常用傳感器和信號處理

1、機電一體化技術(shù),第2章 常用傳感器和信號處理,2.1 傳感器的概述,傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。,2.1 傳感器的概述,傳感器包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和處理電路。敏感元件能夠?qū)⒈粶y量轉(zhuǎn)化為另一種物理量；轉(zhuǎn)換元件通常只感受敏感元件輸出的與被測量成確定關(guān)系的另一種物理量，并將其轉(zhuǎn)換為電量輸出；而處理電路

2、將轉(zhuǎn)換元件輸出的信息轉(zhuǎn)換為便于測量的電量，并進(jìn)行放大、傳輸?shù)忍幚?，傳感器的組成如圖2-1所示。,圖2-1 傳感器的組成,2.1 傳感器的概述,在控制系統(tǒng)中，傳感器在反饋環(huán)節(jié)起到了重要的作用，它將控制對象的運動參數(shù)反饋給數(shù)字控制器、數(shù)字控制器根據(jù)這些參數(shù)來調(diào)整控制參數(shù)，如圖2-2所示。,圖2-2 傳感器及其信號處理電路在系統(tǒng)中的作用,2.1.1 傳感器的分類,1.按被測物理量不同按被測物理量不同，傳感器分為位移傳感器、力傳感器、速

3、度傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、氣體成分傳感器、生物傳感器等。2.按工作原理不同按工作原理不同，傳感器分為電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器和光電式傳感器等。,2.1.1 傳感器的分類,3.按傳感器輸出信號的性質(zhì)不同按傳感器輸出信號的性質(zhì)不同，傳感器分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。4.按被測對象與傳感器之間的能量關(guān)系不同按被測對象與傳感器之間的能量關(guān)系不同，傳感器分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器。

4、5.按構(gòu)成原理不同按構(gòu)成原理不同，傳感器分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。,2.1.2 傳感器的特性,傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。 1.靜態(tài)特性1)靈敏度 在穩(wěn)態(tài)工作情況下，當(dāng)輸入量變化△x時，傳感器的輸出量變化△y，則把△y與△x之比稱為靈敏度，用符號S表示。傳感器的靜態(tài)特性如圖2-3所示。,圖2-3 傳感器的靜態(tài)特性,2.1.2 傳感器的特性,對于線性傳感器，靈敏度S是一個常數(shù)。靈敏度的量綱是輸出量與輸入量

5、的量綱之比。靈敏度S的表達(dá)式為靈敏度高，則可得到較高的測量精度。但靈敏度與測量范圍成反比關(guān)系，靈敏度越高，測量范圍就越窄，同事穩(wěn)定性也越差。,2)線性度 通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出的是曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線。線性度（非線性誤差）就是描述擬合直線與實際特性曲線近似程度的性能指標(biāo)。擬合直線的選取有多種方法，如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作

6、為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點偏差的平方和最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。,2.1.2 傳感器的特性,3）分辨力分辨力是指傳感器能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某值開始緩慢地變化，當(dāng)該輸入值變化未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化時分辨不出來的。只有當(dāng)輸入量的變化超過傳感器的分辨力時，其輸出才會發(fā)生變化。4）遲滯遲滯也稱為滯后。理想傳感器的輸

7、入和輸出是沒有時間差的，也就是說一旦有輸入激勵時，就立即會有輸出響應(yīng)。但實際上傳感器的輸出總是滯后于輸入，在波形和表達(dá)式中反映為相位差。遲滯對于測試系統(tǒng)影響不大，但對控制系統(tǒng)來說影響較大。,2.1.2 傳感器的特性,2.動態(tài)特性,動態(tài)特性是指系統(tǒng)的輸出量對于輸入量的跟隨特性 ，如圖2-4所示。,動態(tài)特性實際上指傳感器對于快速變化的輸入量的快速檢測、檢測準(zhǔn)確和是否穩(wěn)定等方面的特性。 在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些

8、標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。,2.1.2 傳感器的特性,圖2-4 階躍輸入傳感器的動態(tài)特性,2.2 常用模擬式運動和位置檢測傳感器,1.電位器式傳感器電位器式傳感器是一種將位移（旋轉(zhuǎn)角度或直線位移）轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感器。如圖2-5所示，當(dāng)電位器的滑動臂移動時，將會引起滑動臂和任意一個固定端的電阻變化，如果在兩個固定端加上一定電壓，位移的變化將會轉(zhuǎn)換為電壓的變化。,圖2-5 電位器式傳感器,2.2

