機電系統檢測與控制MeasurementandControlinMechatronicsSystem

第四章傳感器與檢測系統本章的學習內容：4.1傳感器的分類及特性4.2位移傳感器4.3速度傳感器4.4加速度傳感器4.5力、壓力和扭矩傳感器4.6位置傳感器4.7檢測信號的采集與處理一、機械量傳感器分類傳感器通常是非電物理量轉換為與之有確定對應關系的電量輸出的器件或裝置。

4.1傳感器的分類及特性按被測物理量分為：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感、力傳感器、力矩傳感器等。壓力傳感器扭矩傳感器角位移傳感器位移傳感器一、機械量傳感器分類光柵位移傳感器按傳感器工作的物理原理分為：電阻式、電感式、電容式、光電式、超聲波式等等。壓電式加速度傳感器激光位移傳感器光纖式位移傳感器超聲波位移傳感器傳感器電感式位移傳感器一、機械量傳感器分類1、靜態響應特性當被測量的數值處在穩定狀態時，傳感器的輸出－輸入特性。包括：非線性度、遲滯、靈敏度、精度、分辨力、測量范圍、死區。非線性度遲滯靈敏度二、傳感器的特性1、靜態響應特性當被測量的數值處在穩定狀態時，傳感器的輸出－輸入特性。包括：非線性度、遲滯、靈敏度、精度、分辨力、測量范圍、死區。二、傳感器的特性4.精度傳感器的精度是指測量結果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映。工程技術中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級的概念。精度等級以一系列標準百分比數值分檔表示，代表傳感器測量的最大允許誤差，即相對誤差。5.分辨力傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。1、靜態響應特性當被測量的數值處在穩定狀態時，傳感器的輸出－輸入特性。包括：非線性度、遲滯、靈敏度、精度、分辨力、測量范圍、死區。二、傳感器的特性6測量范圍傳感器所能測量到的最小輸入量

與最大輸入量

之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。7.量程傳感器測量范圍的上限值

與下限值

的代數差

-稱為量程。8.零漂傳感器在零輸入狀態下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。2、動態特性動態特性反映了被測量快速變化的性能，可以利用系統的傳遞函數、頻率響應來描述。調整時間峰值時間最大超調量振蕩次數延遲時間Ts上升時間Tr1）時域指標二、傳感器的特性2）頻域指標可以用幅頻特性和相頻特性描述二、傳感器的特性二階系統的脈沖輸入和響應

二階系統的階躍輸入和響應

兩種典型的輸入響應：二、傳感器的特性一、電感式位移傳感器電感式傳感器是基于電磁感應原理，將被測物理量轉換為電感量的變化。

4.2位移傳感器分類:電感式傳感器自感型可變磁阻氣隙型渦流式互感型可變磁阻面積型可變磁阻螺線管型自感L可表示為：靈敏度：1）可變磁阻式氣隙型電感傳感器1、自感型電感式傳感器如果將δ固定，變化空氣隙導磁截面積S0時，自感L與S0呈線性關系可變磁阻式傳感器的典型結構：可變導磁面積型、可變氣隙差動型、單螺管線圈型。1、自感型電感式傳感器當銜鐵向上移動時，兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2

靈敏度k為可變磁阻式傳感器的典型結構：可變導磁面積型、可變氣隙差動型、單螺管線圈型。1、自感型電感式傳感器

螺線管型自感傳感器——如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當銜鐵上下移動時，自感量將相應變化，就構成了螺線管型自感傳感器。差動變壓器式電感傳感器：傳感器由線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分組成。當初級線圈輸入交流激勵電壓時，次級線圈將產生感應電動勢e1和e2。傳感器的輸出電壓為兩者之差，即ey=e1-e2。ev的大小隨活動銜鐵的位置而變。當活動銜鐵位置居中時，e1=e2，ey=0；當活動銜鐵向上移時，即e1>e2，ey>0;當活動銜鐵向下移時，e1<e2，ey<0。活動銜鐵的位置往復變化，其輸出電壓也隨之變化。2、互感型電感式傳感器2、互感型電感式傳感器優點：差動變壓器式電感位移傳感器測量精度高，分辨力可達0.1μm,線性范圍大，有的能達到250mm,穩定性好，使用方便。這種傳感器廣泛用于直線位移、角位移以及可轉換成位移的其他機械量，如壓力、重量、膨脹等。1）自感型電渦流式電感傳感器高頻反射式渦流傳感器：高頻(>1MHz)激勵電流，產生的高頻磁場作用于金屬板的表面，在金屬板表面將形成渦電流。若只改變距離δ而保持其他系數不變，則可將位移的變化轉換為線圈自感的變化。3、電渦流式傳感器低頻透射式渦流傳感器：發射線圈ω1和接收線圈ω2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。當低頻(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，所產生磁力線的一部分透過金屬板材料G，使線圈ω2產生感應電動勢e2，且e2隨材料厚度h的增加按負指數規律減少。3、電渦流式傳感器2）互感型電渦流式電感傳感器二、電容式位移傳感器電容式傳感器是將被測物理量的位移轉換為電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉換為電信號輸出。

