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1、机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 第三章第三章传感器及接口技术传感器及接口技术 概述概述 位移测量传感器位移测量传感器 速度、加速度传感器速度、加速度传感器 力、压力、扭矩传感器力、压力、扭矩传感器 传感器信号处理传感器信号处理2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3.1概述概述3.1.1 传感器及其组成传感器及其组成 3.1.2传感器的分类传感器的分类3.1.3传感器的静态特性传感器的静态特性 2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3.1.1传感器及其组成1定义：定义：将被测量转换成与之有确定对应关系且易于将被测量转换成与之有确定
2、对应关系且易于处理和测量的某种物理量的测量部件和装置。处理和测量的某种物理量的测量部件和装置。2构成：构成：敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分构成。构成。并不是每个传感器都含有这三部分，传感器并不是每个传感器都含有这三部分，传感器的复杂程度不同，含有不同的元件。的复杂程度不同，含有不同的元件。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 敏感元件：敏感元件：直接感受被测量，并以确定关系输出直接感受被测量，并以确定关系输出一物理量。有光敏元件如光电二极管三极管等、一物理量。有光敏元件如光电二极管三极管等、热敏元件如热电偶、弹性敏感元件
3、、声音敏感元热敏元件如热电偶、弹性敏感元件、声音敏感元件如声控灯等件如声控灯等转换元件：转换元件：将敏感元件输出的非电物理量（如位将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、光强）转换为电参数（如电容、电感、移、应变、光强）转换为电参数（如电容、电感、电阻）。电阻）。基本转换电路：基本转换电路：将电路参数量转换成便于测量的将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等电量，如电压、电流、频率等2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3.1.1传感器分类1）按工作原理2）按被测物理量3）按输出信号性质2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化
4、 3.1.3传感器的静态特性传感器静态特性：指被测量的值处于传感器静态特性：指被测量的值处于稳定状态时，传感器的输出输入关稳定状态时，传感器的输出输入关系。系。静态特性指标：静态特性指标：线性度、灵敏度、迟线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂滞、重复性、分辨率和零漂2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1、线性度、线性度线性度的优点：在标定的时线性度的优点：在标定的时候或处理数据时，带来方便。候或处理数据时，带来方便。所以所以设计传感器设计传感器时，尽量使时，尽量使输入和输出成线性关系；输入和输出成线性关系；购购买传感器买传感器时，尽量选择线性时，尽量选择线性
5、度高的传感器。但总存在非度高的传感器。但总存在非线性误差。线性误差。非线性误差：实际静态校准非线性误差：实际静态校准曲线和理论直线之间的偏差。曲线和理论直线之间的偏差。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2、灵敏度、灵敏度灵敏度：在静态标准条件下，输出变化对输灵敏度：在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值。入变化的比值。线性传感器的灵敏度是常数线性传感器的灵敏度是常数2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3、迟滞、迟滞定义：传感器在正定义：传感器在正（输入量增大）反（输入量增大）反（输入量减小）行（输入量减小）行程中输出输入特性程中
6、输出输入特性曲线的不重合程度。曲线的不重合程度。迟滞误差通常以满迟滞误差通常以满量程输出的百分数量程输出的百分数表示表示2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4、重复性、重复性定义：传感器按同一定义：传感器按同一方向作全量程连续多方向作全量程连续多次重复测量时，输出次重复测量时，输出输入曲线的不一致程输入曲线的不一致程度。度。Rm输出最大重输出最大重复性误差；复性误差；Yi第第i次次测量值；测量值；y 测量值测量值平均值；平均值；n测量次测量次数；数；2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 5、分辨力、分辨力传感器能检测到的最小输入增量传感
7、器能检测到的最小输入增量6、零漂、零漂传感器在零输入状态下传感器在零输入状态下,输出值的输出值的变化称为零漂变化称为零漂2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 传感器的动态特性动态特性：动态特性：指传感器测量动态信号时，指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。输出对输入的响应特性。动态特性好的传感器，输出量随时间动态特性好的传感器，输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的的变化规律将再现输入量随时间的变化规律。变化规律。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3.1.4不同领域使用的传感器2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机
8、电一体化机电一体化 3.2位移测量传感器位移传感器分类：直线位移传感器和角位移位移传感器分类：直线位移传感器和角位移传感器传感器前者主要有：电感传感器、电容传感器、感前者主要有：电感传感器、电容传感器、感应同步器和光栅传感器应同步器和光栅传感器后者主要有：电容传感器、旋转变压器、光后者主要有：电容传感器、旋转变压器、光电编码器电编码器3.2.1 电感式传感器电感式传感器 3.2.2 电容式位移传感器电容式位移传感器 3.2.3 光栅位移传感器光栅位移传感器 2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3.2.1电感式传感器电感式传感器3.2.1.1 自感型电感式位移传感器