9、.2 電感傳感器,1.自感型電感式傳感器,,自感型電感式傳感器分為可變磁阻式傳感器和渦電流式傳感器。1）可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器是由鐵芯、銜鐵和線圈構(gòu)成的，其原理如圖2-6所示。其輸出電感量為,圖2-6 可變磁阻式傳感器,2.2.2 電感傳感器,2）渦電流式傳感器渦電流式傳感器是基于金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)的傳感器。該類型傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、靈敏度高等特點，但其僅限于測量具有金屬表面的物體。如圖2-7所示

10、，給線圈通入交變電流i1，則在其周圍產(chǎn)生交變磁場H1，在H1的作用下，靠近線圈的金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生了渦電流i2，i2在導(dǎo)體中自行閉合，進(jìn)一步產(chǎn)生交變磁場H2，H2的方向和H1相反并且抵抗H1，從而使線圈中的阻抗發(fā)生了變化，進(jìn)而影響了i1，通過對i1的變化進(jìn)行檢測，便可檢測金屬導(dǎo)體的位移大小或金屬存在與否。,圖2-7 渦電流效應(yīng)原理,2.2.2 電感傳感器,2.互感型電感式傳感器互感型電感式傳感器也稱為差動變壓器式傳感器，其原理類似于變壓

11、器的原理。如圖2-8所示，當(dāng)初級線圈N1中的交變電動勢為e1時，則在次級線圈N2中產(chǎn)生交變電動勢e2，e2的大小取決于兩個線圈的相對位置和介質(zhì)的導(dǎo)磁能力。當(dāng)移動鐵芯時，感應(yīng)電動勢將隨著鐵芯位置的變化而發(fā)生變化。,圖2-8 互感型電感式傳感器,2.2.2 電感傳感器,在實際應(yīng)用中，為了提高傳感器的線性度，常采用兩個完全相同的次級線圈，并且將次級線圈反極性串聯(lián)，其形式為螺管式，所以也稱為螺管式差動變壓器式傳感器。如圖2-9所示，當(dāng)鐵芯在平

12、衡位置時，兩個次級線圈產(chǎn)生的電壓大小相等，輸出為零，而當(dāng)鐵芯沿著x方向運動時，輸出電壓uo=e1－e2，這樣不僅可以知道位移的大小，并且能夠反映位移的方向。,圖2-9 螺管式差動變壓器式傳感器原理,2.2.3 電容式傳感器,電容式傳感器是將被測量的位移等轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它也就是一種非接觸測量裝置。最常見的電容形式是由兩個平行電極板組成的，極板間充滿了電介質(zhì)。 電容量C的大小與電容電極面積A、電極間的間距δ和介質(zhì)

13、的相對介電常數(shù)εr有關(guān)，其關(guān)系式為,2.2.3 電容式傳感器,1.變面積型電容式傳感器 變面積型電容傳感器通過電容極板面積A的變化來測量直線位移和角位移。如圖2-10（a），當(dāng)可移動極板沿x方向移動一定位移時，輸出的電容量為,,如圖2-10（b）所示可以看出，變面積型電容式傳感器輸出電容量隨著輸入位移的變化而呈現(xiàn)出線性變化，通過對電容量的測量就可以得知位移x的數(shù)值。,圖2-10 平面線性變面積型電容式傳感器,2.2.3 電

14、容式傳感器,如圖2-11所示為角位移變面積型電容式傳感器和圓柱體直線位移變面積型電容式傳感器，對于角位移變面積型電容式傳感器，其輸出電容量為,對于圓柱體直線位移變面積型電容式傳感器，其電容量為,圖2-11 變面積型電容式傳感器,2.2.3 電容式傳感器,2.變極距型電容式傳感器 當(dāng)兩極板覆蓋面積A和介質(zhì)不變時，則電容量C和極距δ呈現(xiàn)出反比的變化關(guān)系。設(shè)極距變化為Δδ ，則電容量的變化為,當(dāng)Δδ很小時， ΔC近似為,2.2.3

15、電容式傳感器,實際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，降低非線性及抗干擾等因素的影響，采用差動電容式傳感器。如圖2-12所示，當(dāng)動極板移動Δx時，電容C1容量降低，而C2容量升高，容量變化為2ΔC，從而使靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。,圖2-12 差動電容式傳感器,,,2.2.3 電容式傳感器,,3.變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器是將電容的兩個極板相對固定不動，而改變其間介質(zhì)的一種電容式傳感器。如圖2-13所示，設(shè)極距為δ，極板長

