工过程参数等机械运动参数。机器操作和加工过程参数等机械运动参数。第三章第三章 传感器检测及其接口电路传感器检测及其接口电路一、传感器技术一、传感器技术 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它

3、获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信息也是有各种形式。由于电信号是最易于处理和便于传输的，所以目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号。 目前，传感器应用领域已经十分广泛，在国防、航空、航天、交通运输、能源、机械、石油、化工、轻工、纺织等工业部门和环境保护、生物医学工程等方面都大量地采用各种各样的传感器。二、传感器的分类及要求二、传感器的分类及要求 用于测量与控制的传感器种类繁多，同一被测量，可以用不同的传感器来测量；而同一工作原理的传感器，又可测量不同类型的被测量。因此，分类的方法也又很多。通常采用两种方法来分类：一种是以被测参量来分；另一种是以传感器的工作原理来分

4、。三、传感器性能与选用原则三、传感器性能与选用原则1 传感器的性能 传感器的输入一输出特性即是传感器的基本特性。由于输入信息的状态不同，传感器所表现的基本特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。( l )传感器的静态特性：传感器在静态信号作用下，其输入一输出关系称为静态特性：如图3-1 所示，图a 为理想传感器特性曲线，图b 为只包含偶次项的特性，图c为只包含奇次项的特性曲线。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性线性度、灵敏度、迟滞和重复性。 l ）线性度 传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（线性度），如图3-2 所示。 2 ）灵敏度 灵

5、敏度是指传感器在静态信号输入情况下，输出变化对输入变化的比值s，即： dxdyS输入变化量输出变化量 对线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，非线性传感器的灵敏度为一变量。一般希望传感器的灵敏度高一些，并且在满量程范围内是恒定的，即传感器的输入一输出特性为直线。 3 ）迟滞性 迟滞性表明传感器在正（输入量增大）、反（输入量减少）行程期间输入一输出特性曲线不重合的程度，如图3-3 所示。产生迟滞性现象的主要原因是机械的间隙、摩擦或磁滞等因素。 4 ）重复性 表示传感器在输入量按同一方向作全程多次测试时所得特性曲线的不一致程度，如图3-4 所示。 ( 2 ) 传感器的动态特性 在传感器实际

6、测试工作中，大量的被测信号是动态信号，不仅需要精确地测量信号幅值的大小，而且需要测量和记录动态信号的变化过程，这就要求传感器能迅速准确地测出信号为幅值的大小和不失真地再现被测信号随时间变化的实时、准确波形。 传感器的动态特性是指传感器对输入信号响应的特性，一个动态特性好的传感器其输出能再现输入变化规律（变化曲线）。但实际上除了具有理想的比例特性环节外，输出信号不可能与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入之间的差异叫做动态误差。 2、传感器的选用原则、传感器的选用原则 传感器是测量与控制系统的首要环节，通常应该具有快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求，即： l ）足够的容量

7、：传感器的工作范围或量程要足够的大，具有一定过载的能力。 2 ）与测量或控制系统的匹配性好，转换灵敏度高要求其输出信号与被测输入信号成确定关系（通常为线性），且比值要大。 3 ）精度适当，且稳定性高传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求，并且长期稳定。 4 ）反应速度快，工作可靠性好。 5 ）适用性和适应性强,动作能量小，对被测对象的状态影响小，内部噪声小又不易受外界干扰的影响，使用安全等。 6 ）使用经济成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准。 位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛。常用直线位移测量传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步

8、器、光栅传感器等；常用角位移传感器有：电容传感器、光电编码盘等。 一、电容传感器一、电容传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。这种传感器具有结构简单、高分辨力、可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点，因此在自动检测中得到普遍应用。 现以平板式电容器来说明电容式传感器的工作原理。电容是由两个金属电极和中间的一层电介质构成的。当两极板间加上电压时，电极上就会贮存有效电荷，所以电容器实际上是一个储存电场能的元件。平板式电容器在忽略边缘效应时，其电容量可表示为 ：ACr0mF，/1085. 8_120等于真空介电常数式中：常数极板间介质的相对

9、介电_r)_2（mmA极板的有效面积)_（mm两极板间的距离 从上式可知，当其中的 三个变量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。r、A、 根据上述工作原理，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 如图3 -5a 为变极距型电容传感器的原理图。图中一个电极板固定不动，成为固定极板，另一极板可左右移动，引起极板间距离相应变化，从而引起电容量变化。变极距电容传感器的初始电容C0 可由下式表达 :000ACr000ACr 必须指出，上述讨论只在初始极距 精确保持不变时成立，否则将导致测量误差。为减小这种

10、影响，可采用如图3-6中的示的中间极移动的结构。0二、电感式传感器二、电感式传感器 电感式传感器利用电磁感应原理，把被测位移量电感式传感器利用电磁感应原理，把被测位移量变化成线圈自感或互感变化的位置。电感式传感器结变化成线圈自感或互感变化的位置。电感式传感器结构简单，输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，构简单，输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，但它的动态响应慢，不宜作快速动态测试。但它的动态响应慢，不宜作快速动态测试。第三节第三节 速度、加速度传感器速度、加速度传感器一、直流测速机一、直流测速机 直流测速机是一种测速元件，实际上它就直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电

11、机。根据电机磁极激磁是一台微型的直流发电机。根据电机磁极激磁方式的不同，直流测速机可分为电磁式和永磁方式的不同，直流测速机可分为电磁式和永磁式两种。如以电枢的结构不同来分，有无槽电式两种。如以电枢的结构不同来分，有无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。近枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。近年来，又出现了永磁式直线测速机。常用的为年来，又出现了永磁式直线测速机。常用的为永磁式测速机。永磁式测速机。 测速机的结构有多种，测速机的结构有多种，但原理基本相同。图但原理基本相同。图3-14 所示为永磁式测速机原理所示为永磁式测速机原理电路图。恒定磁通由定子电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