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1、第三章 机电系统中的传感技术,机电系统综合设计,3.1 传感器概述,传感器英文名称：transducer/sensor是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。GB7665-87的定义：能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。,3.1 传感器概述,常见传感器在信号采集和控制系统中需要测量的典型变量有：位移、速度、加速度，力、转矩、张力、压强，温度，流量，湿度，等
2、等。,完备的测量系统组成示意感测头、放大器、电源、显示或处理单元,3.2 传感器基础,精度在任何一个测量系统中，精度是一个主要的指标。精度与重复性,（a）精确（b）重复，但不精确（c）不重复，不精确,3.2 传感器基础,传感器的输入与输出传感器有动态响应带宽，也有静态输入输出特征。传感器的动态响应用它的频率响应或是带宽指标来表示。传感器的带宽决定了传感器能所测物理信号的最大频率。对于精确的动态信号测量，传感器的带宽最少比测量变量最大频率高一个数量级。,3.2 传感器基础,传感器的输入与输出传感器能被看做一个具有确定带宽和静态输入输出特征的滤波器。理想滤波器的所测物理变量(输入)和输出信号之间是
3、线性关系，实际上并非如此。,3.2 传感器基础,传感器的非理想特性增益变化，偏移（偏置或零点漂移）变化，灵敏度，迟滞，死区（阈值），时间漂移,3.2 传感器基础,传感器的校正一般来说，传感器需要调整来适应特定的应用。如果传感器显示有时间漂移，那么它必须被定期校准。传感器校正涉及调整传感器放大补偿上述变量，目的是使得输入（被测信号）和输出（传感器的输出信号）关系保持不变。校正过程涉及到为补偿增益、灵敏度、迟滞、死区和时间漂移变化而做出的调整。,3.2 传感器基础,典型的传感器应用实例应用电阻型传感器和运算放大器进行信号测量和放大的电路。传感器原理是基于传感器的电阻随着测量变量（如温度，张力，压强
4、）变化而按一定的函数变化。,3.3 传感器负载误差,负载误差传感器的负载误差是由于引入传感器和相关联的信号处理系统而产生的误差。有两种典型的负载误差：机械负载误差，电气负载误差。,3.3 传感器负载误差,机械负载误差实例考虑测量容器中液体的温度。如果在容器中插入一个玻璃水银温度计，将有一定热量在液体和温度计之间传递。当液体和温度计之间的温度相同时，测量达到平稳状态。事实是温度计与液体之间的热传递必然改变液体的温度。如果液体的体积相比于温度计来说很小的话，那机械测量的误差将会很大；如果液体的体积相较于温度计来说很大的话，误差就可以忽略不计。严格的说，无偏差测量一个物理数量是不可能的，引入传感器的
5、这一行为改变了原始的物理环境。因此每一个传感器都存在一些机械负载误差。关键是使误差尽可能的小。,3.3 传感器负载误差,电气负载误差实例假如测量装置有内部电阻，不考虑测量装置，我们想要测得电压的理想值是,一旦测量装置在电路中的A点和B点之间连接，它就改变了电路。A点和B点之间的等效电阻是,A点和B点之间的电压是,3.3 传感器负载误差,A点和B点之间的电压实际上是,当Rm 时，Vo=Vo*若Rm接近R1，Vo/Vo*偏离1当Rm=R1时,多数测量系统中Rm和R1的关系应该是：从而有,3.3 传感器负载误差,多数测量系统中Rm和R1的关系应该是：从而有,理想电压为由于电气负载带来的相对误差为,3
6、.3 传感器负载误差,对于上述实例的情况，测量装置的输入阻抗如果达到了二端子装置（即被测电压的装置）等效电阻的1000倍，则电气负载引起的测量误差是可以忽略的。因此，为了减少测量电路的电气负载误差影响，测量装置应该有很大的输入电阻（输入阻抗）。输入阻抗越大，在电压测量中电气负载误差越小。,3.4 惠斯登电桥,惠斯登电桥用于把电阻的变化转化为电压的输出。它是用在传感器调整装置中的一个标准电路。惠斯登电桥有一个电压源Vi和四个安在电桥电路中的电阻R1R4。通常某一个电阻分支就是传感器电阻。热敏电阻应变片,3.4 惠斯登电桥,当电桥平衡时，在B点和C点之间的电压差是0,并且通过测量装置（如电流计，数