16、度為l，極板寬度為b，在介電常數(shù)為ε1和ε2的介質(zhì)中移動，則有,圖2-13 變介質(zhì)型電容式傳感器,2.2.4 感應(yīng)同步器,感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理將角位移或直線位移信號變換為交流電壓的位移傳感器，又稱為旋轉(zhuǎn)變壓器。它有圓盤式和直線式兩種，圓盤式感應(yīng)同步器用來檢測角位移信號，而直線式感應(yīng)同步器用來檢測直線位移信號。如圖2-14所示為直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)。,圖2-14 直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu),2.2.4 感應(yīng)同步器,如圖2-1

17、5所示為直線式感應(yīng)同步器原理。滑尺相對于定尺移動一個節(jié)距2τ時，感應(yīng)電動勢剛好變化為一個周期2π，設(shè)移動的距離為x，輸入滑尺的激勵電壓為,,則感應(yīng)電動勢為,測量出定尺上感應(yīng)電動勢的相位或幅值便可得知位移x的大小,感應(yīng)同步器的絕對精度很高，可達(dá)到2.5μm，而分辨率可達(dá)到0.25μm。,圖2-15 直線式感應(yīng)同步器原理,2.2.5 磁電式傳感器,磁電式傳感器是一種基于電磁感應(yīng)原理的傳感器，通常用來測量旋轉(zhuǎn)速度。次電視傳感器分為模擬動圈

18、式傳感器和數(shù)字磁阻式傳感器兩種。1.模擬動圈式傳感器模擬動圈式傳感器分為線速度型模擬動圈式傳感器和角速度型模擬動圈式傳感器兩種。如圖2-16所示，線速度型模擬動圈式傳感器的可動線圈在測量對象的帶動下沿著磁場作切割磁力線的運動，設(shè)線圈的運動方向和磁場方向垂直，則此時將產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為,角速度型模擬動圈式傳感器的工作原理和發(fā)電機的工作原理是相同的，所以通常稱為測速發(fā)電機，旋轉(zhuǎn)對象帶動角速度型模擬動圈式傳感器旋轉(zhuǎn)，角速度型模擬動圈式傳感

19、器將會產(chǎn)生電動勢e，通過測量輸出電動勢的大小就可以測出旋轉(zhuǎn)速度為,,2.2.5 磁電式傳感器,圖2-16 模擬動圈式傳感器,,,2.2.5 磁電式傳感器,2.數(shù)字磁阻式傳感器如圖2-17所示，將線圈置于磁鐵周圍，旋轉(zhuǎn)運動的測速盤為導(dǎo)磁材料制成的齒輪狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)測速盤跟隨被測對象一起旋轉(zhuǎn)時，測速盤的凸齒通過磁鐵位置時，磁阻減??；而在齒隙部位通過磁鐵位置時，磁阻增大，導(dǎo)致線圈中的磁場強度發(fā)生變化，從而在線圈中產(chǎn)生一個脈沖電動勢，根據(jù)脈

20、沖的頻率就可計算出測速盤的轉(zhuǎn)速，計算公式為,圖2-17 數(shù)字磁阻式傳感器,2.2.6 霍爾式傳感器,,霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理的傳感器，如圖2-18所示，將半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，當(dāng)在薄片的兩端面通入電流時，電荷由于受到洛侖茲力的作用，將向另兩個端面運動，導(dǎo)致在垂直于磁場和電流平面的方向上產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。任何金屬和半導(dǎo)體理論上都有霍爾效應(yīng)，但是由于金屬的載流子密度大，導(dǎo)致霍爾效應(yīng)很不明顯，而半導(dǎo)

21、體的霍爾效應(yīng)很明顯?；魻栃?yīng)引起的電位差稱為霍爾電勢U，當(dāng)半導(dǎo)體平面垂直于磁場時，其表達(dá)式為,2.2.6 霍爾式傳感器,圖2-18 霍爾效應(yīng)原理,霍爾傳感器可以測量位移、速度等運動參數(shù)，也可以測量電流。通過移動磁場和半導(dǎo)體的相對位置來實現(xiàn)磁感應(yīng)強度的變化，從而導(dǎo)致霍爾電勢變化，這樣就可以測量位移；也可以通過改變電流使得霍爾電勢變化來測量電流。,2.2.7 壓電式傳感器,像石英和鈦酸鋇等物質(zhì)，當(dāng)受到一定方向的外力時，不僅在幾何上出現(xiàn)

