机电一体化原理与应用PPT教程-第三章 传感器及接口技术.ppt

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1、2020年1月29日,第三章 传感器及接口技术,概述 位移测量传感器 速度、加速度传感器 力、压力、扭矩传感器 传感器信号处理,2020年1月29日,3.1 概述,3.1.1 传感器及其组成 3.1.2传感器的分类 3.1.3传感器的静态特性,2020年1月29日,3.1.1 传感器及其组成,1定义： 将被测量转换成与之有确定对应关系且易于处理和测量的某种物理量的测量部件和装置。 2构成： 敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分构成。 并不是每个传感器都含有这三部分，传感器的复杂程度不同，含有不同的元件。,2020年1月29日,敏感元件：直接感受被测量，并以确定关系输出一物理量。有光敏元件如光

2、电二极管三极管等、热敏元件如热电偶、弹性敏感元件、声音敏感元件如声控灯等 转换元件：将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、光强）转换为电参数（如电容、电感、电阻）。 基本转换电路：将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等,2020年1月29日,3.1.1 传感器分类,1）按工作原理 2）按被测物理量 3）按输出信号性质,2020年1月29日,3.1.3 传感器的静态特性,传感器静态特性：指被测量的值处于稳定状态时，传感器的输出输入关系。 静态特性指标：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂,2020年1月29日,1、线性度 线性度的优点：在标定的时候或处理数据时，带来方便

3、。所以设计传感器时，尽量使输入和输出成线性关系；购买传感器时，尽量选择线性度高的传感器。但总存在非线性误差。 非线性误差：实际静态校准曲线和理论直线之间的偏差。,2020年1月29日,2、灵敏度 灵敏度：在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值。 线性传感器的灵敏度是常数,2020年1月29日,3、迟滞 定义：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入特性曲线的不重合程度。 迟滞误差通常以满量程输出的百分数表示,2020年1月29日,4、重复性 定义：传感器按同一方向作全量程连续多次重复测量时，输出输入曲线的不一致程度。 Rm输出最大重复性误差；Yi第i次测量值；y 测量值平均值

4、；n测量次数；,2020年1月29日,5、分辨力 传感器能检测到的最小输入增量 6、零漂 传感器在零输入状态下,输出值的变化称为零漂,2020年1月29日,传感器的动态特性,动态特性：指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。 动态特性好的传感器，输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律。,2020年1月29日,3.1.4 不同领域使用的传感器,2020年1月29日,3.2 位移测量传感器,位移传感器分类：直线位移传感器和角位移传感器 前者主要有：电感传感器、电容传感器、感应同步器和光栅传感器 后者主要有：电容传感器、旋转变压器、光电编码器 3.2.1 电感式传感器 3.2.2

5、电容式位移传感器 3.2.3 光栅位移传感器,2020年1月29日,3.2.1 电感式传感器,3.2.1.1 自感型电感式位移传感器 3.2.1.2 互感型电感式位移传感器,2020年1月29日,3.2.1.1 自感型电感式位移传感器,1、可变磁阻式电感传感器 1）构成：线圈、铁心和活动衔铁 2）结构：变气隙式 3）测量原理：被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随之移动，空气隙发生变化，引起磁阻发生变化，从而引起电感值发生变化。,2020年1月29日,4）自感： 其中w线圈匝数；0空气导磁率；A0空气导磁面积；空气隙 5） 显然传感器的灵敏度与空气隙的平方成反比，显然存在

6、非线性误差；空气隙越小，灵敏度越高。 6）特点：非线性严重，线性度为3%；示值范围小，一般为0.001-1mm；分辨力及灵敏度高，分辨力可达0.1um；制造装配困难。,2020年1月29日,2、改变空气隙导磁截面积的传感器 结构：线圈、铁心和活动衔铁 原理：工作时空气间隙不变，改变的是导磁面积 特点：线性度好，示值范围大。灵敏度低，需配有放大电路,2020年1月29日,3、可变磁阻差动式传感器 结构：两个相同的线圈、铁心和活动衔铁构成 原理：当活动衔铁处于铁心中央时，两线圈的自感相等，当有位移，两个线圈的间隙为0，0，这时一个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减小，当两个输出信号接入桥式电路时，