9、自感型电感式位移传感器 3.2.1.2 互感型电感式位移传感器互感型电感式位移传感器 2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3.2.1.1自感型电感式位移传感器自感型电感式位移传感器1、可变磁阻式电感传感器、可变磁阻式电感传感器 1）构成：线圈、铁心和活）构成：线圈、铁心和活动衔铁动衔铁2）结构：变气隙式）结构：变气隙式3）测量原理：被测位移构）测量原理：被测位移构件与活动衔铁相连，当被测件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁构件产生位移时，活动衔铁随之移动，空气隙发生变化，随之移动，空气隙发生变化，引起磁阻发生变化，从而引引起磁阻发生变化，从而引起电感值
10、发生变化。起电感值发生变化。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4）自感：）自感：其中其中w线圈匝数；线圈匝数；0空气导磁率；空气导磁率；A0空气导磁空气导磁面积；面积；空气隙空气隙5）显然传感器的灵敏度与空气隙显然传感器的灵敏度与空气隙的平方成反比，显然的平方成反比，显然存在非线性误差；空气隙存在非线性误差；空气隙越小，灵敏度越高。越小，灵敏度越高。6）特点：非线性严重，线性度为）特点：非线性严重，线性度为3%；示值范围；示值范围小，一般为小，一般为0.001-1mm；分辨力及灵敏度高，；分辨力及灵敏度高，分辨力可达分辨力可达0.1um；制造装配困难。；制造装配
11、困难。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2、改变空气隙导磁截面积的传感、改变空气隙导磁截面积的传感器器结构：线圈、铁心和活动衔铁结构：线圈、铁心和活动衔铁原理：工作时空气间隙原理：工作时空气间隙不变，改不变，改变的是导磁面积变的是导磁面积特点：线性度好，示值范围大。特点：线性度好，示值范围大。灵敏度低，需配有放大电路灵敏度低，需配有放大电路 2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3、可变磁阻差动式传感器、可变磁阻差动式传感器结构：两个相同的线圈、铁心结构：两个相同的线圈、铁心和活动衔铁构成和活动衔铁构成原理：当活动衔铁处于铁心中原理：
12、当活动衔铁处于铁心中央时，两线圈的自感相等，当央时，两线圈的自感相等，当有位移有位移，两个线圈的间隙为，两个线圈的间隙为0，0，这时一个，这时一个线圈的自感增加，另一个线圈线圈的自感增加，另一个线圈的自感减小，当两个输出信号的自感减小，当两个输出信号接入桥式电路时，输出灵敏度接入桥式电路时，输出灵敏度提高一倍，并改善了线性特性。提高一倍，并改善了线性特性。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4、涡流式传感器、涡流式传感器原理：原理：利用金属导体利用金属导体在交流磁场中的涡电在交流磁场中的涡电流效应。流效应。涡流产生：涡流产生：线圈输入线圈输入一交变电流，产生交一交
13、变电流，产生交变磁场，下方的金属变磁场，下方的金属板在交变磁场中会产板在交变磁场中会产生感应电流，由于电生感应电流，由于电流在金属体内是闭合流在金属体内是闭合的，所以称之为涡电的，所以称之为涡电流，又称涡流。流，又称涡流。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 影响涡流的因素：涡流的大小与金属板影响涡流的因素：涡流的大小与金属板的的电阻率、磁导率、厚度、金属板与线电阻率、磁导率、厚度、金属板与线圈的距离、励磁电流角频率圈的距离、励磁电流角频率等有关。等有关。保持其它参数不变，距离发生变化时，保持其它参数不变，距离发生变化时，涡电流就发生变化涡电流就发生变化分类：分类：
14、高频反射式和低频透射式高频反射式和低频透射式两种两种。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1）高频反射式涡流传感器）高频反射式涡流传感器原理：高频激励电流产生高频磁场，作用于金原理：高频激励电流产生高频磁场，作用于金属板的表面，在金属板表面将属板的表面，在金属板表面将形成涡电流形成涡电流，同，同时，涡电流产生的时，涡电流产生的交变磁场又反作用于线圈交变磁场又反作用于线圈，引起引起线圈自感或阻抗发生变化线圈自感或阻抗发生变化，阻抗变化量与金属板的电阻率、磁导率、金属阻抗变化量与金属板的电阻率、磁导率、金属板与线圈的距离、励磁电流角频率等有关。板与线圈的距离、励磁电流
15、角频率等有关。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 结构：结构：CZF1型涡流传感器有线圈、框架、框架衬套、支架、电缆、插头组成。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 应用：应用：动态非接触测量动态非接触测量线性范围及工作范围大，可测线性范围及工作范围大，可测0-30mm距距离离灵敏度高、结构简单、不受油污介质影响灵敏度高、结构简单、不受油污介质影响应用于位移、材料厚度、探伤检测应用于位移、材料厚度、探伤检测*注：应用于金属材料注：应用于金属材料 2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 特点：特点：被测导体的电导
16、率、磁导率对传感器的影响：被测导体的电导率、磁导率对传感器的影响：被测体的电导率越高，灵敏度也越高被测体的电导率越高，灵敏度也越高；磁导率则相反，被测体的磁导率越高，灵敏磁导率则相反，被测体的磁导率越高，灵敏度越低，而且被测导体有剩磁度越低，而且被测导体有剩磁，将影响测量，将影响测量结果结果，应予消磁。，应予消磁。被测导体表面镀层对测量精度的影响：被测导体表面镀层对测量精度的影响：若镀层性质和厚度不均匀若镀层性质和厚度不均匀，在测量转动或移，在测量转动或移动的被测物体时，这种不均匀将形成干扰信动的被测物体时，这种不均匀将形成干扰信号，号，影影 响测量精度响测量精度，尤其是激励频率较高，尤其是激励频率较高时，涡电流的贯穿深度减小，这种干扰影响时，涡电流的贯穿深度减小，这种干扰影响更大。更大。2023年年8月月31日日机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2）低频透射式涡流传感器）低频透射式涡流传感器工作原理工作原理:发射线圈1 和接收线圈2 分别置于被测金属板材料 G 的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频电压 e1 加到线圈1 的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料
