传感器检测及其接口电路

传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部分。它是整个设备的感觉器官，监视监测着整个设备的工作过程，使其保持最佳工作状况，同时可用作数显装置。在闭环伺服系统中，传感器又用作位置环的检测反馈元件，其性能直接影响到工作机械的运动性能、控制精度和智能水平。因而要求传感器灵敏度高、动态特性好，特别要求其稳定可靠、抗干扰性强且能适应不同环境。检测传感器种类很多，而在机电一体化产品中，控制系统的控制对象主要是伺服驱动单元和执行机构，传感器主要用于检测位移、速度、加速度、运动轨迹以及机器操作和加工过程参数等机械运动参数。第三章传感器检测及其接口电路一、传感器技术传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信息也是有各种形式。由于电信号是最易于处理和便于传输的，所以目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号。目前，传感器应用领域已经十分广泛，在国防、航空、航天、交通运输、能源、机械、石油、化工、轻工、纺织等工业部门和环境保护、生物医学工程等方面都大量地采用各种各样的传感器。二、传感器的分类及要求用于测量与控制的传感器种类繁多，同一被测量，可以用不同的传感器来测量；而同一工作原理的传感器，又可测量不同类型的被测量。因此，分类的方法也又很多。通常采用两种方法来分类：一种是以被测参量来分；另一种是以传感器的工作原理来分。第一节传感器三、传感器性能与选用原则1．传感器的性能传感器的输入一输出特性即是传感器的基本特性。由于输入信息的状态不同，传感器所表现的基本特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。(l)传感器的静态特性：传感器在静态信号作用下，其输入一输出关系称为静态特性：如图3-1所示，图a为理想传感器特性曲线，图b为只包含偶次项的特性，图c为只包含奇次项的特性曲线。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。l）线性度传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（线性度），如图3-2所示。2）灵敏度灵敏度是指传感器在静态信号输入情况下，输出变化对输入变化的比值s，即：dxdyS输入变化量输出变化量对线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，非线性传感器的灵敏度为一变量。一般希望传感器的灵敏度高一些，并且在满量程范围内是恒定的，即传感器的输入一输出特性为直线。3）迟滞性迟滞性表明传感器在正（输入量增大）、反（输入量减少）行程期间输入一输出特性曲线不重合的程度，如图3-3所示。产生迟滞性现象的主要原因是机械的间隙、摩擦或磁滞等因素。4）重复性表示传感器在输入量按同一方向作全程多次测试时所得特性曲线的不一致程度，如图3-4所示。(2)传感器的动态特性在传感器实际测试工作中，大量的被测信号是动态信号，不仅需要精确地测量信号幅值的大小，而且需要测量和记录动态信号的变化过程，这就要求传感器能迅速准确地测出信号为幅值的大小和不失真地再现被测信号随时间变化的实时、准确波形。传感器的动态特性是指传感器对输入信号响应的特性，一个动态特性好的传感器其输出能再现输入变化规律（变化曲线）。但实际上除了具有理想的比例特性环节外，输出信号不可能与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入之间的差异叫做动态误差。2、传感器的选用原则传感器是测量与控制系统的首要环节，通常应该具有快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求，即：l）足够的容量：传感器的工作范围或量程要足够的大，具有一定过载的能力。2）与测量或控制系统的匹配性好，转换灵敏度高要求其输出信号与被测输入信号成确定关系（通常为线性），且比值要大。3）精度适当，且稳定性高传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求，并且长期稳定。4）反应速度快，工作可靠性好。5）适用性和适应性强,动作能量小，对被测对象的状态影响小，内部噪声小又不易受外界干扰的影响，使用安全等。6）使用经济成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准。第二节位移测量传感器位移测量传感器是线性位移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。常用直线位移测量传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器等；常用角位移传感器有：电容传感器、光电编码盘等。一、电容传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。这种传感器具有结构简单、高分辨力、可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点，因此在自动检测中得到普遍应用。现以平板式电容器来说明电容式传感器的工作原理。电容是由两个金属电极和中间的一层电介质构成的。当两极板间加上电压时，电极上就会贮存有效电荷，所以电容器实际上是一个储存电场能的元件。平板式电容器在忽略边缘效应时，其电容量可表示为：ACr0mF，/1085.8_120等于真空介电常数式中：常数极板间介质的相对介电_r)_2（mmA极板的有效面积)_（mm两极板间的距离从上式可知，当其中的三个变量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。r、A、根据上述工作原理，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。1、变极距型电容传感器如图3-5a为变极距型电容传感器的原理图。图中一个电极板固定不动，成为固定极板，另一极板可左右移动，引起极板间距离相应变化，从而引起电容量变化。变极距电容传感器的初始电容C0可由下式表达:000ACr000ACr必须指出，上述讨论只在初始极距精确保持不变时成立，否则将导致测量误差。