7、输出灵敏度提高一倍，并改善了线性特性。,2020年1月29日,4、涡流式传感器 原理：利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。 涡流产生：线圈输入一交变电流，产生交变磁场，下方的金属板在交变磁场中会产生感应电流，由于电流在金属体内是闭合的，所以称之为涡电流，又称涡流。,2020年1月29日,影响涡流的因素：涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度、金属板与线圈的距离、励磁电流角频率等有关。 保持其它参数不变，距离发生变化时，涡电流就发生变化 分类：高频反射式和低频透射式两种。,2020年1月29日,1）高频反射式涡流传感器 原理：高频激励电流产生高频磁场，作用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡

8、电流，同时，涡电流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感或阻抗发生变化， 阻抗变化量与金属板的电阻率、磁导率、金属板与线圈的距离、励磁电流角频率等有关。,2020年1月29日,结构：CZF1型涡流传感器有线圈、框架、框架衬套、支架、电缆 、插头组成。,2020年1月29日,应用： 动态非接触测量 线性范围及工作范围大，可测0-30mm距离 灵敏度高、结构简单、不受油污介质影响 应用于位移、材料厚度、探伤检测 *注：应用于金属材料,2020年1月29日,特点： 被测导体的电导率、磁导率对传感器的影响： 被测体的电导率越高，灵敏度也越高 ； 磁导率则相反，被测体的磁导率越高，灵敏度越低，而且被

9、测导体有剩磁 ，将影响测量结果 ，应予消磁。 被测导体表面镀层对测量精度的影响： 若镀层性质和厚度不均匀 ，在测量转动或移动的被测物体时，这种不均匀将形成干扰信号， 影 响测量精度 ，尤其是激励频率较高时，涡电流的贯穿深度减小，这种干扰影响更大。,2020年1月29日,2）低频透射式涡流传感器 工作原理: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。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频电压 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 。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势 e2 减少，当金属板材料 G 越厚时，损

10、耗的能量越大，输出电动势 e2 越小。,2020年1月29日,e2 的大小与 G 的厚度及材料的性质有关，试验表明， e2 随材料厚度 h 的增加按负指数规律减少 ,如图所示，若金属板材料的性质一定，则利用 e2 的变化即可测量其厚度。,2020年1月29日,不同激励频率下的输入输出关系： 当激励频率较高时，曲线的线性度不好，但当厚度较小时，灵敏度较高 。 测量薄导体时， 应选择何种频率？ 测量厚导体时， 应选择何种频率？,2020年1月29日,涡流式传感器的应用 ： 涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数测量，它可实现非线性测量。,2020年1月29日,3.2.1.2 互

11、感型差动变压器式电感传感器,1、组成： 线圈、铁芯和活动衔铁三个部分组成。 线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈。,2020年1月29日,2、原理,2020年1月29日,3、优点： 精度高，可达1um；测量范围大，可达200mm；结构简单，稳定性好。,2020年1月29日,3.2.2 电容式位移传感器,3.2.2.1 原理及分类 3.2.2.2 极距变化型电容式传感器 3.2.2.3 面积变化型电容式传感器,2020年1月29日,3.2.2.1 原理及分类,1、工作原理 在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为 ： 0 真空的介电常数， ( 0 =8.854 10 -12 F/m ）；

12、 R 极板间介质的相对介电系数，空气 R = 1 ； A 极板的相互遮盖面积； 两平行极板间的距离。,2020年1月29日,2、分类 根据电容器参数变化的特性，可分为极距变化型、介质变化型、面积变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广,2020年1月29日,3.2.2.2 极距变化型电容式传感器,1、原理 相互覆盖面积和极间介质不变，极距变化改变电容 传感器的灵敏度为： 灵敏度 S 与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。,2020年1月29日,2、优点：灵敏度高适于小位移的精确测量 3、缺点：存在非线性，杂散电容对灵敏度和测量精度影响大、与传感器配合的