22、變形，而且在其兩個平面上會產(chǎn)生電荷，形成電場，并且電荷的多少和外力成正比,通常把這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。反過來，當(dāng)在這些物質(zhì)的極化方向上加上電壓時，其幾何尺寸又會隨著電壓的高低成正比變化，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)，通常把能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電晶體。 壓電效應(yīng)應(yīng)用在工業(yè)上就形成了壓電式傳感器，它可以用來測量力的大小，壓電晶體產(chǎn)生的電荷量q為,,壓電式傳感器是在壓電晶體的兩個工作面上蒸鍍一層金屬膜來構(gòu)成兩個電極，

23、當(dāng)壓電晶體受力時便在電極上產(chǎn)生電荷，通過測量電荷量就可以得出受力的大小。可以利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)用來制作微致動器、微型馬達(dá)和微型揚聲器，如精密車床中控制刀具微進(jìn)給的微致動器，生日賀卡和電子玩具中的微型揚聲器等。而壓電效應(yīng)的應(yīng)用更多，如打火機中的火花產(chǎn)生器等。,2.2.8 電阻應(yīng)變式傳感器,1.金屬電阻應(yīng)變片式傳感器如圖2-19（a）所示為金屬電阻應(yīng)變片，它是在絕緣基片上將金屬絲繞成柵狀或用光刻和腐蝕技術(shù)將很薄的鉑片刻蝕成柵狀制

24、成的。當(dāng)基體隨著被測量物體或者轉(zhuǎn)換器件（如測力的彈性體等）的變形而發(fā)生形變時，金屬絲由于變形而引起長度和截面形狀的改變，從而導(dǎo)致阻值的變化，阻值變化和形變的關(guān)系為,2.2.8 電阻應(yīng)變式傳感器,,2.半導(dǎo)體應(yīng)變片式傳感器半導(dǎo)體材料在一定方向上受到外力作用時，導(dǎo)致其原子點陣的排列規(guī)律發(fā)生變化，使載流子遷移率和濃度變化，此時其電阻率ρ會隨著變形而變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片正是基于壓阻效應(yīng)工作的，因此，半導(dǎo)體應(yīng)變片式

25、傳感器又稱為半導(dǎo)體壓阻式傳感器。其使用方法與金屬應(yīng)變片相同，就是將它貼在被測物體或彈性轉(zhuǎn)換器件上，并隨著被測件的變形而發(fā)生形變，通過測量阻值便可測出應(yīng)變片的形變量和被測物理量的變化量。如圖2-19（b）所示為半導(dǎo)體應(yīng)變片。,圖2-19 應(yīng)變片,2.3常用數(shù)字式運動和位置檢測傳感器,2.3.1 光柵傳感器,光柵傳感器是一種非接觸式運動參數(shù)測量裝置，可以做成直線型光柵或徑向型光柵。直線型光柵可用來測量直線位移、速度和加速度等參數(shù)，而徑向

26、型光柵通常通過電動機軸、絲杠或齒輪齒條裝置作旋轉(zhuǎn)運動，可用來測量旋轉(zhuǎn)運動參數(shù)。光柵具有可靠性好、精度高等優(yōu)點，所以被廣泛使用。,光柵傳感器由光路系統(tǒng)、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電接收器構(gòu)成。光柵的原理如圖2-20所示，光柵是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上刻制一系列密集平行等間距的柵線。標(biāo)尺光柵相對于指示光柵移動時，光源通過標(biāo)尺光柵和指示光柵后便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對運動速度移動，并直接照射到光電接收器上，

27、在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過放大、整形、辨向和計數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號輸出。,2.3.1 光柵傳感器,圖2-20 光柵原理,,2.3.1 光柵傳感器,基于莫爾條紋的光柵利用兩個光柵傾斜一個微小角度θ來放大柵距。如圖2-21所示，當(dāng)兩個柵距相同的光柵相對傾斜一個小角度時，就形成了莫爾條紋。設(shè)光柵的柵距為W，相鄰兩莫爾條紋的間距為B，則有如下關(guān)系,圖2-21 莫爾條紋,2.3.2 光電編碼器,光電編碼器分為絕對式編碼器和增量

28、式編碼器兩種。光電編碼器是按光學(xué)和光電原理制成的器件，它由光源、碼盤、光敏元件及電路部分組成。碼盤上有若干透光部分和不透光部分，當(dāng)光通過碼盤上的透光部分時，光敏元件便接收到光信號，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，而在不透光部分則接收不到光信號，如圖2-22所示。當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時，便可接收到一系列的脈沖或數(shù)字信號，這些信號就反映了旋轉(zhuǎn)的運動參數(shù)。,圖2-22 編碼器的碼盤,2.3.2 光電編碼器,1.絕對式編碼器絕對式編碼器是一種能直接測量角位移

