機(jī)電系統(tǒng)及其控制授課教師：趙建文所在單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）船舶與海洋工程學(xué)院

機(jī)械工程系第二章檢測系統(tǒng)設(shè)計檢測系統(tǒng)的組成傳感器的分類傳感器的性能指標(biāo)常用傳感器的工作原理傳感器選型信號采集處理電路及數(shù)據(jù)處理§2-1檢測系統(tǒng)的組成一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號采集處理電路三部分組成。

敏感元件：直接感受被測量、并輸出與被測量成確定關(guān)系的某

一物理量的元件。

轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時敏感元

件和轉(zhuǎn)換元件的功能由同一個元件（敏感元件）實(shí)現(xiàn)。

采集處理電路：將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號放大、濾波、A/D變換。敏感元件采集處理電路轉(zhuǎn)換元件被測量控制器可識別的電信號中間量傳感器：通常把敏感元件和轉(zhuǎn)換元件（有時也包括信號處理電路）

集成后的產(chǎn)品稱為傳感器。

電信號1．按物理原理分類

⑴電路參量式傳感器。包括電阻式、電感式、電容式等三個基本型式。

⑵磁電式傳感器。包括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等

⑶壓電式傳感器。

⑷光電式傳感器。包括光柵式、激光式、光電碼盤式、光電效應(yīng)式、紅外式等。⑸氣電式傳感器。

⑹熱電式傳感器。

⑺波式傳感器。包括超聲波式、微波式等。§2-2

傳感器的分類2．按用途分類

按照傳感器的用途來分類，可分為：位移傳感器：光電編碼器、光柵、陀螺儀、傾角傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器速度傳感器：雷達(dá)測速、直流測速發(fā)電機(jī)加速度傳感器：加速度計壓力傳感器：應(yīng)變片振動傳感器：壓電陶瓷溫度傳感器：熱敏電阻（半導(dǎo)體材料）嗅覺傳感器：氣敏電阻（半導(dǎo)體材料）視覺傳感器：通過CCD將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號2.2傳感器的分類

（1）線性度。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下,利用一定等級的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,對傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測試,得到的輸入/輸出特性（列表或畫曲線）。通常希望這個特性（曲線）為線性,這對標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來方便。但實(shí)際的輸出與輸入特性只能接近線性,與理論直線有偏差,如圖所示。

傳感器的線性度示意圖

§2-3衡量傳感器性能的指標(biāo)

式中：

:線性度(非線性誤差)；

:最大非線性絕對誤差；

:輸出滿度值。

2.3衡量傳感器性能的指標(biāo)對于線性傳感器來說,它的靈敏度S0是個常數(shù)。（2）

靈敏度。傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下,輸出變化對輸入變化的比值稱為靈敏度,用S0表示,即（3）精度。測量結(jié)果和被測的“真值”的靠近程度。（4）分辨力。傳感器能夠感受到的被測量的最小變化。

（5）漂移。在輸入量不變的情況下，由于傳感器內(nèi)部因素或在外界干擾的情況下,傳感器的輸出發(fā)生的變化稱為漂移。xySDD==輸入量的變化量輸出量的變化量02.3衡量傳感器性能的指標(biāo)傳感器的遲滯特性

yFSDHm0xFSyx式中:輸出值在正、反行程間的最大差值。（6）遲滯。傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度稱為遲滯,遲滯誤差一般以滿量程輸出yFS的百分?jǐn)?shù)表示：

傳感器的重復(fù)特性

式中:（7）重復(fù)性。傳感器在同一條件下,被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測量時,所得的輸出/輸入曲線不一致的程度,稱為重復(fù)特性,如圖所示。重復(fù)特性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即yFS0xFSxDRm1yDRm2：任意兩條同向變化

