第3章-机电一体化系统传感与检测系统设计

第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论第3章传感与检测系统设计3.1概述3.2常见传感器的原理及应用3.3检测系统设计思考题回目录第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论3.1概述3.1.1检测系统的功用、组成及基本要求3.1.2传感器的分类与选用3.1.3检测系统设计的任务、方法和步骤第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论3.1.1.检测系统的功用、组成及基本要求检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。在机电一体化产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外部环境及自身状态的各种物理量(如力、温度、距离、变形、位置、速度、加速度、功率等)及其变化，并将这些信号转变为电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路，将有用信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及其相应的信号检测电路，就构成了机电一体化产品的检测系统。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论在机电一体化系统中，需要检测的量绝大部分是非电量，而计算机只能处理电量，因此，检测系统一般包括如图3-1所示两个环节：1．把各种非电量信号转换为电信号，这就是传感器的功能。例如将机械位移量转换为电阻、电容或电感等电参数的变化；将振动或声音转换成电压或电荷的变化。传感器又称为“一次仪表”。2．对传感器送出的电信号进行加工，使之成为合乎需要的、便于输送或显示和记录的、可作进一步后续处理的信号。如将阻抗变换为电压或电流，再将信号进行一系列处理最终转换成数字编码信号。这叫电信号处理系统，通常又称为“二次仪表”。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论图3-1非电量检测系统的结构形式光、声、位移、压力、磁等非电量信号转换成电信号模拟电信号传输、运算放大切换、存储处理电信号数字转换成电信号驱动光、声、位移、文字等被测物理量传感器以计算机为中心的电信号处理系统执行设备一次仪表二次仪表第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论由于检测系统一般是由传感器和若干变换环节组成，为了保证检测过程中能够忠实地把所需信息从信号源通过其载体信号传输到输出端，整个过程既不失真也不受干扰，传感器及其检测系统必须满足以下基本要求：①精度、灵敏度和分辨率高，能满足机电一体化系统对检测精度和速度的要求；②线性、稳定性和重复性好，工作可靠；③静、动态特性好，测量范围较大；④抗干扰能力强。除此之外，为了适应机电一体化产品的特点并满足机电一体化设计的需要，还对传感器及其检测系统提出了一些特殊要求，如体积小、质量轻、价格便宜、安装与维修方便、对环境适应能力强等。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论3.1.2.传感器的分类与选用传感器种类繁多，分类方法也有多种，如按被测物理量分类，按传感器工作原理分类，按传感器转换能量的情况分类等等。这里将传感器按输出信号的性质分类，分为二值型、模拟型和数字型，如图4-2所示。二值型传感器只输出“l”和“0”或开(ON)和关(OFF)两个值。如果传感器的输入物理量达到某个值以上时其输出为“l”(ON状态)，在该值以下时输出为“0”(OFF状态)，其临界值就是开、关的设定位。这种“l”和“0”数字信号可直接送入微型机进行处理。如：键盘、按钮。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论图3-2传感器按输出信号性质分类传感器开关型（二值型）接触型（微动开关、接触开关等）非接触型（光电开关、接近开关等）模拟型电阻型（电位器、电阻应变片等）电压、电流型（热电耦、光电电池、压电元件等）电感、电容型（电感、电容式位移传感器等）数字型记数型（二值＋计数器等）代码型（编码器、磁尺等）第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论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。传感器的输入／输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信号可直接采用，而非线性输出信号则需进行线性化处理。这些线性信号一般需进行模拟／数字转换(A／D)，将其转换成数字信号后再送给微型机处理。如：测速发电机检测速度可获得连续变化的电压信号，应变片检测应力可获得连续变化的电阻信号。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲计数型，它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行计数。如用来检测通过输送带上的产品个数。代码型传感器即绝对值式编码器，通常被用来检测执行元件的位置或速度。如：绝对值型光电编码器、接触型编码器等。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论设计机电一体化产品时，一般根据被测物理量的性质和检测要求来选用传感器。通常，选择传感器需从以下几个方面考虑：1．检测要求和条件。测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。2．传感器性能。精度、稳定性、响应速度、输出量性质校正周期、输入端保护等。3．使用条件。安装条件、工作场地的环境条件(温度、湿度、振动等)、测量时间、所需功率容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论3.1.3.检测系统设计的任务、方法和步骤目前，传感器技术已经形成了一个新型科学技术领域，即传感器工程学。传感器也形成专业化生产，市场上有各种各样的传感器可供选用。因而对于从事机电一体化研究、应用和产品开发的工程技术人员来说，检测系统设计的主要任务是：根据使用要求合理选用传感器，设计或选用相应的信号检测与处理电路以构成检测系统，并对检测系统进行分析与调试，使之在机电一体化产品中实现预期的计测功能。检测系统的主要设计方法是实验分析法，即理论分析与实验测试相结合的方法。检测系统设计的一般步骤如下：第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论1．设计任务分析。