29、的傳感器，圖2-22（a）為4位絕對式二進(jìn)制編碼器的碼盤。在碼盤的圓周方向上有4條由透光和不透光部分組成的碼道，而在徑向上將碼盤分成了16個扇區(qū)，在碼盤的一側(cè)有4個光敏元件，每個光敏元件對應(yīng)一條碼道。當(dāng)光電編碼器處于某一位置時，該扇區(qū)上的不透明部分對應(yīng)的光敏元件輸出1（設(shè)不透明部分為1），而透明部分對應(yīng)的光敏元件輸出0。則這4位二進(jìn)制數(shù)字就表示了該扇區(qū)的位置?？梢钥闯龈鱾€扇區(qū)分別代表了0000，0001，…，1110，1111這16個角

30、度。,2.3.2 光電編碼器,2.增量式編碼器增量式編碼器利用計數(shù)裝置將旋轉(zhuǎn)碼盤產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計數(shù)來獲取運動參數(shù)。圖2-22（b）為增量式編碼器的碼盤。相對于絕對式編碼器而言，增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，所以應(yīng)用更為廣泛。其原理和光柵相同，在碼盤的圓周方向上刻有若干條透明的線條，當(dāng)光線通過時便可產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖，計數(shù)裝置只要完成計數(shù)即可。增量式編碼器有兩種，一種只有一條碼道，通常用來測量旋轉(zhuǎn)速度，但無法辨別方向；另一種能夠分辨旋轉(zhuǎn)

31、方向和零點參考位置。增量式碼盤上通?？逃?條碼道，分別為A相、B相和Z相，其中A相和B相碼道相位上相差π/2，用來檢測方向，而Z相用來檢測零點參考位置，這種增量式編碼器可以用來測量位移、速度等運動參數(shù)。,2.3.3 磁柵傳感器,磁柵傳感器是一種數(shù)字式傳感器，它由磁柵尺、磁頭和檢測電路組成。磁柵尺是由在不導(dǎo)磁材料制成的柵基上鍍一層均勻的磁性涂層，并記錄上間距相等、極性正負(fù)交錯的磁信號柵條制成的。如圖2-23所示為磁柵結(jié)構(gòu)原理圖，圖中極

32、性為N-N和S-S的柵條就是磁柵。當(dāng)磁頭從磁柵上移動時，磁頭上的線圈由于切割磁力線而產(chǎn)生脈沖電動勢，通過脈沖的次數(shù)可以檢測出位移量，而脈沖的頻率又反映了運行速度。,圖2-23 磁柵結(jié)構(gòu)原理,2.4 電子開關(guān),電子開關(guān)可以通過測速盤實現(xiàn)速度的測量。其原理和旋轉(zhuǎn)編碼器的原理是相同的，只是旋轉(zhuǎn)編碼器用光電式傳感器，而電子開關(guān)利用測速盤實現(xiàn)在一次轉(zhuǎn)動中對電子開關(guān)的若干次動作，設(shè)每旋轉(zhuǎn)一周時，電子開關(guān)動作Z次，則通過測得信號的頻率f可計算出轉(zhuǎn)

33、速n為,2.4.1 電容式接近開關(guān),電容式接近開關(guān)由兩個極板組成，由于電容量的大小與極板面積和介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，與極板的距離成反比，所以可通過電容量的變化得到其極板之間的距離。電容式接近開關(guān)是一種具有開關(guān)量輸出的位置傳感器，它的測量頭通常構(gòu)成電容器的一個極板，而另一個極板是物體的本身。當(dāng)物體移向感應(yīng)電極時，物體和感應(yīng)電極的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的接通和斷開。這種接近開關(guān)可檢測的

34、物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體,在檢測介電常數(shù)較低的物體時，可以通過對放大電路進(jìn)行調(diào)節(jié)來增加感應(yīng)靈敏度，如圖2-24所示。,圖2-24 電容式接近開關(guān),2.4.2 電感式接近開關(guān),電感式接近開關(guān)與電容式接近開關(guān)類似，也是一種有開關(guān)量輸出的位置傳感器。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成,金屬物體在接近能產(chǎn)生電磁場的感應(yīng)線圈時，物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。該渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變