式中：ε0——真空的介電常數；

s——極板的遮蓋面積；ε——極板間相對介電系數；δ——兩平行極板間的距離。1、極距變化型電容式傳感器如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質不變，當兩極板在被測參數作用下發生位移，引起電容量的變化為：傳感器的靈敏度為：二、電容式位移傳感器2、面積變化型電容式傳感器動板與定板之間相互覆蓋的面積引起電容量變化。當覆蓋面積對應的中心角為a、極板半徑為r時，覆蓋面積為：電容量為：其靈敏度為：二、電容式位移傳感器3、介質變化型電容式傳感器的變換原理這種傳感器大多用于測量電介質的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)，還可根據極板間介質的介電常數隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖d)等。二、電容式位移傳感器4、電容式傳感器的測量電路

電容傳感器為電橋的一部分。由電容變化轉換為電橋的電壓輸出，經放大、相敏檢波、濾波后，再推動顯示、記錄儀器。1）電橋電路二、電容式位移傳感器電容傳感器的電容作為諧振回路調諧電容的一部分。諧振回路通過電感藕合，從穩定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當傳感器電容發生變化時，諧振回路的阻抗將發生相應的變化，而這個變化被轉換為電壓或電流，再經過放大、檢波即可得到相應的輸出。2）諧振電路二、電容式位移傳感器3）運算放大器電路

前面已經敘述到，變極距型電容式傳感器的極距變化與電容變化量成非線性關系。這一缺點使電容式傳感器的應用受到了一定的限制。采用比例運算放大器電路，可以使輸出電壓約與位移的關系轉換為線性關系。如圖所示，反饋回路中的Cx為極距變化型電容式傳感器的輸入電路，采用固定電容C0，u0為穩定的工作電壓。由于放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運算關系為二、電容式位移傳感器作業１.簡述電容式位移傳感器的工作原理，對其靈敏度分析并據此說明應用條件。二、電容式位移傳感器1變阻器式傳感器（1）工作原理R三、電阻式傳感器檢測直線位移或回轉位移使用較多的是電位差計。在直線型中，行程可從lcm到25cm左右。在回轉型中有一轉與多轉之別，多轉型精度容易做得很高。

(2)變阻器式傳感器的性能參數:

1)線性(或曲線的一致性);4)移動或旋轉角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數;3)整個電阻值的偏差;6)壽命;(3)變阻器式傳感器的分類:變阻器按電阻元件分單圈電位器直線滑動式電位器多圈電位器混合式電位器導電塑料電位器金屬陶瓷電位器線繞電位器按電位器結構分三、電阻式傳感器(4)變阻器式傳感器的特點：電阻器制作特點繞線式直徑0.012-0.1mm的鎳鉻合金的精密電阻絲繞在絕緣的薄膜銅絲或絕緣的膠木板等卷心上而制作電阻溫度系數非常好，為±(5－20)×10-6/℃；精度、穩定性、重復性比薄膜式好；分辨力低于薄膜式金屬陶瓷式電阻膠印在陶瓷基板上，并用高溫燒制而成分辨力高，環境適應性強，電阻溫度系數為±200×10-6/℃左右導電-塑料式將基板的樹脂與電阻膜制成一體，或將電阻膠涂于薄膜基片上分辨力高，壽命長，線響應特性好，電阻溫度系數為±400×10-6/℃混合式導電型樹脂涂于線繞式電阻元件上兼有繞線式、導電－塑料式的優點，電阻溫度系數為±150×10-6/℃三、電阻式傳感器四、光柵數字傳感器

光柵數字傳感器的外形1、光柵的構造光柵是在透明的玻璃上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地刻化出許多間隔相等的條紋，通常線條和間隙的寬度是相等的。四、光柵數字傳感器