13、电子线路复杂，应用受限制。,2020年1月29日,3.2.2.3 面积变化型电容式传感器,1、分类： 变面积型电容式传感器分为：角位移型、线位移型 。 线位移型又分为：平面线位移型、圆柱线位移型。,2020年1月29日,2、 角位移型电容传感器 测量原理：当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就变化，因而导致电容量变化。 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 ：,2020年1月29日,3、平面线位移型电容式传感器,测量原理：当宽度为 b 的动板沿箭头方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化 平面线位移型电容传感器电容： 灵敏度为：

14、,2020年1月29日,4、圆柱线位移型电容式传感器,圆柱线位移型电容器的电容为 ： 灵敏度为：,2020年1月29日,面积变化型电容传感器的优点： 输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量 。,2020年1月29日,3.2.3 光栅位移传感器,3.2.3.1 基本概念与原理 3.2.3.2 光栅传感器的结构,2020年1月29日,3.2.3.1 基本概念与原理,1、 光栅 在玻璃尺或玻璃盘上类似于刻线标尺或度盘那样 ，进行长刻线的密集刻划，得到如图所示的黑白相间、间隔相同的细小条纹，没有刻划的白的地方透光，刻划的发黑，不透光，这就是光栅。 如图，

15、w为栅距，a为线宽，b为缝宽，一般取 a = b 。,2020年1月29日,分类： 按形状和用途可分为 长光栅和圆光栅两种； 按光路分为透射光栅和反射光栅；,2020年1月29日,2、莫尔条纹的形成 将栅距相同的两块光栅的刻线面相对重叠在一起，并且使二者栅线有很小的交角 ，这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。,2020年1月29日,莫尔条纹的形成原理（几何原理）： 两光栅面平行放置，当一块光栅的栅线（不透光部分）叠合在另一块光栅的缝隙位置时，在这个位置上将没有或很少有光线透过，此位置最暗； 而在两个光栅栅线互相叠合的区域或两个光栅栅线交点区域光栅透光部分没有遮挡

16、，则透光面积最大，此位置最亮 若将最暗位置和最亮位置分别连接起来，则形成最暗或最亮带，即莫尔条纹。,2020年1月29日,莫尔条纹宽度、两光栅栅距和夹角的关系为：,2020年1月29日,3、莫尔条纹的性质 当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔 B ；当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，即莫尔条纹移动量和移动方向与光栅尺之间位移有一一对应关系，因此可以通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动。,2020年1月29日,莫尔条纹对栅距具有放大作用 对光栅栅距局部误差有消差作用 莫尔条纹光强近似为正弦变化,2020年1月29日,4、莫尔条纹测量位移原理,当两光栅相互移动时，莫尔

17、条纹也相应的发生移动，当两光栅相对移动一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹（周期）； 反之当莫尔条纹移动一个条纹（周期），则两光栅相对移动一个栅距，因此对莫尔条纹计数可求得两光栅相互移动的位移量。 位移量为 x = Nw ，其中 N 为条纹数， w 是栅距。,2020年1月29日,3.2.2.2 光栅传感器的结构,1、构成： 光源、光学系统、光栅付和光电接收元件,2020年1月29日,2020年1月29日,2020年1月29日,2020年1月29日,1）光源 ：供给光栅传感器工作时所需光能 主要包括白炽灯和红外发光二极管两种。 白炽灯： 光源具有电路简单、价格低的优点， 缺点是光效率低、辐射热量大

18、、寿命短、单色性差。 由白炽灯做光源的照明系统由光源、透镜、转角棱镜等组成。,2020年1月29日,红外发光二极管: 红外发光二极管（砷化镓GaAs）是半导体光源，具有体积小、频响高、寿命长（可达10年之久）、峰值波长（0.9m）与接收元件灵敏度相匹配等优点，目前被广泛采用。 缺点是光通量低和发散角较大（约20）。,2020年1月29日,2)光学系统 ： 将光源发出的光转换成平行光。 3）光栅付：包括主光栅和指示光栅 主光栅又叫标尺光栅，是测量的基准。 标尺光栅比指示光栅长，可长达3m，标尺光栅的尺寸常由测量范围确定。 指示光栅则为一小块，只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可。,2020年1月