35、化，由此識別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通斷。這種接近開關(guān)只能檢測金屬物體，如圖2-25所示。,圖2-25 電感式接近開關(guān),2.4.3 光電式接近開關(guān),光電式接近開關(guān)是一種光電開關(guān)（光電傳感器），它利用被檢測物體對光束的直射或反射，通過光電效應(yīng)檢測物體的有無，具有靈敏度高、非接觸測量等優(yōu)點，但是很容易受到光線的干擾，所以通常使用的是紅外光電接近開關(guān)。其所測物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測。 如圖2-2

36、6所示，發(fā)射器發(fā)射紅外線，當(dāng)光線通過反射或者直射等方式到達(dá)光敏三極管后，在解調(diào)器和邏輯電路的作用下可以復(fù)原原電信號（發(fā)射端的信號）。在此使用調(diào)制和解調(diào)是為了傳輸一些頻率較低的信號。,圖2-26 光電式接近開關(guān),2.4.4 霍爾磁電開關(guān),霍爾開關(guān)屬于有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成的。它可方便地把磁信號轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)用中的電信號，同時又滿足工業(yè)場合實際應(yīng)用易操作和可靠性的要求?；魻栭_關(guān)的輸入端是以

37、磁感應(yīng)強度B來表征的，當(dāng)磁感應(yīng)強度B值達(dá)到一定的程度時，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)，如圖2-27所示。,圖2-27 霍爾開關(guān)測轉(zhuǎn)速,2.5 傳感器的選用,2.5.1 傳感器的選用原則,1.靈敏度與量程范圍傳感器的靈敏度高，意味著被測量產(chǎn)生微小的變化，傳感器就有很大的輸出值，也可以說分辨力高。但是由于輸入變化很小時其輸出變化很大，而輸出總是要被限定在一定的范圍之內(nèi)，所以靈敏度高時量程就小。如天平的靈

38、敏度很高，但是它所能測量的最大質(zhì)量并不高，而測量火車質(zhì)量的衡秤可測量重量的最高值很高，但是靈敏度很低。在機電一體化系統(tǒng)中，很多運動參數(shù)的量程是明確的，這就需要對靈敏度進(jìn)行選擇。對于數(shù)字式傳感器而言，上述原則并不重要，如測速用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，在速度相同的情況下，靈敏度越高，則脈沖的頻率就越高，但是很高的頻率將對后級處理電路有相應(yīng)的要求。因此，在成本允許的情況下盡量選用數(shù)字傳感器。,2.5.1 傳感器的選用原則,2.響應(yīng)特性

39、機電一體化系統(tǒng)中的傳感器作為反饋環(huán)節(jié)使用，而工作對象一般都是動態(tài)的，這就要求傳感器能夠?qū)Σ煌l率下工作的對象進(jìn)行檢測，并且快速地將信息傳遞給控制器。通常，光電傳感器、壓電傳感器等物性型傳感器響應(yīng)快、工作頻率范圍大。而結(jié)構(gòu)型傳感器通常是通過彈性體的形變來實現(xiàn)測量的，由于受到質(zhì)量等因素的影響，其頻率范圍較小，動態(tài)響應(yīng)差。3.精確度傳感器的精確度表示傳感器輸出與被測量的對應(yīng)程度。機電一體化系統(tǒng)中的傳感器必須真實地反映出運動對象的參數(shù)

40、，這樣才能讓控制器控制得更準(zhǔn)確。當(dāng)然，能完全真實地反映運動對象參數(shù)的傳感器是不存在的，所以只要誤差在一定范圍之內(nèi)即可。另外，由于計算機的應(yīng)用，一些非線性誤差可以由計算機來補償，提高了控制的精度。,2.5.1 傳感器的選用原則,,,4.測量方式測量方式是指傳感器在實際條件下的工作方式，在機電一體化系統(tǒng)中，通常按傳感器與被測件接觸與否分為接觸式測量和非接觸式測量，按測量結(jié)果的得到方式分為直接測量和間接測量。接觸式測量傳感器有電位器

41、式傳感器等，由于存在著機械摩擦，壽命較短、運動時會產(chǎn)生高頻干擾等缺陷，所以這類傳感器適用于對靜態(tài)或者緩慢變化的對象進(jìn)行測量，而不適于對高速運動的對象進(jìn)行測量。大多數(shù)傳感器都屬于非接觸式測量傳感器，如電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器等，該類型傳感器無摩擦，可用于高速裝置的測量，特別是光電式傳感器具有測量范圍寬、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。,2.5.2 運動參數(shù)測量傳感器的選用,運動參數(shù)通常指位移、速度、加速度、力和力矩等，前面敘述的傳感