2、光柵工作原理把指示光柵平行地放在標尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一個很小的角度，這時在指示光柵上就出現幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條紋。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列。四、光柵數字傳感器

四、光柵數字傳感器

2、光柵工作原理把指示光柵平行地放在標尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一個很小的角度，這時在指示光柵上就出現幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條紋。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列。四、光柵數字傳感器

2、光柵工作原理把指示光柵平行地放在標尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一個很小的角度，這時在指示光柵上就出現幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條紋。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列。四、光柵數字傳感器

2、光柵工作原理莫爾條紋具有如下特點：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距B

2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。3、測量系統光柵移動時產生的莫爾條紋明暗信號可用光電元件接受，通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。

四、光柵數字傳感器

3、測量系統光柵移動時產生的莫爾條紋明暗信號可用光電元件接受，如圖中的是四塊光電池，光電池產生的信號，相位彼此差90o，將此電壓信號放大、整形變換為方波，經微分轉換為脈沖信號，再經辨向電路和可逆計數器計數，則可用數字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。四、光柵數字傳感器

1.感應同步器結構五、感應同步器1.感應同步器結構五、感應同步器sincos節距2τ（2mm）節距τ（0.5mm）滑尺定尺1.感應同步器結構五、感應同步器

包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節距T(一般為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是連續的，滑尺上分布著兩個勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節距。滑尺和定尺相對平行安裝，其間保持一定間隙（0.05~0.2mm）。2.感應同步器的工作原理五、感應同步器

在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為2~10kHz）的交變電流時，定尺繞組感應出頻率為f的感應電動勢。感應電動勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關。

2.感應同步器的工作原理五、感應同步器

設正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動距離為x，節距為T，則正弦繞組單獨供電時，在定尺上感應電勢為2.感應同步器的工作原理五、感應同步器余弦繞組單獨供電所產生的感應電勢為

由于感應同步器的磁路系統可視為線性，可進行線性疊加，所以定尺上總的感應電勢為3.測量方法根據對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出電壓檢測方式的不同，感應同步器的測量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。五、感應同步器(1)鑒相式工作法滑尺的兩個勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個電壓，設則從上式可以看出，只要測得相角，就可以知道滑尺的相對位移x：五、感應同步器2.鑒幅工作法在滑尺的兩個勵磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個交流電壓：則：

由上式知，感應電勢的幅值隨著滑尺的移動作正弦變化。因此，可以通過測量感應電動勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。五、感應同步器六、光電編碼器編碼器是將機械傳動的模擬量轉換成旋轉角度的數字信號，進行角位移檢測的傳感器。編碼器的種類很多，根據檢測原理，它可分為電磁式、電刷式、電磁感應式及光電式等。光電編碼器根據其刻度方法及信號輸出形式，分為增量式編碼器和絕對式編碼器。六、光電編碼器1、增量式光電編碼器在碼盤上有A相、B相和Z相三相光柵，其中A相與B相的相位差為90°，Z相只有一條光柵。六、光電編碼器1、增量式光電編碼器增量式光電編碼盤構成的角度—數字轉換系統，包括增量式光電編碼盤、光源、光敏轉換元件以及放大、整形、辨向和計數等后續處理電路。六、光電編碼器1、增量式光電編碼器六、光電編碼器

測量角位移時，單位脈沖對應的角度為式中，m為光柵的條數，m越大，則碼盤的測量精度越高。若計數器得到的脈沖數為N，則角位移的大小為：

Z相在碼盤旋轉一周只送出一個脈沖信號，且脈沖較寬，因此常作為計數器歸零（回原點）信號或作為整圈計數信號，從而提高測量的可靠性與精度。六、光電編碼器2、絕對式光電編碼器絕對式光電編碼盤直接輸出碼盤上的編碼，從而檢測絕對位置。絕對式光電編碼盤由內向外由多個碼道組成，碼道的條數就是數碼的位數，由內至外構成一個編碼。4位格雷碼的碼盤示意圖:黑色部分為不透光區域，輸出二進制碼“1”；白色部分為透光區域，輸出二進制碼“0”。

(a)4位二進制絕對式編碼器的編碼盤(b)4位格雷碼盤示意圖

六、光電編碼器作業：１.增量式與絕對式圓光柵編碼器各有何特點？增量式圓光柵編碼器如何辨別轉動方向？２．簡述摩爾條紋的特點及其應用。

4.3速度傳感器4.3速度傳感器一、直流測速發電機用于自動控制中測量轉速或速度負反饋校正元件。分為永磁式和電磁式，常用的是永磁式。測速發電機的輸出電壓：測速發電機的輸出特性：4.3速度傳感器二、碼盤式轉速轉感器4.3速度傳感器4.4加速度傳感器