19、29日,整个测量装置的精度主要由主光栅的精度来决定。,2020年1月29日,4）光电接收元件： 将光栅付形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出 常用的光电接收元件:光电二极管、光电三极管、硅光电池三种。 光电二极管响应快，响应时间大于107秒。,2020年1月29日,三极管与二极管相比，响应时间大约105秒；但三极管比二极管有更高的灵敏度，三极管光电流随温度变化引起的变化比光电二极管大。 硅光电池特性?,2020年1月29日,2、特点 信号处理方式简单，使用方便；测量高精度、高分辨力可达0.1微米；量程大； 光栅尺价格较昂贵；对工作环境要求较高；玻璃光栅尺的线胀系数与机床不一致，易造成测量

20、误差。,2020年1月29日,3.2.4感应同步器,1定义 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随相对位置不同而变化的原理, 将直线位移或角位移转换成电信号而进行测量。 它是一种测量位移的平面变压器式位移 数字传感器。,2020年1月29日,2、分类 直线式感应同步器 圆盘式感应同步器,2020年1月29日,上面的定尺和下面的滑尺组成。 定尺的长度由测量范围决定，节距通常为2mm，滑尺较短，它是由两个绕组构成，其中一个叫正弦绕组，另一个叫余弦绕组，这两个绕组要错开1/4节距,直线感应同步器示意图,2020年1月29日,2020年1月29日,3、结构 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成, 圆盘式感

21、应同步器由定子和转子组成。 在定尺上是连续绕组, 在滑尺上则是分段绕组。正、余弦绕组要错开1/4节距 转子上是连续绕组,在定子上则是分段绕组。分段绕组分为两组, 在空间相差90相角, 故又称为正、余弦绕组。,2020年1月29日,2020年1月29日,4、工作原理 工作时滑尺在定尺上滑动，在滑尺正、余弦绕组上通以交流激励电压； 由于电磁耦合, 在定尺绕组上就产生感应电动势, 该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、 余弦函数变化； 对此信号检测处理, 便可测量出滑尺相对定尺的位移量。,2020年1月29日,5、 信号处理方式 （1）鉴相方式 根据产生的感应电动势相位的大小来测量位移。 滑尺绕

22、组加上等幅等频, 相位差为90的交流电压, 分别以VA Vm sint和VB Vm cost来激励 当滑尺相对于定尺移动时，定尺的感应电势的相位不断变化， 反之根据感应电动势的相位来鉴别位移量, 故叫鉴相型。 ,2020年1月29日,当正、余弦绕组单独激励时，定尺绕组的感应电势幅值与滑尺绕组的相对位置变化关系：,2020年1月29日,仅对正弦绕组A施加交流电时，定尺绕组的感应电动势为：,2020年1月29日,仅对正弦绕组B施加交流电时，定尺绕组的感应电动势为：eB=-K VB sin 对滑尺两个绕组同时施加交流电压时，定尺上的总感应电动势为：,2020年1月29日,位移计算公式：,2020年1

23、月29日,(2)鉴幅方式 在滑尺的两个绕组上施加频率和相位均相同，但幅值不同的交流激励电压：,2020年1月29日,设此时定尺绕组和滑尺绕组的相对位移角为，则定尺绕组上的感应电势为： 感应电势中幅值随相对位移角不同而变化。,2020年1月29日,6、感应同步器的特点 抗干扰能力强； 使用寿命长，维护简单； 可以作长距离位移测量； 工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。对工作环境条件要求不高； 测量精度约为25m,2020年1月29日,3.3 速度、加速度传感器,3.3.1 直流测速机 3.3.2光电式转速传感器 3.3.2 加速度传感器,2020年1月29日,3.3.1 直流测速机,1、分类