7、字电压表，或者ADC电路数据采集系统）的电流也是0。电桥平衡条件相邻桥臂阻值之比相等惠斯登电桥有两种使用方法零点法变位法,3.4 惠斯登电桥,零点法R1表示传感器，它的电阻是测量变量的函数。R2是一个可调校准电阻器（人工或自动调节）。R3和R4是电路中已知电阻。一开始校准电路满足电桥平衡条件，B点和C点之间电压为零。假定传感器电阻R1随测量变量改变，调节R2维持电桥平衡。当电桥平衡时，R2能够从调节变阻器上读出，根据比例可得R1。这种测量传感器电阻方法不受电源供应电压变化的影响，但是它仅仅适用于测量稳定状态或慢变改变的电阻，准确的说是测量变量的缓慢变化（即，温度，张力，压力）。,3.4 惠斯登
8、电桥,变位法为了测量时变和瞬态信号，应该使用变位法。在本例中，电桥中有三个电阻固定，R2，R3和R4。R1是传感器电阻。当传感器电阻改变时，测量非0输出电压VBC。首先假设Rm，尽管B点和C点之间可能存在一定电压但没有电流流过它:根据可以求得：,3.4 惠斯登电桥,变位法将R1等效为初值电阻和阻值变化量：另电桥初始电阻完全相等：进一步可得限定R1阻值变化量又可得如果测量系统可以进行精确计算，可以不做近似处理,3.4 惠斯登电桥,变位法如果去除有关测量装置电阻的假设，我们认为它不是无穷大，但是是非常大的有限值。因此，将有有限的、很小的电流通过测量装置，im0，可做如下推算：由于另有：根据可得,3
9、.4 惠斯登电桥,变位法根据前面得到的如果仍然考虑 Rm 仍然可得电压测量装置可能是模拟电压表、数字电压表或者模数转换器的数据采集电路。如果测量装置输入电阻相对于惠斯登电桥中电阻是非常的大，那么输出测量电压将会非常接近理想情况。,3.5 位移传感器,有两种类型的位移测量方式：绝对位移（两点之间的距离）传感器能够测量相对基准点的运动物体位置（运动物体到基准点的距离），我们称它为绝对位移传感器。校准电位计、绝对光学编码器、线性差动变压器、解析器和电容间隙传感器 增量位移（位置的变化）传感器不能识别运动物体相对基准点的距离，但是能记录从当前位置的变化，我们称它为增量位移传感器。增量光学编码器和激光干
10、涉仪大部分的位置传感器是旋转和平动位移型,3.5.1 电位计,电位计把位置变化（线性或转动）转换为电阻变化，再被转化成比例的电路电压变化。,线性和旋转电位计用于位移测量,3.5.1 电位计,各种形式的电位计结构,3.5.2 线性差动变压器,线性差动变压器（LVDT）工作原理的关键就是转子位置的变化改变了主、副两个绕组之间的电磁耦合（磁链）。转子元件是用高磁导率材料做成。两个绕组之间的感应电压随位置而变化。,3.5.2 线性差动变压器,一个振荡器电路为主绕组，提供激励信号。解调器电路从中去除高频成分，获得感应电压幅值，幅值和磁芯位置等信息。LVDT可以用于高分辨率位置测量（如1/10,000in
11、的分辨率）但是量程相对较小（最高10in.）。主线圈激励频率 50Hz25kHz。传感器的带宽大概是激励频率的1/10。,3.5.3 编码器,编码器根据它们测量的位移类型进行分类旋转位移直线平移编码器是在电机控制应用中使用最广泛的位置传感器，比如有刷直流电机、无刷直流电机、步进电机和感应电机。据估计具有位置传感器的电机控制应用中超过70%使用编码器作为位置传感器。,3.5.3 编码器,线性和旋转编码器的工作原理相同。一种情况有一个旋转码盘，另一种情况是线性标尺。,3.5.3 编码器,编码器具有如下元件：亮暗相间、有着特殊印刷图案的码盘或线性标尺光源（可能是一个有聚焦透镜的发光二极管）两个以上的
12、光电探测器固定遮罩,3.5.3 编码器,编码器主要性能参数分辨率：每个循环的计数数量。对于增量编码器来说就是磁盘或线性标尺上标刻线的数量。最大速度：编码器的最大速度由于电子和机械（轴承）原因需要限制。光电探测器的最大状态变化能力决定了由编码器电子性能。可用编码输出：增量编码器的 A,B,C,输出电子信号类型：TTL，OC开路，差分输出等机械限制：最大径向和轴向负载，尘、液密封，振动和环境的限制。,3.5.4 霍尔效应传感器,霍尔效应（在1879年以霍尔命名）是当有电流通过处在磁场中的半导体和导体材料时，半导体和导体材料会产生感应电压的现象。,3.5.4 霍尔效应传感器,感应电压，电流和磁场强度
13、是一个矢量关系。当一个半导体或导体材料中有电流通过时，将其放置在磁场中，就会在垂直于电流和磁场矢量的方向上产生电压。如果磁场或电流的方向改变，那么感应电压的方向也会改变。感应电压的大小也和材料类型相关。对于导体来说，感应电流很小，但是对半导体而言就很大，这个关系被广泛的用于传感器设计。,3.5.5 电容性间隙传感器,电容性间隙传感器测量传感器正面和目标间距离的非接触传感器。分辨率一般在微米范围，在特殊情形中，能够做成低至几个纳米。量程限制在10mm。电容公式：几个关键参数：相对介电常数，真空介电常数，极板面积S，极板间距d。,3.5.5 电容性间隙传感器,一个特定电容性传感器的频率响应随着传感
