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1、第二章 机电一体化的单元技术,1,2.3 传感检测技术,一、传感器及其分类 二、传感器的特性 三、传感器的测量电路及其与微机接口,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,2,一、 传感器及其分类,（一）传感器定义： 传感器是一种以一定精度将被测量（如位移、力、加速度等）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。,传感检测,被测量,确定关系、易精确处理和测量的物理量,测量系统的信号调理环节,组成：传感器一般有敏感元件、转换元件和基本转换电路,第二章 机电一体化的单元技术,3,（二）传感器的分类,按被测物理量分 按工作原理分 根据敏感元件与被测对象之间的
2、能量关系分 按信号变换特征分 按传感器转换过程可逆与否分类 按输出信号的形式分,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,4,1、按被测物理量分类,位移、速度、加速度、力、压力、温度、湿度、光度传感器,压力传感器,温度传感器,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,5,工作原理,当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。,光栅,第二章 机电一体化的单元技术,6,莫尔条
3、纹具有如下特点： （1）. 放大作用 用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，0(rad)为光栅线纹之间的夹角，则有,莫尔条纹宽度W与角成反比，0越小，放大倍数越大。,（2）. 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。,标尺光栅,W,指示光栅（斜）,P,第二章 机电一体化的单元技术,7,霍尔传感器,在霍尔元件两端通以控制电流 I，并在其垂直方向施加磁感应强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势U，这种现象称为霍尔效应
4、U=KIB,第二章 机电一体化的单元技术,8,霍尔传感器的应用,（1）两块不同的磁铁中心的磁感应强度为零，放置其中的线性霍尔IC产生偏离某一侧的位移时，霍尔IC的输出电压将与其位移量成正比位移 （2）通过线性霍尔IC感应磁场变化测量交直流电流的变化电流 （3）把磁铁固定在旋转体上，每转一周霍尔IC便输出一个脉冲，计数器测量脉冲数转速 （4）当磁铁靠近霍尔开关IC时，SCR截止；磁铁离开后，SCR导通开关,第二章 机电一体化的单元技术,9,2、按传感器的工作原理分类,机械式、电阻式 、电感式 、磁电式 、压电式 、电容式 、光电式,传感检测,e=W*b*l*v*sina,第二章 机电一体化的单元
5、技术,10,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,11,1能量转换型：能量转换型传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。 2能量控制型：能量控制型传感器是从外部供给辅助能量使其工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化。如电阻式、电容式、电感式、霍尔式等传感器，还有热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等。,3、按传感器转换能量的情况分类,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,12,4、按传感器的变换特征分类,结构型：结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。 物性型：物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。,传感检测,如
6、光电管、各种半导体传感器、压电式传感器等都属于物性型传感器。,如电感式、电容式、光栅式等传感器就是属于结构型传感器。,第二章 机电一体化的单元技术,13,5、按传感器转换过程可逆与否分类,单向:只能将被测量转换为电量，不能反之的传感器称为单向传感器。 双向:能在传感器的输入、输出端作双向传输，即具有可逆特性的传感器称为双向传感器。 包括： 压电式传感器 磁电感应式传感器,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,14,6、按传感器输出信号的形式分,开关型（二值型）。微动开关、光电、接近开关等。 模拟型。传感器输出模拟信号，如电阻式传感器。 数字型。传感器输出数字信号，如编码器式传感器。,第二章
7、机电一体化的单元技术,15,传感检测,应该指出，习惯上常把工作原理和用途结合起来命名传感器。如电感式位移传感器、压电式加速度传感器等。,第二章 机电一体化的单元技术,16,下图是一种气体压力传感器示意图。膜盒2的下半部与壳体1固接,上半部通过连杆与磁心4相连,磁心4置于两个电感线圈3中,后者接入转换电路5。,膜盒2就是敏感元件,其外部与大气压pa相通，内部感受被测压力p,当p变化时,引起膜盒上半部移动,即输出相应的位移量。 电感线圈3是转化元件,它把输入的位移量转换成电感的变化。 5为转换电路。,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,17,二、传感器的特性,传感检测,特性参数 选用原则 改善
8、传感器性能的技术措施,第二章 机电一体化的单元技术,18,1.特性参数,（1） 静态特性: 线性范围:机械输入量与传感器输出量之间维持线性比例关系的测量范围。 线性度：输入输出保持常值比例关系的程度。L=(|Lmax|/Y)100% 灵敏度K0: 对被测量变化的反应能力 K0 = Y/X 分辩力:能检测到的最小的输入增量,校准或标定曲线,第二章 机电一体化的单元技术,19,精确度：传感器的输出量与被测量的实际值之间的符合程度，包括传感器的测量值精度和重复精度 回程误差（迟滞）：正反向输入的输出曲线的不重合程度 迟滞误差 YH=（Hmax/YFS）100% 式中：HmaxY向的最大不重合量；YF