24、： 激磁方式：永磁式和电磁式 电枢结构：无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢、圆盘电枢,2020年1月29日,2、原理： 永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈； 电磁式工作时励磁绕组加直流电压U1励磁； 转子在磁场中旋转时，电枢绕组中产生交变电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势,2020年1月29日,2020年1月29日,当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势E，其大小为： 发电机的输出电压为： 代入 ， 于是有： 可见，当励磁电压U1保持恒定时（ 亦恒定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与电枢转速 n 成正比。这样，发电机就把被测装置的转速信号转

25、变成了电压信号。,2020年1月29日,3、特点： 输出斜率大，线性好；由于有电刷和换向器，构造和维护比较复杂；摩擦转矩大 4、应用： 测速和校正，安装于电机轴上，有的电机本身安装了测速机。,2020年1月29日,3.3.2光电轴角编码器,1、概念：光电轴角编码器是一种数字式测角部件，它把机械轴角转换成一组数字代码输出，与计算机和显示装置连接后可实现动态测量和实时控制,2020年1月29日,2、构成 照明系统（光源）、码盘、读取狭缝、光敏元件,2020年1月29日,2020年1月29日,码盘：是光学圆盘上刻有许多圈栅距相等或不等的光栅，而圈与圈之间是按一定规律编排的，因而任何径向位置只有唯一一

26、组代码，将这一特征图案叫做绝对编码，其圆盘上刻有此编码的叫编码盘,2020年1月29日,编码盘上图案常采用二进制计数，透光部分表示“1”，不透光部分表示“0”，每一圈码道相当于二进制数中的一位数，许多码道按二进制规律组合起来的图案就能代表一组二进制数。,2020年1月29日,2020年1月29日,狭缝:与码盘配对使用的另一重要零件， 它限定了从码盘上提取信号的位置，保证 从码盘上正确读取数据，码盘相对狭缝旋 转时，透过狭缝的光通量被码道图案调制， 并为光电器件接收，变为光电流输出，其 幅值随码盘转角变化，变化周期取决于码 道线条宽度。,2020年1月29日,3、编码器的结构形式 整装和散装 整

27、装编码器有自己的轴系，装调、维修、更换方便。但其占用的结构尺寸较大，需要精密联轴节。应用在结构尺寸较宽松的场合。 散装编码器没有自己的轴系，码盘直接固定在用户仪器的主轴上，没有联轴误差，但装调、维修不方便，常用于对尺寸有特殊要求的场合，如在光电经纬仪上常采用。,2020年1月29日,2020年1月29日,4、编码器的分类 增量式和绝对式 增量式编码器： 刻线间距均一，计数器相对于基准位置（零位）对输出脉冲进行累加计数。正转则加，反转则减。 有相对零点、易受干扰、断电后再工作需重新标定，有累积误差。,2020年1月29日,2020年1月29日,绝对式编码器： 一般使用二进制码盘，将角度信息以代码

28、的形式刻制存贮在码盘上，码盘上的码道按一定规律排列，对应每一分辨力区间有唯一的二进制数，在不同的位置，可输出不同的数字代码，处理后输出的角位置代码是转角的单值函数。 具有零点固定、抗干扰强、断电后再工作不用重新标定，无累积误差等优点。,2020年1月29日,2020年1月29日,5、用途 应用在靶场测量设备中，用于给出空间 目标的角度值。,2020年1月29日,2020年1月29日,3.3.2 加速度传感器,1、工作原理 利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化为电量，间接度量被测加速度 2、分类： 应变式；压电式；电磁感应式,2020年1月29日,应变式加速度传感器

29、： 由质量块、悬臂梁、应变片构成。 当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片变形便可测出力的大小，质量已知，便可求加速度。,2020年1月29日,压电式加速度传感器： 传感器与被测物体固定。 当有加速度时，质量块受力，使压电元件变形，受压变形后产生电荷，电荷量与加速度成正比。,体积小，重量轻；动态范围宽；灵敏度高；应用较为广泛,2020年1月29日,3、加速度传感器应用 汽车制动启动检测；地震检测；工程测振；地质勘探；铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；高层建筑结构动态特性,2020年1月29日,3.4 力、扭矩传感器,1、分类： 电阻应变式、弹性式、气电式、位移式、和相位差式等,