为减小这种影响，可采用如图3-6中的示的中间极移动的结构。0二、电感式传感器电感式传感器利用电磁感应原理，把被测位移量变化成线圈自感或互感变化的位置。电感式传感器结构简单，输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，但它的动态响应慢，不宜作快速动态测试。第三节速度、加速度传感器一、直流测速机直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电机。根据电机磁极激磁方式的不同，直流测速机可分为电磁式和永磁式两种。如以电枢的结构不同来分，有无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。近年来，又出现了永磁式直线测速机。常用的为永磁式测速机。测速机的结构有多种，但原理基本相同。图3-14所示为永磁式测速机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。直流测速机的输出特性曲线，如图3-15所示。从图中可以看出，当负载电阻时，其输出电压U0与转速n成正比。随着负载电阻RL变小，其输出电压下降，而且输出电压与转速之间并不能严格保持线性关系。由此可见，对于要求精度比较高的直流测速机，除采取其他措施外，负载电阻RL应尽量大。LR直流测速机的特点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电动机轴上。有的电动机本身就已安装了测速机。光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，如图3-16所示。二、光电式转速传感器光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测出转速为：第四节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，确定是否已到达某一位置。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已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。一、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，它分以下两种。1、由微动开关制成的位置传感器它用于检测物体位置，有如图3-17所示的几种构造和分布形式。2．二维矩阵式配置的位置传感器如图3-18所示，它一般用于机器人手掌内侧。在手掌内侧常安装有多个二维触觉传感器，用以检测自身与某物体的接触位置，被握物体的中心位置和倾斜度，甚至还可识别物体的大小和形状。二、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、静电容式、气压式和超声波式。其基本工作原理可用图3-19表示出来。这里重点介绍前三种常用的接近式位置传感器。1、电磁式传感器当一个永久磁铁或一个通有高频电流的线圈接近一个铁磁体时，它们的磁力线分布将发生变化，因此，可以用另一组线圈检测这种变化。当铁磁体靠近或远离磁场时，它所引起的磁通量变化将在线圈中感应出一个电流脉冲，其幅值正比于磁通的变化率。图3-20给出了线圈两端的电压随铁磁体进入磁场的速度而变化的曲线，其电压极性取决于物体进入磁场还是离开磁场。因此，对此电压进行积分便可得出一个二值信号。当积分值小于特定的闹值时，积分器输出低电平；反之，则输出高电平，此时表示已接近某一物体。2电容式传感器电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测物体接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测物体就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容C=Q/U，所以电荷的增多，使电容C随之增大，从而有使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。电磁感应式传感器只能检测电磁材料，对其它非电磁材料则无能为力。而电容传感器却能克服以上缺点，它几乎能检测所有的固体和液体材料。3．光电式传感器这种传感器具有体积小、可靠性高、检测位置精度高、响应速度快、易与TTL及CMOS电路兼容等优点，它分透光型和反射型两种。透光型光电传感器接口电路在透光型光电传感器中，发光器件和受光器件相对放置，中间留有间隙。当被测物体到达这一间隙时，发射光被遮住，从而接收器件（光敏元件）便可检测出物体已经到达。反射型光电传感器发出的光经被测物体反射后再落到检测器件上，由于是检测反射光，所以得到的输出电流Ie较小。第五节传感器前期信号处理传感器所感知、检测、转换和传递的信息表现为形式不同的电信号。按传感器输出电信号的参量形式，可分为电压输出、电流输出和频率输出。其中以电压输出型为最多。在电流输出和频率输出传感器当中，除了少数直接利用其电流或频率输出信号外，大多数采用电流—电压变换器或频率—电压变换器，从而将它们转换成电压输出型传感器。因此，本节重点介绍电压输出型传感器的前期信号处理。由于传感器输出的信号往往较弱，因此必须先将其放大。随着集成运算放大器性能的不断完善和价格的不断下降，传感器的信号放大采用集成运算放大器的越来越多。一、测量放大器在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁藕合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。图3-23为三个运放组成的测量放大器，差动输入端U1和U2分别是两个运算放大器（A1、A2）的同相输入端，因此输入阻抗很高。采用对称电路结构，而且传感器输出信号直接加到输入端上，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。测量放大器的放大倍数由下式确定：这种电路，只要运算放大器A1和A2性能对称（主要输入阻抗和电压增益对称），其漂移将大大减小，具有高输入阻抗，高共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，并适用于测量远距离传输过来的信号，因而十分适宜于与微小信号输出的传感器配合使用。)1(21120wfffUURRR