42、器可以用來測量這些參數(shù)。但是在選用時必須考慮測量對象的特性和測量要求，如被測對象的性質(zhì)、測量范圍和精度要求等；另外，測量環(huán)境、信號處理和成本等要求不同，則選用的傳感器也不相同。1.位移測量位移分為角位移和直線位移，很多傳感器都可以測量位移，通常根據(jù)位移的性質(zhì)和要求進(jìn)行選用，如位移的范圍大小、位移的動態(tài)變化范圍和精度要求、外圍電路的復(fù)雜性和用途等。對于大范圍（如幾百毫米）的直線位移測量，當(dāng)動態(tài)要求不高時，可選用電位器式傳感器。

43、對于旋轉(zhuǎn)運動，通常使用旋轉(zhuǎn)電位器和旋轉(zhuǎn)編碼器來測量。對于小位移的測量（如微米級），通常使用霍爾傳感器、電容式傳感器或電感式傳感器來測量。,2.5.2 運動參數(shù)測量傳感器的選用,2.速度測量機電一體化系統(tǒng)直接測量的速度大多都是角速度，可采用的方式有直接測量方式和間接測量方式兩種。直接測量應(yīng)用的傳感器有測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)編碼器等。間接測量應(yīng)用的傳感器通常為角位移傳感器。3.力和加速度測量機電一體化系統(tǒng)中的加速度大多使用間接測

44、量方式，它是對速度進(jìn)行求導(dǎo)計算而得到的，也就是說對位移進(jìn)行二次求導(dǎo)就可求出加速度。根據(jù)牛頓第二定律F=ma可知，加速度可由測出的力計算得到，應(yīng)用這種原理的加速度傳感器實際上是利用質(zhì)量塊在加速度下產(chǎn)生力，引起彈性體形變，再通過測量電阻應(yīng)變片或壓電晶體的形變來測量加速度。,2.6 傳感器信號處理電路,機電一體化系統(tǒng)中的控制器接收和處理的信號都是TTL電平信號，而傳感器所采集到的信號有模擬信號和數(shù)字信號兩種。為了能夠?qū)鞲衅鞑杉男盘柡涂刂?/p>

45、器相匹配，需要針對信號的特點對信號進(jìn)行一定的處理，如對模擬信號需要進(jìn)行放大、濾波、隔離和A/D轉(zhuǎn)換等；對數(shù)字信號需要進(jìn)行放大、隔離和濾波等。傳感器信號處理又稱為信號調(diào)理，信號調(diào)理中的部分功能（如濾波）可以由軟件實現(xiàn)。信號調(diào)理就是將現(xiàn)場輸入的狀態(tài)信號經(jīng)過放大、保護(hù)、濾波、隔離和A/D轉(zhuǎn)換等處理后轉(zhuǎn)換成為計算機可以接收的邏輯信號。,2.6.1 信號隔離電路,1.數(shù)字量的隔離1）光電隔離光電隔離是一種將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，再將光信號

46、轉(zhuǎn)換為電信號的過程。其原理如圖2-28所示，Ui端輸入低電平電信號，發(fā)光二極管則發(fā)出光信號，而密封在同一殼體中的光電三極管收到光信號后處于導(dǎo)通狀態(tài)，則Uo端輸出為低電平；反之，當(dāng)Ui端輸入高電平電信號時，則在Uo端輸出高電平，既實現(xiàn)了電源之間的隔離（VCC1和VCC2），又保證了信號的傳輸。,圖2-28 光電隔離原理,2.6.1 信號隔離電路,2）繼電器隔離繼電器是一種典型的開關(guān)器件，機電一體化系統(tǒng)在驅(qū)動功率器件時，常常利用繼電器

47、作為輸出的第一級隔離，然后再利用繼電器驅(qū)動接觸器等器件。如圖2-29所示為繼電器隔離電路，繼電器由三極管直接驅(qū)動。,圖2-29 繼電器隔離電路,2.6.1 信號隔離電路,3）固態(tài)繼電器隔離固態(tài)繼電器按使用場合可以分為交流型固態(tài)繼電器和直流型固態(tài)繼電器兩大類。固態(tài)繼電器為四端有源器件，其中兩個端子為輸入控制端，另外兩個端子為受控輸出端。為實現(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離，器件中采用了耐高壓的專業(yè)光電耦合器。當(dāng)施加輸入信號后，光電耦