30、2020年1月29日,2、电阻应变式传感器的构成 应变片（分金属和半导体）、弹性元件、测量电路,2020年1月29日,3、电阻应变式传感器基本原理 利用弹性敏感元件将被测力、扭矩转变为应变、位移； 然后通过粘贴在其表面的电阻应变片换成电阻的变化 经过转换电路输出电流或电压信号。,2020年1月29日,4、弹性元件类型 测力传感器品种多，主要差别是弹性元件的结构形式不同，以及应变片在弹性元件上粘贴的位置不同。 弹性元件有：柱形、筒形、环形、梁式,2020年1月29日,圆柱形和筒形：,结构简单，可承受较大载荷（拉、压力）；抗偏心载荷能力差，高度大。,2020年1月29日,圆环形：,2020年1月2

31、9日,悬臂梁式,结构简单；容易加工；粘贴应变片方便；灵敏度较高,2020年1月29日,测扭应变片贴法,2020年1月29日,5、应变-电阻变化关系 金属电阻应变片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 若金属丝的长度为 L ，截面积为 S ，电阻率为 ，其未受力时的电阻为 R ，则 ：,2020年1月29日,如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度 L 变化 dL ，截面积 S 变化 dS ，电阻率不变，因而引起电阻 R 变化 dR 。将上式微分，整理可得: 对于圆形截面有 : 所以有：,2020年1月29日,为金属丝轴向相对伸长，即轴向应

32、变； 而dr/r 则为电阻丝径向相对伸长，即径向应变， 两者之比即为金属丝材料的泊松系数 ，负号表示符号相反，有dr/rdL/L* 最后整理得：,2020年1月29日,K 称为金属丝的灵敏系数 ,指单位应变所引起的电阻相对变化。通常金属电阻丝的 K =1.7 3.6 之间,2020年1月29日,3.5位置传感器,1、概念明确 位移传感器：测量一段距离的变化量 位置传感器：是否到达某一位置，是开关量，有两个状态 2、分类： 接触式位置传感器和接近式位置传感器 接触式：判断两个物体是否接触 接近式：在某一范围内是否有两个物体接近,2020年1月29日,3.5.1接触式位置传感器,1、微动开关制成的

33、位置传感器,2020年1月29日,2020年1月29日,2020年1月29日,2、二维矩阵配置式 作用：多点检测 应用领域：机器人手掌内侧，在手掌内侧常按有多个二维触觉传感器，用以检测自身与某一物体的接触位置，被握物体的中心位置和倾斜度，甚至识别物体的大小和形状。,2020年1月29日,3.5.2接近式位置传感器,1、分类： 按工作原理分为电磁式、光电式、电容式、气压式、超声波式,2020年1月29日,2、光电式 1、优点：体积小；可靠性高；检测位置精度高；响应速度快；易于TTL电路兼容。 2、分类 透光型和反光型,2020年1月29日,1）透光型 原理：发光器件与受光器件相对放置，中间留有间

34、隙，当被测物体到达这一间隙时，发射光被遮住，接收器件通过接收到的光强的变化检测物体是否已经到达。 组成：发光器件、受光器件（光敏二极管/光敏三极管）、功率输出级等,2020年1月29日,2020年1月29日,2）反射型 原理：发射器件发出的光经过被测物体反射后，再射到接收器件上，与透射型原理相反。 组成：发光器件、受光器件（光电二极管/光电三极管）、功率输出级等,2020年1月29日,2020年1月29日,3.7传感器前级信号处理,1、模拟式检测系统前向通道：,传感器,放大,滤波,采样,A/D,计算机,2020年1月29日,2、模拟式传感器的信号输出形式：电压、电流、频率,2020年1月29日

