机电系统设计 赵先仲第四章

第四章 传感器与检测系统,本章的学习内容： 4.1 传感器概述 4.2 位移传感器 4.3 速度传感器 4.4 压力传感器 4.5 温度传感器 4.6 视觉听觉传感器,一、机械量传感器分类,传感器通常是非电物理量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。,4.1 传感器概述,按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感、力传感器、温度传感器等。,温度传感器,压力传感器,扭矩传感器,角位移传感器,位移传感器,一、机械量传感器分类,按传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、 光电式等等。,压电式加速度传感器,激光位移传感器,光纤式位移传感器,超声波位移传感器传感器,电感式位移传感器,一、机械量传感器分类,1、静态响应特性,当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出输入特性。 包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。,非线性度,迟滞,灵敏度,二、传感器的特性,2、 动态特性,动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利用系统的传递函数、频率响应来描述。,调整时间 峰值时间 最大超调量 振荡次数 延迟时间 上升时间,1）时域指标,二、传感器的特性,2）频域指标,可以用幅频特性和相频特性描述,二、传感器的特性,二阶系统的脉冲输入和响应,二阶系统的阶跃输入和响应,两种典型的输入响应：,二、传感器的特性,一、电感式位移传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测物理量转换为电感量的变化。,1、自感型电感式传感器 可变磁阻式电感传感器、电涡流式传感器 2、互感型电感传感器,4.2 位移传感器,自感L可表示为：,灵敏度：,1）可变磁阻式电感传感器,1、自感型电感式传感器,如果将固定，变化空气隙导磁截面积S0时，自感L与S0呈线性关系,可变磁阻式传感器的典型结构：可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。,双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。,1、自感型电感式传感器,2）电涡流式电感传感器,高频反射式涡流传感器：高频(1MHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。 若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化。,1、自感型电感式传感器,低频透射式涡流传感器：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。当低频(音频范围)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G，使线圈2产生感应电动势e2，且e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少。,1、自感型电感式传感器,差动变压器式电感传感器：传感器由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。ev的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1e2，ey0;当活动衔铁向下移时，e1e2，ey0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化。,2、互感型电感式传感器,二、电容式位移传感器,电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。,式中： 0真空的介电常数； s 极板的遮盖面积； 极板间相对介电系数； 两平行极板间的距离。,1、极距变化型电容式传感器,如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为：,传感器的灵敏度为：,二、电容式位移传感器,2、面积变化型电容式传感器,动板与定板之间相互覆盖的面积引起电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为：,电容量为：,其灵敏度为：,二、电容式位移传感器,3、介质变化型电容式传感器的变换原理,这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。,二、电容式位移传感器,4、电容式传感器的测量电路,电容传感器为电桥的一部分。由电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。,1）电桥电路,二、电容式位移传感器,电容传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，谐振回路的阻抗将发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。,2）谐振电路,二、电容式位移传感器,3）运算放大器电路 前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压约与位移的关系转换为线性关系。如图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为,二、电容式位移传感器,1 变阻器式传感器,（1） 工作原理,R,三 、电阻式传感器,等效电路分析: Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.,三 、电阻式传感器,(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1) 线性(或曲线的一致性); 4) 移动或旋转角度范围; 2) 分辨率; 5) 电阻温度系数; 3) 整个电阻值的偏差; 6) 寿命;,(3)变阻器式传感器的分类:,三 、电阻式传感器,(4)变阻器式传感器的特点：,三 、电阻式传感器,(5) 应用,案例1：重量的自动检测-配料设备,三 、电阻式传感器,(5) 应用,案例1：重量的自动检测-配料设备,原理 用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化,三 、电阻式传感器,案例2：煤气包储量检测,原理 直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化,特点： （1）测量量程大； （2）防爆； （3）可靠； （4）成本低。