常用传感器和信号处理.

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1、机电一体化技术,第2章 常用传感器和信号处理,2.1 传感器的概述,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,2.1 传感器的概述,传感器包括敏感元件、转换元件和处理电路。敏感元件能够将被测量转化为另一种物理量；转换元件通常只感受敏感元件输出的与被测量成确定关系的另一种物理量，并将其转换为电量输出；而处理电路将转换元件输出的信息转换为便于测量的电量，并进行放大、传输等处理，传感器的组成如图2-1所示。,图2-1 传感器的组成,2.1 传感器的概述,在控制系统中，传感器在反

2、馈环节起到了重要的作用，它将控制对象的运动参数反馈给数字控制器、数字控制器根据这些参数来调整控制参数，如图2-2所示。,图2-2 传感器及其信号处理电路在系统中的作用,2.1.1 传感器的分类,1.按被测物理量不同 按被测物理量不同，传感器分为位移传感器、力传感器、速度传感器、温度传感器、流量传感器、气体成分传感器、生物传感器等。 2.按工作原理不同 按工作原理不同，传感器分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器和光电式传感器等。,2.1.1 传感器的分类,3.按传感器输出信号的性质不同 按传感器输出信号的性质不同，传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。 4.按被测对象与传感

3、器之间的能量关系不同 按被测对象与传感器之间的能量关系不同，传感器分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。 5.按构成原理不同 按构成原理不同，传感器分为物性型传感器和结构型传感器。,2.1.2 传感器的特性,传感器的特性分为静态特性和动态特性。 1.静态特性 1)灵敏度 在稳态工作情况下，当输入量变化x时，传感器的输出量变化y，则把y与x之比称为灵敏度，用符号S表示。传感器的静态特性如图2-3所示。,图2-3 传感器的静态特性,2.1.2 传感器的特性,对于线性传感器，灵敏度S是一个常数。灵敏度的量纲是输出量与输入量的量纲之比。灵敏度S的表达式为 灵敏度高，则可得到较高的测量精度。但灵敏度与

4、测量范围成反比关系，灵敏度越高，测量范围就越窄，同事稳定性也越差。,2)线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出的是曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线。线性度（非线性误差）就是描述拟合直线与实际特性曲线近似程度的性能指标。 拟合直线的选取有多种方法，如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。,2.1.2 传感器的特性,3）分辨力 分辨力是指传感器能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某值开始缓慢地变化，当该输

5、入值变化未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化时分辨不出来的。只有当输入量的变化超过传感器的分辨力时，其输出才会发生变化。 4）迟滞 迟滞也称为滞后。理想传感器的输入和输出是没有时间差的，也就是说一旦有输入激励时，就立即会有输出响应。但实际上传感器的输出总是滞后于输入，在波形和表达式中反映为相位差。迟滞对于测试系统影响不大，但对控制系统来说影响较大。,2.1.2 传感器的特性,2.动态特性,动态特性是指系统的输出量对于输入量的跟随特性 ，如图2-4所示。,动态特性实际上指传感器对于快速变化的输入量的快速检测、检测准确和是否稳定等方面的特性。 在实际工作中，传感器的

6、动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。,2.1.2 传感器的特性,图2-4 阶跃输入传感器的动态特性,2.2 常用模拟式运动和位置检测传感器,1.电位器式传感器 电位器式传感器是一种将位移（旋转角度或直线位移）转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出的传感器。如图2-5所示，当电位器的滑动臂移动时，将会引起滑动臂和任意一个固定端的电阻变化，如果在两个固定端加上一定电压，位移的变化将会转换为电压的变化。,图2-5 电位器式传感器,2.2.2 电感传感器,1.自感型电感式传感器,自感型电感式传感器分为可变磁阻式传感器和涡电流式传感器。 1）可变磁阻式传感器 可变磁阻式传感器是由铁芯、