35、,3.7.1信号放大电路,3.7.1.1 减少噪声和提高稳定性的方法 3.7.1. 2 高输入阻抗放大器 3.7.1. 3 高共模抑制比放大器,2020年1月29日,3.7.1.1减少噪声和提高稳定性的方法,1、常用减少放大器噪声的方法 1）压缩放大器带宽，滤除通带以外的噪声信号； 2 ）选用低噪声放大器件； 3 ）减少接地电缆寄生电容的影响；,2020年1月29日,2、提高放大器稳定性的方法： 1）采用高稳定度的无源元件或采用直流负反馈来稳定静态工作点； 2 ）采用集成运算放大器及深度负反馈来稳定放大倍数； 3 ）采用电容和电阻进行相位补偿，以消除寄生电容或其它寄生耦合所引起的自激振荡; 4

36、 ）妥善接地与屏蔽，以减少寄生电容、寄生耦合等因素的影响； 5 ）采取散热与均热措施，以保证温度稳定，减少热漂移。,2020年1月29日,3、放大器的选择原则 高共模抑制比；高增益；低噪声；高输入阻抗。,2020年1月29日,3.7.1.2高输入阻抗放大器,同相输入提高输入阻抗 1.同相输入放大器 2.同相输入差动放大器,2020年1月29日,1.同相输入放大器,当Rf0时,电压跟随器,2020年1月29日,2.同相输入差动放大器,a,2020年1月29日,如果,2020年1月29日,3.7.1.3高共模抑制比差动放大器,2020年1月29日,3.7.1.4测量放大器,同相输入，输入阻抗很高

37、差动输入，共模信号抑制能力强,2020年1月29日,令，,2020年1月29日,2020年1月29日,3.7.2程控增益放大器,程控增益放大器：可编程控制放大器的放大倍数 应用背景： 在进行模数转换时，在输入允许的范围内，希望尽可能达到最大值； 当被测量变化范围比较大时，传感器输出的模拟信号变化范围也比较大，此时单纯只使用一种放大倍数的放大器无法满足上述要求,2020年1月29日,改变反馈电阻实现量程变换的可变换增益放大器：,2020年1月29日,2020年1月29日,3.7.3隔离放大器,隔离放大器：可应用于高共模电压环境下的小信号测量，对被测对象和数据采集系统予以隔离，从而提高共模抑制比，

38、同时保护电子仪器设备和人身安全。,2020年1月29日,两种耦合方式：变压器耦合、光电耦合,2020年1月29日,2020年1月29日,2020年1月29日,3.8传感器接口技术,3.8.1传感器信号的采样/保持 1、概念 采样：把时间连续的信号变成一连串不连续的脉冲时间序列的过程。 保持：由于采样信号在函数轴上仍是连续变化的模拟量，因此需要A/D转换器将其转换成数字量，A/D转换过程需要一定时间，为防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变。,2020年1月29日,功能：在对模拟信号进行模数转换时，从启动变换到变换结束的数字输出，需要一定时间（A/D转换的孔径时间）。当信号频率较高时，由于

39、转换时间的存在，会造成较大的转换误差；为了防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时，将信号电平保持住，而在A/D转换结束后，又能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态。,2020年1月29日,2、采样/保持器结构 构成：主要由模拟开关和存储电容构成 模拟开关：采样作用 存储电容：保持作用,2020年1月29日,3、LF398采样/保持器,构成：输入缓冲、输出驱动、控制电路,2020年1月29日,2020年1月29日,3.8.2多通道模拟信号输入技术,检测系统中存在多个传感器时，如何采集各个传感器的信号?,2020年1月29日,对多个传感器进行信号采集时，每一路都采用放大、滤波、采样/保

40、持、AD转换，导致：系统体积庞大；且模拟器件、阻容元件参数和特性不一致，系统较准带来困难；成本增加。 所以需要多路传感器共用采样/保持器、AD转换器,2020年1月29日,但在某一时刻到底哪一路传感器信号在进行采样/保持、A/D转换呢？ 由多路模拟开关选择。,2020年1月29日,1、常用模拟多路开关 1）单端8通道 8选1多路模拟开关,2020年1月29日,2）单端16通道 16选1多路模拟开关,2020年1月29日,3)差动4通道 相同地址时， 两路同时选通,2020年1月29日,2、多路开关的应用,2020年1月29日,2020年1月29日,3、多路开关选用注意事项 1) 在传输信号电平