曲線間的最大誤差2.3衡量傳感器性能的指標(biāo)傳感器的動態(tài)特性：傳感器測量動態(tài)信號時,輸出對輸入的響應(yīng)特性。信噪比，頻響2.3衡量傳感器性能的指標(biāo)傳感器的動態(tài)特性：傳感器測量動態(tài)信號時,輸出對輸入的響應(yīng)特性。信噪比，頻響信噪比（

signal-to-noiseratio）:狹義來講是指待測信號產(chǎn)生的輸出電壓與噪聲信號產(chǎn)生的輸出電壓之比，常常用分貝數(shù)表示，信噪比越高表明輸出信號所含的噪聲越少。頻響（

FrequencyResponse）:用來描述傳感器對于不同頻率的信號的檢測能力。轉(zhuǎn)軸碼盤及狹縫光敏元件指示光柵及A、B狹縫光源及透鏡AI零位標(biāo)志一、光電編碼器工作原理位移傳感器§2-4常用傳感器的工作原理及應(yīng)用B為什么要設(shè)置AB兩條狹縫？AB狹縫距離與碼盤上的狹縫距離之間需滿足什么條件？

光電編碼器的指示光柵上有A組與B組兩組狹縫，彼此錯開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90相位，用于辨向。☆根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移；☆根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速；2.4.1光電編碼器根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向。為增強(qiáng)抗干擾能力，可以選擇具有AB相信號差動輸出形式的編碼器。

碼盤里圈，還有一根狹縫I，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉(zhuǎn)信號”或零標(biāo)志脈沖，作為測量的起始基準(zhǔn)。

I相（Z相）的作用☆被測軸的周向定位基準(zhǔn)信號；☆被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號I2.4.1光電編碼器編碼器接線：

Vcc、GND

A、B、I

利用編碼器測量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過伺服系統(tǒng)控制其各種運(yùn)行參數(shù)。光電編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用2.4.1光電編碼器交流伺服電機(jī)編碼器光電編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用2.4.1光電編碼器光電編碼器直流伺服電機(jī)光電編碼器的選擇原則一般與伺服電機(jī)配套選擇，廠家將編碼器與電機(jī)裝配好編碼器的測量精度取決于刻線數(shù)若工作環(huán)境中干擾較強(qiáng)，可選擇差動信號輸出（帶有A和B項(xiàng)）的編碼器編碼器的供電電壓能夠方便的提供2.4.1光電編碼器光電編碼器的選擇實(shí)例直流伺服電機(jī)經(jīng)減速箱減速后帶動同步帶輪，同步帶輪帶動同步帶進(jìn)而拖動加樣臂完成直線位移進(jìn)給，已知減速箱的減速比為3：1，同步帶輪節(jié)徑100/3.14mm，要求加樣臂的重復(fù)性位置精度為0.1mm，編碼器的線數(shù)應(yīng)滿足什么條件？2.4.1光電編碼器電機(jī)同步帶輪同步帶連接片滑塊加樣臂減速箱編碼器編碼器選擇實(shí)例F二、光柵透射光柵的結(jié)構(gòu)光柵傳感器是由光源、透鏡、主光柵、指示光柵和光電接收元件組成

主光柵，是測量的基準(zhǔn)，另一塊光柵為指示光柵，在使用長光柵尺的數(shù)控機(jī)床中，主光柵往往固定在床身上不動，而指示光柵隨拖板一起移動。主光柵的尺寸常由測量范圍確定，指示光柵則為一小塊，只要能滿足測量所需的莫爾條紋數(shù)量即可。2.4.2光柵主光柵指示光柵莫爾條紋的產(chǎn)生均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動條紋寬度：

Wω

在直光柵中，若a為刻線寬度，b為縫隙寬度，則ω＝a+b稱為光柵的柵距(也稱光柵常數(shù))。通常a＝b，或a:b＝1.1:0.9。線紋密度一般為每毫米100、200、500和1000線。2.4.2光柵4、莫爾條紋的特性☆放大性：

W=ω/θ，夾角θ很小→W>>ω

→光學(xué)放大→提高靈敏度☆莫爾條紋移動與柵距成比例：

光柵移動一個柵距ω→莫爾條紋沿垂直方向移動一個間距W☆在一個柵距內(nèi)，光電元件所檢測的光強(qiáng)變化為正弦（或余弦）變化。很容易轉(zhuǎn)化為