7、衔铁和线圈构成的，其原理如图2-6所示。其输出电感量为,图2-6 可变磁阻式传感器,2.2.2 电感传感器,2）涡电流式传感器 涡电流式传感器是基于金属导体在交变磁场中的涡电流效应的传感器。该类型传感器具有结构简单、响应快、灵敏度高等特点，但其仅限于测量具有金属表面的物体。如图2-7所示，给线圈通入交变电流i1，则在其周围产生交变磁场H1，在H1的作用下，靠近线圈的金属导体中产生了涡电流i2，i2在导体中自行闭合，进一步产生交变磁场H2，H2的方向和H1相反并且抵抗H1，从而使线圈中的阻抗发生了变化，进而影响了i1，通过对i1的变化进行检测，便可检测金属导体的位移大小或金属存在与否。,图2-7

8、 涡电流效应原理,2.2.2 电感传感器,2.互感型电感式传感器 互感型电感式传感器也称为差动变压器式传感器，其原理类似于变压器的原理。如图2-8所示，当初级线圈N1中的交变电动势为e1时，则在次级线圈N2中产生交变电动势e2，e2的大小取决于两个线圈的相对位置和介质的导磁能力。当移动铁芯时，感应电动势将随着铁芯位置的变化而发生变化。,图2-8 互感型电感式传感器,2.2.2 电感传感器,在实际应用中，为了提高传感器的线性度，常采用两个完全相同的次级线圈，并且将次级线圈反极性串联，其形式为螺管式，所以也称为螺管式差动变压器式传感器。如图2-9所示，当铁芯在平衡位置时，两个次级线圈产生的电压大小

9、相等，输出为零，而当铁芯沿着x方向运动时，输出电压uo=e1e2，这样不仅可以知道位移的大小，并且能够反映位移的方向。,图2-9 螺管式差动变压器式传感器原理,2.2.3 电容式传感器,电容式传感器是将被测量的位移等转换为电容量变化的一种传感器。它也就是一种非接触测量装置。最常见的电容形式是由两个平行电极板组成的，极板间充满了电介质。 电容量C的大小与电容电极面积A、电极间的间距和介质的相对介电常数r有关，其关系式为,2.2.3 电容式传感器,1.变面积型电容式传感器 变面积型电容传感器通过电容极板面积A的变化来测量直线位移和角位移。如图2-10（a），当可移动极板沿x方向移动一定位移时，输出

10、的电容量为,如图2-10（b）所示可以看出，变面积型电容式传感器输出电容量随着输入位移的变化而呈现出线性变化，通过对电容量的测量就可以得知位移x的数值。,图2-10 平面线性变面积型电容式传感器,2.2.3 电容式传感器,如图2-11所示为角位移变面积型电容式传感器和圆柱体直线位移变面积型电容式传感器，对于角位移变面积型电容式传感器，其输出电容量为,对于圆柱体直线位移变面积型电容式传感器，其电容量为,图2-11 变面积型电容式传感器,2.2.3 电容式传感器,2.变极距型电容式传感器 当两极板覆盖面积A和介质不变时，则电容量C和极距呈现出反比的变化关系。设极距变化为 ，则电容量的变化为,当很小

11、时， C近似为,2.2.3 电容式传感器,实际应用中，为了提高灵敏度，降低非线性及抗干扰等因素的影响，采用差动电容式传感器。如图2-12所示，当动极板移动x时，电容C1容量降低，而C2容量升高，容量变化为2C，从而使灵敏度提高一倍，非线性误差减小。,图2-12 差动电容式传感器,2.2.3 电容式传感器,3.变介质型电容式传感器 变介质型电容式传感器是将电容的两个极板相对固定不动，而改变其间介质的一种电容式传感器。如图2-13所示，设极距为，极板长度为l，极板宽度为b，在介电常数为1和2的介质中移动，则有,图2-13 变介质型电容式传感器,2.2.4 感应同步器,感应同步器是应用电磁感应原理将

12、角位移或直线位移信号变换为交流电压的位移传感器，又称为旋转变压器。它有圆盘式和直线式两种，圆盘式感应同步器用来检测角位移信号，而直线式感应同步器用来检测直线位移信号。如图2-14所示为直线式感应同步器的结构。,图2-14 直线式感应同步器的结构,2.2.4 感应同步器,如图2-15所示为直线式感应同步器原理。滑尺相对于定尺移动一个节距2时，感应电动势刚好变化为一个周期2，设移动的距离为x，输入滑尺的激励电压为,则感应电动势为,测量出定尺上感应电动势的相位或幅值便可得知位移x的大小,感应同步器的绝对精度很高，可达到2.5m，而分辨率可达到0.25m。,图2-15 直线式感应同步器原理,2.2.5