主要包括对机电一体化产品整体功能、性能和应用场合的了解，以及产品对检测系统具体性能要求的分析。2．系统方案选择。包括传感器及信号加工、处理方法的选择。应在大量调查研究的基础上，进行充分的方案论证，甚至做一些必要的原理性模拟试验，以保证所选定的方案是最佳的或较佳的。3．系统构成框图设计。4．环节设计与制造。各环节结构应尽量选用现有的各种功能电路甚至集成电路芯片，当不能完全满足要求时，可进行适当的参数修改或补充设计。各环节电路制作完成后，应进行必要的调试，以达到设计指标要求。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论5．总装调试及实验分析。6．系统运行和考核。检测系统最终要纳入到机电一体化产品中与其它系统协调、统一地运行，因此其性能还要在整个产品的运行中进行考核，并考虑与其它系统的匹配关系进行修改和完善。检测系统的设计过程是很复杂的，涉及到较深的传感器、电路及信息处理方面的理论知识，而且往往要经过多次反复才能完成。本章介绍一些机电一体化设计中经常用到的传感器及相应的信号检测与处理电路，以及信息的计算机采集和预处理方法。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论3.2常见传感器的原理及应用3.2.1位移传感器3.2.2速度检测传感器3.2.3位置传感器3.2.4压力传感器3.2.5温度传感器3.2.6声敏传感器第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论3.2.1位移传感器位移传感器是一种非常重要的传感器，它直接影响着系统的控制精度。位移可分为角位移和直线位移两种。因此位移传感器也有与其对应的两种形式，直线位移传感器和角位移传感器。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等。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。而电感传感器和电容传感器主要用于小量程和高精度的测量系统。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论一.电感传感器典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图3-3所示,它主要由线圈、铁心和活动衔铁组成。～12x45L01—线圈2—铁心3—活动衔铁4—测杆5—被测件3图3-3可变磁阻式电感传感器第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论当线圈通以激磁电流时，其自感L与磁路的总磁阻Rm有关,2002AWLmRWL2式中：μ0——空气磁导率（H／m）,其值为2π×10-7；A0——空气隙导磁截面积（m2）；δ——空气隙(m)；W——线圈匝数；Rm——总磁阻。上式表明，自感L与空气隙δ的大小成反比，与空气隙导磁截面积A0成正比。当A0固定不变时，改变δ第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论可以反映位移的变化，当然L与δ成非线性关系。也可以根据截面积变化引起电感L变化的原理构成截面型和磁心型传感器。如图3-4所示为差动式磁心型传感器。图3-4可变磁阻差动式传感器00x第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论当活动衔铁接于中间位置（位移为零）时，两线圈的自感L相等，输出为零。当衔铁有位移Δδ时，两个线圈的间隙为δ0+Δδ，δ0-Δδ,这表明一个线圈的自感增加，而另一个线圈的自感减小。差动形式连接可以提高灵敏度和线性度，增强抗干扰能力。为了能把这种变化量用电量反映出来，一般都采用如图3-5所示的桥式电路。设Z1＝Z2＝Z，则有，上移为正，下移为负。为电阻变化量。0UZZUscZ第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论图3-5可变磁阻差动式传感器U0UscZ1Z2UU第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论可以看出：输出电压幅值相等，方向相反。由于U0是一个幅值变化的交流信号，因此需要解调。如果采用无相位鉴别的整流器进行解调，则输出电压与位移的关系曲线便如图3-6(a)所示。为克服用这种方法不能辨别方向的缺点，一般都需要使用能反映极性的相敏整流法，它的输出特性曲线如图(b)所示。图3-6(a)(b)第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论图3-7可变磁阻面积型电感传感器L0124x51—线圈；2—铁心；3—活动衔铁；4—测杆；5—被测杆3如图3-7所示为可变磁阻面积型传感器。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论二.差动变压传感器电感传感器是把位移量的变化转化为电感的变化，而差动变压器传感器则是把位移量的变化转化为两个线圈之间的互感变化。图3-8表示一个三段型的差动变压器的传感器原理图。线圈分为初级线圈W和次级线圈W1及W2，线圈中心插入圆柱形铁心p。当初级线圈中输入交流电压U时，线圈中有交流电流流过，便产生磁通通过线圈W1，在线圈W1中产生感应电势；另一部分磁通则通过线圈W2，并在其中产生感应电势，它们可由下式确定：1i11e22e第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论图3-8差动变压器式电感传感器WW1W2pxe0We1e2W1ey＝e1－e2W2xe2ee1e0x0(a)(b)(c)第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论dtdiMdtde1111dtdiMdtde2222当连接成如图4-9所示桥式电路，且1122wwRRRRdtdiMMeeUsc)(21)(212121显然，当铁心在中间位置时，M1＝M2，Usc＝0；当铁心向上移动时，M1M2，Usc0；反之，M1M2，Usc0。随铁心偏离中点的距离增大而增大，同样也是一个调幅正弦信号，可以用与电感传感器相同的方法来处理。第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论图3-9差动变压传感器的桥式电路第3章机电一体化传感与检测系统设计机电一体化导论三.电容传感器电容传感器由两块平行的金属板构成。一般通过改变板间距离、相对面积或介质特性所引起的电容量变化来反映相应的位移量的变化。电容传感器有很多优点：所需的作用能量小；能在恶劣的环境下工作；本身发热影响小；动态响应快。电容传感器的缺点是存在着非线性和泄漏等问题。电容传感器也常做成差动形式。电容检测电路有电桥型电路、调频电路、谐振电路、二极管T形网络电路和脉宽调制电路等几种