机电一体化系统设计-第三章 传感检测及其接口电路
55页1、第三章 传感检测及其接口电路,第一节 传感器 一、传感器定义及分类 1、定义: 传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的元件。,2、分类: 按输出信号分:,二、机电一体化对检测系统的基本要求 精度、灵敏度、分辨率高; 线性、稳定性和重复性好; 抗干扰能力强; 静、动态特性好。 此外,要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修,耐环境性能好等。,三、传感器特性:,静态特性:1、线性度:传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差 2、灵敏度:输出变化对输入变化的比值 3、迟滞性:在正反行程期间输入输出特性曲线不重合程度 4、重复性:输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度 动态特性:传递函数、时间响应函数、频率响应函数、脉冲响应函数。,四、传感器选用原则,快速、准确、可靠、经济的获取信号 1)足够的量程 2)与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高 3)精度适当、稳定性高 4)反应速度快、工作可靠 5)适用性和适应性强 6)使用经济,第二节 位移测量传感器,一、电容传感器 1. 变极距型电容传感器 : 当动极板因被测量变化而向上移动使减小时,电容量增大。 注意:传感器输出特性是非
2、线性的,规定在较小间隙变化范围内工作。/ 00.1,2. 变面积型电容传感器,原理:它与变极距型不同的是,被测量通过动极板移动,引起两极板有效覆盖面积A改变,从而得到电容的变化。 这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制,适合于测量较大直线位移和角位移。,3变介质型电容传感器,原理结构如图。图中两平行极板固定不动,极距不变,相对介电常数不同的电介质以不同深度插入电容器中,从而改变电容。 应用:这种电容传感器有较多的结构形式,可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度,也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。,二、电感式传感器 将被测量转换为电感量变化的装置。 变换原理:电磁感应原理。 按变换方式的不同分为自感型(可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压器)。,1、自感型 (一)可变磁阻式,1线圈 2铁心 3衔铁 由此可见:只要改变空气隙厚度或改变气隙截面积,即可改变线圈的电感量。 注意:改变空气隙厚度传感器输出特性是非线性的,规定在较小间隙变化范围内工作。,(二)涡流式,原理:金属板在交变磁场中的涡电流效应。 金属板置于一线圈附近,相互间距为。当线圈中有高频
3、交流电流通过时,便产生磁通。此交变磁通通过相邻近的金属板,金属板上便产生感应电流,这种电流在金属体内是闭合的,称为涡流。,影响因素:线圈与金属板间距离;金属板的电阻率;磁导率;线圈激磁园频率等。 变化线圈与金属板间距离,可作为位移、振动测量。变化金属板的电阻率、磁导率,可作为材质鉴别或探伤等。 应用:可用于动态非接触测量。用作涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等。 特点:结构简单,使用方便,不受油污等介质的影响。,2、互感型: 差动变压器式 原理:将被测位移转换成线圈互感变化。 注意:1、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比。只反映铁心位移大小,不反映移动极性。 2、零点残余电压。原因:两次级线圈结构不对称;初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。铁心处在中间位置时,输出不为零。 解决办法:后接电路。 应用:位移测量仪。,三、光栅,光栅是一种新型的位移检测元件,它的特 点是测量精确度高、响应速度快和量程范围大等。 1、光栅的构造:,2、工作原理: 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
4、纹,称为莫尔条绞。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列。,3、光栅的莫尔条纹有如下特点: (1)起放大作用。 (2)莫尔条纹的移动与栅距成正比。 主光栅和被测物体相连,他随被测物体的直线位移而产生位移。当主光栅产生位移时,莫尔条纹便随着产生上、下位移,若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目,便可知主光栅移动的位移,也就测得了被测物体的位移量。,1.感应同步器结构,四、感应同步器,sin,cos,节距2(2mm),节距(0.5mm),滑尺,定尺,测量方法 根据对滑尺绕组供电方式的不同,以及对输出电压检测方式的不同,感应同步器的测量方式有鉴相式和鉴幅式两种工作法。,二、感应同步器,(1) 鉴相式,根据感应电动势的相位来检测位移量,在滑尺的正弦绕组上分别输入频率、振幅相同但相位差90。的励磁电压。 UA=UMsint UB=UMcost eA=KUAcos eB=KUBsin,e=eA+eB=KUAcos KUBsin = KUMsint cos K UMcost sin = KUMsin(t ) :滑尺、定尺相对位移的折算角 =(L/ W)360 L= (/360) W W绕组的节距
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