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1、第4章机电一体化检测系统 4 1概述4 2位移检测4 3速度 加速度检测4 4力 扭矩和流体压强检测4 5传感器前级信号处理 4 6传感器接口技术4 7传感器非线性补偿处理 思考题 检测技术也称为测试技术 研究的主要内容有被测量的测量 原理 测量方法 测量系统和数据处理四个方面 传感与检测是系统的感受器官 传感器是检测技术的关键元件 检测系统的趋势 1 不断拓展测量范围 努力提高检测精度和可靠性 2 传感器逐渐向集成化 组合式 数字化方向发展 3 重视非接触式检测技术研究 4 检测系统智能化 4 1概述 4 1 1检测系统的组成系统中的检测量有电量和非电量 非电量检测系统的环节 1 把各种非电
2、量信息转换为电信号 这就是传感器的功能 传感器又称为一次仪表 2 对转换后的电信号进行测量 并进行放大 运算 转换 记录 指示 显示等处理 这叫作电信号处理系统 通常被称为二次仪表 图4 1非电量检测系统的结构形式 非电量检测系统的结构形式 4 1 2传感器的概念及基本特性传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的 易于精确处理和测量的某种物理量 如电量 的测量部件或装置 1 传感器的构成 如图示 图4 2传感器的组成框图 1 敏感元件 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置 其输入 输出间具有确定的数学关系 最好为线性 2 转换元件 又称变换器 将非电量转换为
3、电信号的元件 3 基本转换电路 将电信号量转换成便于测量的电量 如电压 电流 频率等 2 传感器的静态特性 1 线性度线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际曲线偏离拟合曲线的程度 通常希望这个特性 曲线 为线性 但实际的输出与输入特性只能接近线性 与理论直线有偏差 如图示 线性度 非线性度误差 式中 L 线性度 非线性误差 max 最大非线性绝对误差 yFS 输出满度值 2 灵敏度传感器在静态标准条件下 输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比称灵敏度 用S0表示 灵敏度是传感器静态特性中的一个重要指标 4 1 3 迟滞传感器在正 反行程中输出 输入特性曲线的不重合程度称为迟滞 迟滞误差
4、一般以满量程输出yFS的百分数表示 式中 Hm 输出值在正 反行程间的最大差值 迟滞特性一般用实验方法确定 4 重复特性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的输出 输入曲线不一致的程度 重复特性误差用满量程输出的百分数表示 即式中 Rm 最大重复性误差 重复特性也由实验方法确定 常用绝对误差表示 5 分辨力传感器能检测到的最小输入增量 6 漂移传感器在外部输入不变时输出随时间变化的现象 7 精确度表示测量结果和被测的 真值 的靠近程度 常以测量误差的相对值表示 3 传感器的动态特性 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 动态特性的表示方法 时域特
5、性 频域特性 图为热电偶的时域动态特性 4 传感器的标定传感器的标定是指利用高等级的标准器具对传感器的特性进行刻度 或者说通过试验建立传感器的输入量输出量之间的关系 1 静态标定 确定静态指标 2 动态标定 确定传感器的动态特性参数 如时间常数 上升时间 工作频率和频宽等 5 传感器的分类 1 工作原理电阻原理 如电位计式传感器 应变式传感器 变磁阻原理 如电感式 电涡流式 差动变压式传感器 半导体原理 热敏 光敏 气敏等固态传感器 2 信号特性模拟式 输出信号为模拟量 以幅值形式表示输入量的大小 如电感式传感器 电容式传感器等 数字式 输出信号为数字量 便于计算机联用 抗干扰性强 如光栅传感