9、S满量程输出 滞环是由于传感器吸收能量所产生， 所以滞环效应常伴着死区效应。 稳定性：在规定条件下，输出/输入特性 保持恒定不变的能力 漂移：不受时间变化的能力 点漂：恒定的输入在规定时间内的变化 零漂：标称范围内，最低值处的点漂,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,20,（2）动态特性: 测量交变信号时，在所测频率范围内，保持信号不失真的测量特性，主要包括传感器的响应时延、幅频特性和相频特性等 幅频特性：稳态输出和输入（简谐）信号的幅值比：表征系统对输入信号各频率分量的幅值缩放能力 相频特性：稳态输出对输入（简谐）信号的相位差：表征系统对输入信号各频率分量的相位角前后移动能力,传感检测,
10、第二章 机电一体化的单元技术,21,2.选用原则,（1）高精度、高灵敏度、响应快、稳定性好、信噪比高 （2）安全可靠、寿命长。 （3）对环境条件适应能力强。 （4）不易受被测对象（如电阻、磁导率）的影响，也不影响外部环境。 （5）便于与计算机连接。 （6）结构简单、体积小、重量轻，使用维护方便，功耗低，对整机的适应性好。 （7）低成本。,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,22,3. 改善传感器性能的技术措施：,(1)平均技术。 (2)差动技术。在电阻应变式、电感式、电容式等传感器中应用，减小非线性误差。,传感检测,双螺线管差动型电桥电路及其输出特性,第二章 机电一体化的单元技术,23,(
11、3)稳定性处理。 (4)屏蔽和隔离。,传感检测,电磁屏蔽房,电脑屏蔽线,屏蔽罩,第二章 机电一体化的单元技术,24,三、传感器的测量电路及其微机接口,传感检测,传感检测系统组成： 1敏感元件。直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量。 2转换元件。将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、光强等）转换成电路参数（如电阻、电感、电容等）量。 3基本转换电路。将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。,第二章 机电一体化的单元技术,25,（1）电桥 电桥适用于电参量式传感器。将被测物理量的变化引起敏感元件的电阻、电感或电容等参数的变化，转换为电量（电压、电流、电荷等）,传感检测,直
12、流数显电桥,(一)测量及转换电路,电桥的平衡条件为,第二章 机电一体化的单元技术,26,案例：半桥单臂（补偿）,传感检测,电阻式应变传感器的温度补偿,第二章 机电一体化的单元技术,27,（2）调制与解调,传感检测,调制：使一个信号的某些参数在另一个信号的控制下而发生变化的过程 前一信号为载波，为较高频率的高频信号 后一信号（控制信号）为调制信号 输出的为已调制波 解调：从已调制波中恢复出调制信号的过程,第二章 机电一体化的单元技术,28,根据载波受调制的参数不同，调制分为三种，简称为调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。 调幅：将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信
13、号的幅值随测试信号的变化而变化,第二章 机电一体化的单元技术,29,调频：利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。 式中：f0载波频率，或中心频率 f频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比,第二章 机电一体化的单元技术,30,AD转换包括采样、量化、编码: D/A转换器：把数字信号转换为电压或电流信号。,传感检测,（3）模/数（A/D）与数/模（D/A）转换电路,第二章 机电一体化的单元技术,31,(二)传感器与微机的接口,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,32,接口方式,基本方法,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,33,（1）
14、输入放大器,被分析的信号幅值大小不一，输入放大器或衰减器便是对幅值进行处理的器件,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,34,（2）抗混频滤波器,在采样前常用模拟滤波器衰减不感兴趣的高频分量，再由滤波器的选择性来确定适当的采样频率 从Of2频率之问，幅频特性平直，使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,35,（3）采样保持器,模拟输入信号变化频率较大的信号通道需要。 要求： 采样时：存储电容尽快充电 保持时：存储电容的漏电流必须接近于零，使输出值保持不变,（4）模拟多路开关,分别或依次把传感器输出的模拟量与A
15、/D接通，进行A/D转换 导通电阻小 开路电阻大 速度快,传感检测,第二章 机电一体化的单元技术,36,数字量传感器性能指标,(1)分辨率(Q)改变一个测量计数所对应的被测量的变化值。 式中xmax，xmin数字量传感器的测量上限与下限 Nm数字量传感器的输出范围值 Q越小，说明数字量测量装置的精度越高。,第二章 机电一体化的单元技术,37,(2)精度()测量误差值与实际测量值之比。数字量传感器测量装置的精度为： 式中n测量值与实际值之差。 (3)检测时间对被测参数进行两次采样之间的时间间隔。 (4)计数器字长根据检测装置的最大测量值xmax及分辨率(Q)可以确定计数器的最大计数值:,第二章
16、机电一体化的单元技术,38,A/D转换器的选择,确定A/D转换器的位数 系统精度、处理器的位数 根据信号对象的变化率及转换精度，确定A/D转换速率，以保证系统的实时性要求 成本、芯片资源,第二章 机电一体化的单元技术,39,传感检测,（5）A/D转换器与微机的接口,输入电压可在5V范围内变动。AD0809是8位A/D转换器，它的分辨率为 满量程刻度的0.4% ST是重新启动的转换端，高电平有效；由低电平向高电平转换时，将已选通的输入端开始转换成数字量，转换结束后引脚EOC发出高电平，表示转换结束。ALE是地址锁存端，高电平是将A、B、C锁存,OE是允许输入端，高电平有效。高电平将A/D转换器中的三态缓冲器打开，将转换后的数字量送到D0D7数据线上。,第二章 机电一体化的单元技术,40,（6）光电耦合电路,应考虑两个参数：电流传输比和时间延迟 光电隔离电路的主要作用 隔离：将输入和输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电； 电平转换：变为12V；,传感检测,提