,三 、电阻式传感器,案例3：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理 直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化,三 、电阻式传感器,1、工作原理,光栅是在透明的玻璃上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面上均匀地刻化出许多间隔相等的条纹，通常线条和间隙和宽度是相等的。 测量装置中由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多。,四、光栅数字传感器,把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列。,四、光栅数字传感器,2、测量系统,光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可用光电元件接受，如图中的是四块光电池，光电池产生的信号，相位彼此差90º，对这些信号进行适当的处理后，即可变成光栅位移量的测量脉冲。,四、光栅数字传感器,感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有直线式和圆盘式两类。,当给滑尺的正余弦绕组同时加励磁电压，则在定尺上感应的总电动势为：,五、感应同步器,这种码盘有两个通道与B（即两组透光和不透光部分），其相位差90°，相对于一定的转角得到一定的脉冲，将脉冲信号送入计数器。则计数器的计数值就反映了码盘转过的角度。,六、光电编码器,4.3 速度传感器,一、直流测速发电机,用于自动控制中测量转速或速度负反馈校正元件。分为永磁式和电磁式，常用的是永磁式。,测速发电机的输出电压：,测速发电机的输出特性：,4.3 速度传感器,二、码盘式转速转感器,4.3 速度传感器,一、电阻应变式,电阻应变式加速度计原理结构如图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可算出被测加速度。,一、电阻应变式,金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。,1）工作原理,金属应变片的电阻R为,一、电阻应变式,(1)当不变时,(2)当变化时,一、电阻应变式,2）金属应变片,应变计,金属应变片有： 丝式、箔式 优点： 稳定性和温度特性好 缺点： 灵敏度系数小,一、电阻应变式,3）半导体应变片,应变计,优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片.,一、电阻应变式,4）应变片的主要参数,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L 表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,一、电阻应变式,5）应用,案例1：桥梁固有频率测量,原理 在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车过障碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,一、电阻应变式,案例2：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,一、电阻应变式,1）直流电桥,信号放大电路,平衡条件,一、电阻应变式,信号放大电路,直流电桥的连接方式 a)半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥,(a)半桥单臂,(b)半桥双臂,(c) 全桥,一、电阻应变式,直流电桥平衡条件,优点：所需的高稳定直流电源较易获得；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。 缺点：直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。,平衡电桥,一、电阻应变式,2）交流电桥 平衡条件,交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定度。,一、电阻应变式,将传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形，压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。,二、压电式,4.4、压力传感器,一、工作原理,首先由弹性元件将力、力矩、压力等被测量转换成位移或应变，然后再通过转换元件将相应的位移或应变转换成电信号输出。,二、弹性元件,应变式力传感器的测量范围很大，可以从5N10MN以上，测量精度可以达到0.03%2%。,铰链弯曲式弹性元件,梁式弹性元件,受径向载荷,二、弹性元件,55,3.5、温度传感器,（一）应用 在汽车上，根据温度传感器的检测对象，可以分为发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器和排气温度传感器三种。 （二）作用,56,1、发动机冷却液温度传感器（ECT）,发动机冷却液温度传感器（ECT）用来检测发动机冷却液的温度，并将温度信号转变成电信号输送给发动机控制模块（ECU），作为汽油喷射、点火正时、怠速转速和尾气排放控制的主要修正信号。,57,HONDA汽车发动机冷却液温度传感器,58,发动机冷却液温度传感器,59,2、进气温度传感器（IAT） 进气温度传感器（IAT）用来检测进气温度，并将进气温度信号转变成电信号输送给发动机控制模块（ECU），作为汽油喷射、点火正时的修正信号。,60,进气温度传感器,61,HONDA汽车进气温度传感器,62,TOYOTA进气温度传感器,63,3、排气温度传感器 排气温度传感器用来检测再循环废气的温度，用以反映废气再循环的流量。,64,（二）结构类型 1、绕线电阻式温度传感器 2热敏式温度传感器 （1）正热敏系数的温度传感器：即随着温度的上升，传感器的电阻将增大； （2）负热敏系统的温度传感器：即随着温度的上升，传感器的电阻将减小；,65,3、温度传感器的工作过程,66,对于正热敏系数的温度传感器来说，随着温度的上升，传感器的电阻值将上升，传感器