6、器 光电编码器等 输出的脉冲数量多少表示了输入量的大小 3 电源有源式 将非电量转换为电量 也称换能器 只转换本身不提供能量 如压电式 热电式 电磁式等 通常与测量电路 放大电路配合使用 无源式 也称能量控制型传感器 必须有辅助电源 被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用 如电阻式 电感式 电容式 常用于电桥和谐振电路的测量 4 输入量类型 压力 位移 流量 速度 加速度等等 4 1 3信号传输与处理电路 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括 1 传感器输出信号形式 如是模拟信号还是数字信号 是电压还是电流 2 传感器输出电路形式 是单端输出还是差动输出 3 传感器电路的输
7、出能力 是电压还是功率 输出阻抗的大小如何等 4 传感器的特性 如线性度 信噪比 分辨率 信号调理电路类型 阻抗变换 输出阻抗很高时信号放大 输出信号微弱时噪声抑制 信号淹没在噪声中电压 电流转换 需要电流输出时模拟数字转换 需要数字输出 工业过程检测 产品质量检测如汽车出厂检验 4 2位移检测 位移测量包括线位移和角位移 位移传感器有电感式 电容式 感应同步器 光栅式 磁栅式 旋转变压器 光电编码器 其中光栅式和光电编码器为数字式传感器 4 2 1模拟式位移传感器电感式传感器是一种非接触式检测接近测量的传感器 电感式位移传感器基于电磁感应原理 将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器
8、特点 输出功率大 灵敏度高 稳定性好 分类 自感式 互感式 电涡流式 图4 6可变磁阻式电感传感器 1 可变磁阻式电感传感器 结构如图示 它主要由线圈 铁心和活动衔铁组成 当线圈通以激磁电流时 其自感L与磁路的总磁阻Rm有关 即 4 5 式中 W 线圈匝数 Rm 总磁阻 如果空气隙 较小 而且不考虑磁路的损失 则总磁阻为 4 6 铁心的磁阻远小于空气隙的磁阻 则 4 7 将式 4 7 代入式 4 5 得若A0不变 则L是 的单值函数 构成变气隙式电感传感器 若 不变 使A0随被测量变化 则构成变截面式电感传感器 4 8 当A0固定不变而改变 时 L与 成非线性关系 此时传感器的灵敏度为 传感器
9、的灵敏度与空气隙的平方成反比 愈小 灵敏度愈高 S不是常数 所以会出现非线性误差 例如 设间隙变化范围为 0 0 则灵敏度当 0时 灵敏度趋于常数 常用于较小位移测量 4 9 图4 7可变磁阻差动式传感器 差动型磁阻式传感器 由两个相同的线圈 铁心及活动衔铁组成 当活动衔铁接于中间位置 位移为零 时 两线圈的自感L相等 输出为零 当衔铁有位移 时 两个线圈的间隙为 0 0 这表明一个线圈的自感增加 而另一个线圈的自感减小 特点 线性好 灵敏度高 可实现温度 频度的补偿 图4 8可变磁阻面积型电感传感器 可变磁阻面积型传感器固定 当改变气隙导磁截面积A0时 自感L与A0呈线性关系 特点 结构简单
10、 线性度好 但灵敏度较差 单螺管线圈型电感式传感器在螺管线圈中插入一个活动衔铁 当活动衔铁在线圈中运动时 磁阻变化导致线圈自感L的变化 特点 结构简单 制造容易 但是其灵敏度较低 适合于测量比较大的位移量 如果采用双螺管线圈差动型 较单螺管线圈型有较高的灵敏度和线性 常用于电感测微仪上 最小分辨力可达0 5 差动式与单线圈电感式传感器比较 1 线性好 2 灵敏度提供啊一倍 即衔铁移动距离相同时 差动式输出信号大一倍 3 温度变化 电源波动 外界干扰的影响小 4 电磁吸力对测力变化的影响也能相互抵消三种类型比较 气隙型灵敏度高 线性度差 所以示值范围小 行程小 截面型灵敏度低 但是线性好 所以示
11、值范围大 螺线管的灵敏度更低 但是示值范围大 线性较好 2 涡流式传感器 涡流效应 金属导体在变化的磁场中其内部会产生感应电流 金属板置于一只线圈的附近 相互的间距为 当线圈输入一交变电流i0时 便产生交变磁通量 金属板在此交变磁场中会产生闭合的感应电流i 称之为 涡电流 或 涡流 涡流的大小与金属板的电阻率 磁导率 厚度h 金属板与线圈的距离 激励电流角频率 等参数有关 改变其中一参数 固定其他参数 就可根据涡流的变化测量该参数 图4 10高频反射式涡流传感器 1 高频反射式涡流传感器图示 高频 1MHz 激励电流i0产生的高频磁场作用于金属板的表面 由于集肤效应 在金属板表面将形成涡电流
