机电一体化第四章.

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1、第四章 微机控制系统的选择及接口设计 第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡 第二节 微机控制系统的设计思路 第三节 微机控制系统的构成与种类 第四节 微机控制系统的软件与程序设计语言 第五节 微机应用领域及其选用要点 第六节 8086/8088CPU的硬件结构特点 第七节 Z80CPU的硬件结构特点、存储器及输入输出扩展接口 第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路 第十节 微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例 第十二节 常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口 习题与思考题 常用检测传感器

2、的性能特点、选用 及其微机接口 检测传感器的分类和基本要求 各类传感器的主要性能及优缺点 传感器的选用原则及注意事项 传感器的测量电路 传感器的微机接口 检测与传感器 概述 线位移检测传感器 角位移检测传感器 速度、加速度传感器 测力传感器 传感器的正确选择和使用 检测信号的采集与处理 概述 一、定义及分类： 1、定义：传感器是将力、温度、位移、速度等量 转换成电信号的元件。“传感器技术是机电一体化的 第一基础” 2、分类 按能量变换的功能分： 按输出的信号分： 物理传感器物理传感器 化学传感器化学传感器 计数型（二次型计数型（二次型+ +计数型）计数型） 电压，电流型（热电偶电压，电流型（热

3、电偶, ,CdsCds电池）电池） 电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容） 有接点型有接点型( (微动开关，接触开关，微动开关，接触开关， 行程开关行程开关) ) 传感器传感器 电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片） 非电量型非电量型 二值型二值型 电量电量 无接点型无接点型( (光电开关，接近开关光电开关，接近开关) ) 模拟型模拟型 数字型数字型 代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺） 二、传感器的基本特性 1. 传感器的静特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态 下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静 态特性的主要技术指标有：线性度、

4、灵敏度、迟滞 和重复性等。 (1).线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出输入特 性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之 比，即 二、传感器的基本特性 (2).(2).灵敏度灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下， 输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即 (3).(3).迟滞迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行 程中，输出程中，输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞输入特性曲线不重合的程度称为迟滞 ，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，迟滞误差

5、一般以满量程输出的百分数表示 二、传感器的基本特性 (4).(4).重复性重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全 量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲线的输入曲线的 不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的 百分数表示，即百分数表示，即 近似计算近似计算 精确计算精确计算 二、传感器的基本特性 5.5.分辨力分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入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。零点附近的分辨力称为阈

6、值。 6.6.零漂零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂， 零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。 2. 传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示 。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输 入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通 过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特 性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频 率响应范围、临界频率等。 二、传感器的基本特性 1. 新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律 ，由此启发人们进一步发现新现象、采用

7、新原理、开 发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理的 新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成 本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器正经历 着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。 三、传感器的发展方向 2. 传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等 方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感 器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、面 型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感元件 集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器 ；或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成 一体具有多种功能实现了横向和纵向的多功能 。 三、传感器的发展方向 3. 传

8、感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的智 能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能 ，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊 断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器与 计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智能 传感器。 三、传感器的发展方向 线位移检测传感器 一、光栅位移传感器 二、感应同步器 三、磁栅位移传感器 一、光栅位移传感器 1 1、光栅的构造：、光栅的构造： 2、工作原理 一、光栅位移传感器 把两块栅距把两块栅距WW相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间 有较小的夹角有较小的夹角 时，这时光栅上会出现若干条明暗相

9、间的条纹时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹 ，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方 向排列，如图所示。向排列，如图所示。 莫尔条纹具有如下特点： 1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。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 2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B 与两光栅条纹夹角之间关系为 3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。 一、光栅位移传感器 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强 的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所 示。 一、光栅位移传感器 其电压为：其电压为： 将此电压信号放大、整形

10、变换为方波， 经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可 逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移 量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨 率等于栅距。 一、光栅位移传感器 1.感应同步器结构 二、感应同步器 sinsin coscos 节距节距22（ 2mm2mm） 节距节距 （ 0.5mm0.5mm） 绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔 铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板( (钢、铜钢、铜) ) 滑尺滑尺 定尺定尺 包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方 法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的方齿形 线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁 绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦

11、绕组 与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开 1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定 间隙（0.050.2mm）。 二、感应同步器 2.感应同步器的工作原理 在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为 210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f 的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的 相对位置有关。 设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压 为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单独供 电时，在定尺上感应电势为 二、感应同步器 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 二、感应同步器 由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行

12、线 性叠加，所以定尺上总的感应电势为性叠加，所以定尺上总的感应电势为 式中 ： K定尺与滑尺之间的耦合系数； 定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角 度） T节距，表示直线感应同步器的周期，标准式 直线感应同步器的节距为2mm。 利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行 位置检测。 二、感应同步器 3. 测量方法 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出 电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴 相式和鉴幅式两种工作法。 二、感应同步器 (1)鉴相式工作法 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同 幅值，但相位相差90o的两个电压，设 二、感应同步器 则则 从上式可以看出，只要测得相角，就

13、可以知道滑尺从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺 的相对位移的相对位移x x： 二、感应同步器 2.鉴幅工作法 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和 相同相位，但幅值不等的两个交流电压： 则：则： 由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦 变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定 尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。 1.磁栅式位移传感器的结构 三、磁栅位移传感器 11磁性膜磁性膜 22基体基体 33磁尺磁尺 44磁头磁头 55铁芯铁芯 66励磁励磁 绕组绕组 77拾

14、磁绕组拾磁绕组 2.原理： 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为 励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励 磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为 ： 三、磁栅位移传感器 UU 0 0 输出电压系数；输出电压系数； 磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距； 磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移； 励磁电压的角频率。励磁电压的角频率。 式中：式中： 在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向 3.测量方式 (1)鉴幅测量方式 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤 掉后则得到相位差为/2的两组信号 两组磁头

15、相对于磁尺每移动一个节距发出一个 正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。 这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁 节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的 信频电路，所以不常采用。 三、磁栅位移传感器 2.鉴相测量方式 将一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出电压 为 在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为 三、磁栅位移传感器 则合成输出电压则合成输出电压UU的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺 的相对位置的相对位置 变化而变。读出输出信号的相位，就可确变化而变。读出输出信号的相位，就可确 定磁头的位置。定磁头的位置。 角位移检测传感器 一、旋转变压器 二、光电编码器 1. 结构如图所示 旋转变压器一般做 成两极电机的形式。 在定子上有激磁绕组 和辅助绕组，它们的 轴线相互成90。在 转子上有两个输出绕组 正弦输出绕组和余弦输出绕组， 这两个绕组的轴线也互成90，一般将 其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。 一、旋转变压器 2. 原理 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相 似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常 为400Hz、500Hz