14、间隙的距离而不同。（电容初始值的大小）一个给定传感器的带宽随着测量间隙占量程的百分比而不同。测量的间隙距离相对于传感器量程越小，传感器的带宽越大。例如，一个非接触电容性间隙传感器，如果测量的间隙距离在其量程的10%以内，其带宽可以是1000Hz，若还是同样的传感器，当测量间隙距离是其范围的80%时，其带宽约为100Hz。,3.5.6 磁致伸缩位置传感器,磁致伸缩位置传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的。由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。传感器输出
15、为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，无磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。,3.5.6 磁致伸缩位置传感器,磁致伸缩位置传感器的组成永磁体，探头，保护管，磁致伸缩波导管分辨率一般在2um 范围内，量程大约是10.0m。传感器常见带宽是50Hz到200Hz。,3.5.6 磁致伸缩声波位置传感器,测量过程:由传感器探头发出电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和作为位置变化指示的永磁体产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个扭转张力脉冲，这个脉冲信号以固定的应力波传播速度传输，并很快
16、被探头检测到。通过计算传播时间可精确计算永磁体位置。,3.5.7 声波距离传感器,声音是通过空气压力的传递来传播。声音在0干燥空气中的速度通常是331m/s（在20 干燥空气中的速度时343m/s）。声波的两个重要特征是频率和强度。人类耳朵可以听到的频率是从20Hz到20kHz。这个范围以上的频率叫做超声波频率。声波距离传感器通过测量发送超声波脉冲和反射脉冲的时间来测量目标距离。,3.5.7 声波距离传感器,探头发送高频率的超声波脉冲（如200kHz），并且测量发送脉冲和反射脉冲的时间差。知道了声音的速度，传感器中嵌入的数字信号处理器就能够计算目标的距离。,3.5.7 声波距离传感器,超声波距
17、离探头实例,3.5.7 声波距离传感器,超声波距离探头实例,3.5.7 声波距离传感器,超声波距离探头实例,3.5.7 声波距离传感器,超声波距离传感器的性能传感器量程高达20m，小到5cm左右，不适用短距离测量，即小于5cm。传感器的响应频率（距离测量更新率）随测量距离而不同。通常来说，在100Hz左右。显然，声波距离传感器不能用于高带宽的伺服位置应用中，因为它需要1.0毫秒或者更快的位置更新时间。,3.5.8 光电距离和状态传感器,用光作为传导介质测量物体相对参考点距离或位置的传感器统称为光电传感器或光传感器。只提供两个离散输出（开/关）光传感器，叫做光电感测器。,3.5.8 光电距离和状
18、态传感器,传感器发射端发射光束。接收器（光电管）根据接收到的光将输出转换成开或关。将开和关状态分开的光阈值可以通过传感器电路中的运算放大器调节。由于发射光的可调节性，光传感器可以不受外界各种灯光的干扰。,3.5.8 光电距离和状态传感器,传感器带宽很大（约几kHz），且由于光速极大，受测量距离影响不大。它们的几何尺寸也很小，容易安装。,3.6 速度传感器,速度传感器的结构和一个有刷直流电动机的结构相同，只是速度计更小，主要是用于测量，而不是向电马达一样将电能转化为机械能。速度计包含转子绕组，永磁体定子，换向刷。速度计是一个无源模拟传感器，它输出与转速成比例的输出电压。不需要有外部参考电压或励磁电压。,3.7 加速度传感器,加速度传感器，也叫做加速度计。惯性加速度计内部有一个安装在被测量加速度的物体表面上的小型质量-阻尼-弹簧件，惯性传感器的位移与机体的加速度值成比例，机体的加速度频率正好在传感器的固有频率（带宽）之内。压电式加速度计基于压电效应产生的电荷与加速度作用产生的惯性力成比例压电材料产生的电荷与和应变成比例应变和惯性力成比例,3.7 加速度传感器,3.7 加速度传感器,
