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1、n n4.2 4.2 机电一体化系统常用传感机电一体化系统常用传感 器器传感器及其接口技术 n n4.3 4.3 传感器与微机的接口技术传感器与微机的接口技术n n4.1 4.1 概述概述4.1 概 述 在机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、 速度等)需要测量与控制，如果没有传感器对原始的各种参数进 行精确而可靠的检测，那么对机电产品的各种控制是无法实现 的。因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机 电一体化系统中不可缺少的组成部分。 4.1.1 4.1.1 传感器的定义传感器的定义传感器： 传感器是一种以一定的精确度将被测量(如位移、力 、加速度等)转换为与之有确定对
2、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。 4.1.2 传感器的组成组成：敏感元件、转换元件、电子线路等组成。 1 敏感元件 直接感受被测量、并以确定关 系输出物理量。如弹性敏元件将力转换为位移 或应变输出。 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)转换成电量参数(如电 阻、电感、电容等)等。 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。传感器的组成 4.1.3 传感器的特性传感器比较常用的性能指标有以下几种: 1. 关于输入量的特性： (1) 量程或测量范围传感器预期要测量的被测量值的范围，一般用 传感器允
3、许测量的上下极限值来表示，其中上限 值也称为满量程FS。 (2) 过载能力传感器允许承受的最大输入量(被测量),通常用一 个最大允许值或满量程的百分比来表示。2. 关于输入输出关系的静态特性 (1)精度表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。一 般用“极限误差”或极限误差与满量程的比值按百 分数给出。 (2)重复性反映传感器在工作条件不变的情况下，重复 地输入某一相同的输入值，其输出值的一致性， 其意义与精度类似。 (3)线性度也称非线性，表示传感器输出与输入之间的 关系曲线与选定的工作曲线的靠近程度，采用工 作直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量 程输出之比来表示。 (4) 灵敏度传感器
4、输入增量与输出增量之比； (5) 稳定性(温度漂移，时间零漂) 时间零漂: 在规定的时间内，在温度不变的条件下 ，零输出的变化； 温度漂移:当温度发生变化时，其输出特性的变化 ，通常用零点输出变化值表示，也可以用它与满 量程的比值来表示。3. 动态响应特性在被测量的物理量随时间变化的情况下，传感器的输 出能否很好地追随输入量的变化是一个很重要的问题。有 的传感器尽管其静态特性非常好，但由于不能很好追随输 入量的快速变化而导致严重误差，这种动态误差若不注意 加以控制，可以高达百分之几十其至百分之百。在被测信 号变化速度较快的情况下要求我们要认真注意传感器的动 态响应持性。 频率响应特性 幅频特性
5、 相频特性 阶跃响应特性 时间常数 上升时间 过冲量(超调量) 固有频率 阻尼比(对数减缩)4.1.4 机电一体化系统对传感器的基本要求 1. 精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高； 2. 体积小、重量轻、对整机的适应性好； 3. 安全可靠、寿命长； 4. 便于与计算机连接； 5. 不易受被测对象特性(如电阻、导磁率)的影响，也 不影响外部环境； 6. 对环境条件适应能力强; 7. 现场处理简单、操作性能好； 8. 价格便宜。4.1.5 传感器的分类传感器的分类方法有多种; 1、 按被测物理量的性质分；位置、位移传感 器、速度传感器、加速度传感器、转速传感器、 温度传感器、压力传感器等等
6、； 2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式 、光电式； 3、按照输出信号的性质分类；可分为开关型 (二值型) 、数字型和模拟型，如下图所示： 1).开关型 开关型传感器的二值就是 “1”和“0”或开(ON)和关 (OFF)。这种“l”和“0”数字 信号可直接(经隔离后)传 送到微机进行处理，使用 方便。 特性曲线中如果设输出状 态从断到通时的输入值为 INon，而从通到断时的输 入值为INoff，则特性满足:INoffINon INoff与INon的差称为磁滞 宽度或瞬动(snap)宽度。2). 数字型数字型传感器有计数型和代码型两大类。 其中计数型又称脉冲数字型；它可以是任何一种脉冲发生器
7、，所发出的脉冲 数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行 计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也 可用来检测执行机构的位移量。这时执行机构每移 动一定距离或转动一定角度就会发生一个脉冲信号 ，例如增量式光电码盘和检测光栅就是如此。 代码型传感器又称编码器，它输出的信号是数 字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。 例如编码式光电码盘。3). 模拟型模拟型传感器的输出是与输入物理量变化 相对应的连续变化的电量，如距离、压力、温 度等信号。输入与输出可以是线性的也可以是 非线性的。 4.2.1位置传感器 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量 的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确
8、定 是否已到某一位置。因此，它只需要产生能反映 某种状态的开关量就可以了。 位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接 触式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信 息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在 某一范围内是否有某一物体的一种传感器。 4.2 4.2 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器 1. 接触式位置传感器这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成:1 1、柔软电极、柔软电极 2 2、柔软绝缘体、柔软绝缘体 2. 接近式位置传感器接近式位置传感器按其工作原理主要分：电 磁式；光电式；电容式；超声波式；气 压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。接近式位置传感器的工作原理
9、 1. )接近开关检测滚动的硬币检测进料器的金属部件下图是生产线工件计数装置的示意图。接近传感器设 置在工件传送带的一侧，当传送带运行时，一个个工 件经过接近传感器，当工件靠近接近传感器时，传感 器输出脉冲开关信号，该信号可直接送往计数器进行 计数。(1).电感式接近开关 电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路 及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目 标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产 生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及 停振的变化被后级放大电路处理并转换成二进制开关信 号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的.(2).霍尔接近开关当一块通