一、電阻應變式電阻應變式加速度計原理結構如圖所示。它由重塊、懸臂梁、應變片和阻尼液體等構成。當有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應變片之變形便可測出力的大小，在已知質量的情況下即可算出被測加速度。

一、電阻應變式金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形（伸長或縮短）的變化而發生變化的現象。金屬絲式電阻應變片金屬絲式電阻應變片外形1）工作原理金屬應變片的電阻R為縱向應變泊松比彈性模量壓阻系數一、電阻應變式2）金屬應變片應變計金屬應變片有：絲式、箔式優點：穩定性和溫度特性好缺點：靈敏度系數小一、電阻應變式3）半導體應變片應變計優點：應變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應變電阻的元件.缺點：溫度穩定性和可重復性不如金屬應變片.一、電阻應變式4）應用案例1：橋梁固有頻率測量原理在橋中設置一三角形障礙物，利用汽車過障礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應變片測量橋梁動態變形，得到橋梁固有頻率。一、電阻應變式案例2：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。一、電阻應變式(1)直流電橋5)信號放大電路

平衡條件一、電阻應變式直流電橋的連接方式a)半橋單臂 b)半橋雙臂 c)全橋(a)半橋單臂(b)半橋雙臂(c)全橋一、電阻應變式直流電橋平衡條件優點：所需的高穩定直流電源較易獲得；電橋輸出電壓是直流，可以用直流儀表測量；對從傳感器到測量儀表的連接導線要求較低，電橋的平衡電路簡單。缺點：直流放大器比較復雜，易受零漂和接地電位的影響。一、電阻應變式2）交流電橋●平衡條件交流電橋的平衡問題較直流復雜得多，對于交流電橋，除了進行電阻平衡外，還要進行電抗平衡。交流電橋對于供橋電源要求也較高，必須具有良好的電壓波形和頻率穩定度。一、電阻應變式將傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，慣性質量塊產生慣性力，使壓電元件產生變形，壓電元件產生的變形和由此產生的電荷與加速度成正比。

二、壓電式4.5、力、壓力和扭矩傳感器

一、工作原理首先由彈性元件將力、力矩、壓力等被測量轉換成位移或應變，然后再通過轉換元件將相應的位移或應變轉換成電信號輸出。二、彈性元件應變式力傳感器的測量范圍很大，可以從5N～10MN以上，測量精度可以達到0.03%～2%。鉸鏈彎曲式彈性元件梁式彈性元件受徑向載荷二、彈性元件電阻應變轉矩傳感器。它的彈性元件是一個與被測轉矩的軸相連的轉軸,轉軸上貼有與軸線成45°的應變片,應變片兩兩相互垂直,并接成全橋工作的電路方式。三、轉矩傳感器三、轉矩傳感器4.6位置傳感器一、分類

位置傳感器和位移傳感器不一樣，它所測量的不是一段距離的變化量，而是通過檢測，確定是否已到某一位置。位置傳感器分為接觸式和非接觸式兩種。所謂接觸式傳感器就是能獲取兩個物體是否已接觸信息的一種傳感器。二、接觸式位置傳感器

而非接觸式（接近式）傳感器是用來判別在某一范圍內是否有某一物體的一種傳感器。

三、非接觸式位置傳感器作業：１.位置傳感器可分為接觸式和非接觸式兩類，簡述常見的三種非接觸式位置傳感器的類型、原理、特點及應用場合。２.電感式、電容式、光電式、霍爾式等非接觸式位置傳感器的主要特點是什么？接觸式位置傳感器與其相比有何特點？

３.試分析說明電阻電橋有何優點。分析半橋單臂、半橋雙臂、全橋電路中電阻變化轉換為電橋的電壓輸出的靈敏度。

三、非接觸式位置傳感器4.7檢測信號的采集與處理4.7.1傳感信號的采樣/保持1、數字信號處理的步驟數字信號處理的基本步驟如圖所示4.7.2數字信號的采集與處理2、數字信號處理方法通過A/D轉換得到的數字信號，可以利用計算機進行各種各樣的處理。除此之外，還有數字濾波、快速傅立葉變換（FastFourierTransform,FFT）等。（1）算術平均值法平均值濾波法是對信號Y的m次測量值進行算術平均，作