48、合器將輸入信號隔離耦合到主電路中，主回路呈導(dǎo)通狀態(tài)；無信號時呈阻斷狀態(tài)。如圖2-30所示為交流型固態(tài)繼電器電路。過零電路的作用是檢測交流電源的過零點（正弦波的零值點），準(zhǔn)確地實現(xiàn)對晶閘管的控制。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌(電壓)對開關(guān)器件雙向可控硅管造成沖擊和干擾(甚至導(dǎo)致誤動作)而設(shè)計的，一般是由RC串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)組成的。,2.6.1 信號隔離電路,圖2-30 交流型固態(tài)繼電器電路,2.6.1

49、 信號隔離電路,2.模擬量的隔離1）光電隔離如圖2-31所示為模擬量光電隔離原理，兩個光電二極管CR1和CR2需要嚴(yán)格配對，當(dāng)信號輸入后，在放大器A的驅(qū)動下，CR1的光照度正比于輸入信號，CR2接收到CR1傳輸過來的光信號后，正比地轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大器B放大后輸出。,圖2-31 模擬量光電隔離原理,2.6.1 信號隔離電路,2）電磁隔離電磁隔離原理如圖2-32所示，首先輸入信號經(jīng)過放大后，在調(diào)制器的調(diào)制下轉(zhuǎn)化為高頻調(diào)制波

50、信號，該信號通過變壓器后進(jìn)入解調(diào)器進(jìn)行同步解調(diào)，然后輸出解調(diào)后的信號。,圖2-32 電磁隔離原理,2.6.2 放大電路,,,傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的作用主要是測量被測對象的信息，實現(xiàn)系統(tǒng)中的閉環(huán)反饋控制。特別是對于模擬信號，由于大多數(shù)信號微弱并且夾雜有高頻干擾，因此，必須對信號進(jìn)行放大和濾波。機電一體化中的信號放大通常使用運算放大器來實現(xiàn)，運算放大器的作用是將輸入信號（電壓或者電流）線性放大為輸出信號，如圖2-33所示。通常有反相

51、放大器和同相放大器兩類，放大器電路的分析是按照理想運算放大器的兩個重要結(jié)論“虛短”和“虛斷”進(jìn)行的。,圖2-33 運算放大器組成的放大電路,2.6.2 放大電路,1.反相放大器反相放大器輸入信號經(jīng)R1接入放大器的反相端，同相端接平衡電阻R2,則其輸出電壓值和輸入電壓值之間的關(guān)系為,2.同相放大器同相放大器輸入信號經(jīng)R2接入放大器的同相端，則其輸出電壓值和輸入電壓值之間的關(guān)系為,2.6.3 濾波電路,1.無源濾波電路無源濾波電

52、路是由電阻、電感和電容等無源器件組成的，沒有有源器件。如圖2-34所示為無源一階濾波器。,圖2-34 無源一階濾波器,2.6.3 濾波電路,如圖2-34（a）所示為高通濾波器，由于電容具有通交流、阻直流的特性，所以對于高頻信號，可以通過電容C傳輸?shù)较乱患?，而低頻信號無法通過；如圖2-34（b）所示為低通濾波器，高頻信號通過電容C而無法進(jìn)入下一級，而低頻信號則通過R后傳輸?shù)较乱患墶?高通濾波器和低通濾波器通過串聯(lián)和并聯(lián)后就構(gòu)成

53、了帶通濾波器和帶阻濾波器。4種濾波器的幅頻特性如圖2-35所示。,圖2-35 濾波器幅頻特性,2.6.3 濾波電路,2.有源濾波電路有源濾波電路除使用電阻、電感和電容等無源器件外，也使用有源器件，如放大器。如圖2-36所示為一階有源低通濾波器，相對于無源濾波器，有源濾波器可以做到體積小、質(zhì)量輕、損耗低，并且具有一定的增益，其他類型的有源濾波器可參考其他資料。,圖2-36 一階有源低通濾波器,2.3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路,傳感器采

54、集的信號有些不是數(shù)字量，而是一些隨時間連續(xù)變化的模擬量，而計算機可處理的信號為數(shù)字量（電脈沖信號）1和0，因此，必須把要處理的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的電信號，這需要模擬（analog）信號到數(shù)字（digital）信號的轉(zhuǎn)換電路，即A/D轉(zhuǎn)換電路。模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路有兩種:一種是用模擬電壓值來控制頻率發(fā)生器的頻率，通過計數(shù)就可以知道電壓值，這種電路稱為V/F電路；另外一種為A/D轉(zhuǎn)換電路，該部分電路將在控制器一章中專門講解，在此不再