10、有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄 片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具 有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为U=KIB/d 其中K为 霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场(洛伦慈力 Lorrentz)的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应 的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。 霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，霍尔开关的输入端是 以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度时，霍尔开关 内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输 出端一般采用晶体管输出，和其他传感器类似有NPN、PNP、 常开型、常闭型、锁存型(双极
11、性)、双信号输出之分。 霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特 点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境 下可靠的工作。霍尔开关可应用于接近传感器、压力传感器、 里程表等，作为一种新型的电器配件(3)、电容式接近传感器电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器 的检测面与大地间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起 始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面对，回路的电容 量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转 换为电信号经放大器转化成二进制的开关信号。注意:可以为非金属PNP型输出接线关系I/O电路图和线路图某型接近开关I/O电路图和线路图NP
12、N输输出型 I/O电电路图图线线路图图PNP输输出型线线路图图I/O电电路图图2). 光电开关光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可实现限位控制、产品计数, 料位检测，越限安全报警及计算机输入接口等用途。 (1).光电开关结构透射式和反射式的光电开关。利用输出电平的状态判断有无被测物。(2). 基本电路（透射式）如图（a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。 (b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。(3)某公司光电开关输出接口 4.2.2. 位移检测传感器位移测量是直线位移测量和角位移测量的 总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分 广泛，这不
13、仅因为在各种机电一体化产品户常 需位移测量，而且还因为速度、加速度力、压 力、扭矩等参数的测量都是以位移测量位移为 基础的。 直线位移传感器主要有：电感传感器、差 动变压器传感器、电容传感器、感应同步器和 光栅传感器。 角位移传感器主要有：电容传感器、旋转 变压器和光电编码盘等。1、电容直线位移或角位移传感器1). 变极距型电容传感器 ：(直线位移)当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电容量增大 。 注意：传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。2). 变面积型电容传感器 (直线位移或角位移)原理：它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆 盖面积A改变，
14、从而得到电容的变化。 这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测 量较大直线位移和角位移。 3)变介质型电容传感器 (直线位移,厚度等)原理结构如图。图中两平行极板固定不动，相对介电常数为的 电介质以不同深度插入电容器中，从而改变电容。应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张 、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或 煤等非导电固体的物质的湿度。2、电感式直线位移传感器将被测量转换为电感量变化的装置。 变换原理：电磁感应原理。 按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式 与涡流式),互感型(差动变压器）。 1)、自感型（1）可变磁阻式1线圈 2铁
15、心 3衔铁 由此可见：只要改变空气隙厚度或改变气隙截面积，即可改变 线圈的电感量。 注意：改变空气隙厚度传感器输出特性是非线性的，规定在较 小间隙变化范围内工作。（2）涡流式原理：金属板在交变磁场中的涡电流效应。金属板置于一线圈附近，相互间距为 。当线圈中有高频交流电流通过时，便产生磁通。此交变磁通通过相邻近的金属 板，金属板上便产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。这种涡 流将产生交变磁通1，根据楞次定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反 。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗发生变化，变化程度与距离有关。影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。应用：变化线圈与金属板间距离，可作为位移、振动测量。变化金属板的电阻率、 磁导率，可作为材质鉴别或探伤等。可用于动态非接触测量。用作涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测 厚仪等。特点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。2)、互感型：(差动变压器式)原理：将被测位移转换成线圈互感变化。注意：1、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比。只 反映铁心位移大小，不反映移动极性。2、零点残余电压。原因：两次级线圈结构不对 称；初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分 布电容等形成。铁心处在中间位置时，输出不为零。 解决办法：后接电路。 应用：位移测量仪。差动变压器式差动变压器