12、该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈 引起线圈自感L或阻抗ZL的变化 集肤效应 当交变电流通过导体时 电流将趋于导体表面流过的现象 也称趋肤效应或表皮效应 频率越高 集肤效应越明显 2 低频透射式涡流传感器发射线圈W1和接收线圈W2分别置于被测金属板材料G的上 下方 低频磁场集肤效应小 渗透深 有能量损失 金属板材料G越厚损耗的能量越大 输出电动势u2越小 即u2的大小与G的厚度及材料的性质有关 当用此测量厚度时 激励电流频率不能太高 否则渗透过小 不利于测量 涡流传感器特点 结构简单 容易进行非电量测量 灵敏度高 应用范围广 可测位移 振动 厚度等等 3 互感型差动变压器式电感传感器互感型电感
13、传感器是利用互感系数M的变化来反映被测量的变化 与变压器的工作原理相似 初级线圈输入稳定交流电时 次级线圈输出的电压随被测量的变化而变化 也常称为变压器式传感器 互感系数M的大小与两个线圈相对位置及周围介质的导磁能力等有关 表明了两线圈间的耦合程度 常采用差动式 图4 12差动变压器式电感传感器 a b 工作原理 c 输出特性 差动变压器式传感器主要由线圈 铁心和活动衔铁三部分组成 初 次级线圈的耦合程度随衔铁的移动而变化 即线圈件的互感随被测量位移变化 注意 1 输出的电压是交流电压 用交流表指示时只反应铁心位移的大小不能反应移动的极性 2 交流电压输出存在一定的零点残余电压 图示为用于小位
14、移的差动相敏检波电路的工作原理 图4 13差动相敏检波电路的工作原理 特点 精度高 0 1um 线性变化范围大 稳定性好 4 2 2数字式位移传感器数字式位移传感器有光栅 磁栅 感应同步器等 其特点是利用自身的物理特征 使输出信号为脉冲信号 每一个脉冲代表输入的位移当量 对脉冲计数则可计算出位移 1 光栅传感器光栅传感器是利用莫尔条纹效应实现被测量的测量 测量精度高 分辨率高 广泛用于静态测量和自动化领域中 光栅在一块长条形光学玻璃上均居刻上许多宽度相等的刻线 形成透光与不透光相间排列的光学器件 分类 1 用途 物理光栅和计量光栅 物理光栅是利用光的衍射原理 主要用于光谱分析 光波长的测量 计
15、量光栅利用光的莫尔现象实现位移 速度 振动等测量 2 光的走向 反射光栅和透射光栅 所用材料分别为玻璃和金属 不锈钢 3 形状 长光栅 圆光栅 光栅传感器测量系统 结构组成 光源 透镜 光栅副 光电元件 光栅副包括标尺光栅和指示光栅 工作原理 莫尔条纹现象 莫尔条纹 标尺光栅和指示光栅的密度相同 但是长度相差很多 当它们沿刻线成一个很小的角度 叠合在一起 由于遮光效应 在光栅上出现明暗相间的条纹 沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列 这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹 图4 16莫尔条纹示意 莫尔条纹的特点 位移放大作用 用W表示条纹宽度 P表示栅距 表示光栅条纹间的夹角 则有例 若P 0 01mm
16、 把莫尔条纹的宽度调成10mm 则放大倍数相当于1000倍 即利用光的干涉现象把光栅间距放大1000倍 大大减轻了电子线路的负担 4 10 图4 17光栅测量系统 光栅测量系统的基本构成如图示 图中a b c d是四块光电池 即在一个莫尔条纹间距间安装四个光电元件 光电转换 当两块光栅作相对位移时 光电池上的光强度随莫尔条纹移动而变化 则光电池的输出信号也变化 辨向 a b c d在同一个莫尔条纹间距间 则产生的信号相位彼此差900 经处理可辨别位移方向 2 同步感应器感应同步器是利用电磁感应原理将位移量转换为数字量的高精度检测元件 以脉冲形式输出 工作原理 两个平面形印刷电路绕组的互感随两者的相对位移变化 分类 直线型 圆盘型特点 较高的分辨率和测量精度 可靠性好 抗干扰性强 图4 18感应同步器原理图 1 直线同步感应器组成 定尺 滑尺 其上均有均匀节距的绕组 滑尺上有两个绕组 即正弦绕组和余弦绕组 当余弦绕组与定子绕组相位相同时 正弦绕组与定子绕组错开1 4节距 2 圆盘式感应同步器组成 定子 转子 分别相当于定尺和滑尺 其转子相当于直线感应同步器的滑尺 定子相当于定尺 而且定子