13、 磁电式传感器,磁电式传感器是一种基于电磁感应原理的传感器，通常用来测量旋转速度。次电视传感器分为模拟动圈式传感器和数字磁阻式传感器两种。 1.模拟动圈式传感器 模拟动圈式传感器分为线速度型模拟动圈式传感器和角速度型模拟动圈式传感器两种。如图2-16所示，线速度型模拟动圈式传感器的可动线圈在测量对象的带动下沿着磁场作切割磁力线的运动，设线圈的运动方向和磁场方向垂直，则此时将产生的感应电动势为,角速度型模拟动圈式传感器的工作原理和发电机的工作原理是相同的，所以通常称为测速发电机，旋转对象带动角速度型模拟动圈式传感器旋转，角速度型模拟动圈式传感器将会产生电动势e，通过测量输出电动势的大小就可以测出

14、旋转速度为,2.2.5 磁电式传感器,图2-16 模拟动圈式传感器,2.2.5 磁电式传感器,2.数字磁阻式传感器 如图2-17所示，将线圈置于磁铁周围，旋转运动的测速盘为导磁材料制成的齿轮状结构。当测速盘跟随被测对象一起旋转时，测速盘的凸齿通过磁铁位置时，磁阻减小；而在齿隙部位通过磁铁位置时，磁阻增大，导致线圈中的磁场强度发生变化，从而在线圈中产生一个脉冲电动势，根据脉冲的频率就可计算出测速盘的转速，计算公式为,图2-17 数字磁阻式传感器,2.2.6 霍尔式传感器,霍尔传感器是基于霍尔效应原理的传感器，如图2-18所示，将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，当在薄片的两端面通入电流时，电

15、荷由于受到洛仑兹力的作用，将向另两个端面运动，导致在垂直于磁场和电流平面的方向上产生电位差，这种现象称为霍尔效应。任何金属和半导体理论上都有霍尔效应，但是由于金属的载流子密度大，导致霍尔效应很不明显，而半导体的霍尔效应很明显。霍尔效应引起的电位差称为霍尔电势U，当半导体平面垂直于磁场时，其表达式为,2.2.6 霍尔式传感器,图2-18 霍尔效应原理,霍尔传感器可以测量位移、速度等运动参数，也可以测量电流。通过移动磁场和半导体的相对位置来实现磁感应强度的变化，从而导致霍尔电势变化，这样就可以测量位移；也可以通过改变电流使得霍尔电势变化来测量电流。,2.2.7 压电式传感器,像石英和钛酸钡等物质，

16、当受到一定方向的外力时，不仅在几何上出现变形，而且在其两个平面上会产生电荷，形成电场，并且电荷的多少和外力成正比,通常把这种现象称为压电效应。反过来，当在这些物质的极化方向上加上电压时，其几何尺寸又会随着电压的高低成正比变化，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应，通常把能产生压电效应的物质称为压电晶体。 压电效应应用在工业上就形成了压电式传感器，它可以用来测量力的大小，压电晶体产生的电荷量q为,压电式传感器是在压电晶体的两个工作面上蒸镀一层金属膜来构成两个电极，当压电晶体受力时便在电极上产生电荷，通过测量电荷量就可以得出受力的大小。可以利用压电晶体的逆压电效应用来制作微致动器、微型马达和微型扬声器，如精密车床中控制刀具微进给的微致动器，生日贺卡和电子玩具中的微型扬声器等。而压电效应的应用更多，如打火机中的火花产生器等。,2.2.8 电阻应变式传感器,1.金属电阻应变片式传感器 如图2-19（a）所示为金属电阻应变片，它是在绝缘基片上将金属丝绕成栅状或用光刻和腐蚀技术将很薄的铂片刻蚀成栅状制成的。当基体随着被测量物体