41、较低的场合，可选用低压型多路模拟开关，电路抗干扰能力强。 2) 对传输精度高，而信号变化慢的场合，可选用机械触点式开关 3) 切换速度高，路数多的情况下，宜选用模拟开关。 4) 模拟开关的速度需大于采样保持电路和A/D的速度,2020年1月29日,5)精度、稳定性、阻值等要综合考虑,2020年1月29日,3.8.3 A/D转换器接口技术,1、模数转换器：实现模拟量到数字量转换的设备 2、选择原则：速度、精度、价格,2020年1月29日,3、逐次逼近型A/D转换器 1）特点：速度较快，精度较高 2）构成：比较器、N位逐次逼近寄存器、时序控制逻辑电路、以及D/A转换器、输出缓冲器,2020年1月2

42、9日,3）工作原理 a）在启动信号的作用下（由低电平到高电平），使n位寄存器的最高位置1，其它位置0，此时的数字量径D/A转换，送入比较器的同相输入端，与输入电压Vx比较，若Vx大于等于Vn，则保留最高位为1不变；反之，该位清0。,2020年1月29日,b）然后控制逻辑使寄存器下一位置1，与上次的结果一起经D/A转换,与Vx比较，重复上述过程。 c）反复重复上述过程，直到判断出D0位取1还是取0 d）此时DONE发出信号，表示转换结束。 e）经过N次比较后，N位寄存器的状态就是转换后的数字量数据，经输出缓冲器输出。,2020年1月29日,4) ADC0809A/D转换器 ADC0809是采用逐

43、次逼近原理的8位A/D转换芯片，28脚双列直插,2020年1月29日,a) 构成：8路模拟开关、8位AD转换器、地址锁存译码器、三态输出锁存器,2020年1月29日,b) 引脚说明 IN0IN7：8路模拟量输入端，量程05V； D0D7：8位转换结果数据输出端； A，B，C：通道地址输入端； ALE：通道锁存控制信号输入端，ALE上升沿将A，B，C三地址线的状态锁存到片内通路地址寄存器中；,2020年1月29日,CLK：转换时钟输入端； START：启动转换控制信号输入端，正脉冲有效； EOC：转换结束信号输出端，高电平有效； OE：数据输出允许控制端，高电平有效。 VR(+),VR(-)：参

44、考电压,2020年1月29日,2020年1月29日,4、双积分A/D转换器,（1）工作原理 基于间接测量原理，将被测电压值Vx转换成时间常数，由测量时间常数得到未知电压值,2020年1月29日,构成：电子开关、积分器、比较器、计数器、逻辑控制门,2020年1月29日,2020年1月29日,（2）MC14433,2020年1月29日,a)主要技术性能 转换精度：1字 转换速率：4 10次/s 量程：199.9mV或1.999V（由基准电压VR决定） 基准电压：200mV或2V 转换结果输出形式：分时输出BCD码,2020年1月29日,b) 引脚说明 VDD:主电源，5V； VEE: 模拟部分负电

45、源，5V； VSS：数字地； VR：基准 VX：被测电压输入引脚； VAC：模拟地 R1, C1, R1/C1：积分电阻、电容输入引脚，C1 取0.1uF，R1取27k，或者470 k。 C01，C02:接失调补偿电容C0,一般为0.1uF,2020年1月29日,CLKI，CLKO：时钟信号输入输出端，接300K电阻； EOC：转换结束状态输出线，当一次转换结束后，EOC输出一个宽为1/2个时钟周期的正脉冲。 DU：定时输出控制端，高电平有效，使转换结果送至结果寄存器。若DU与EOC相连，则每次A/D转换结束后自动启动新的转换。 OR/：过量程状态信号输出线，低电平有效，当|Vx|VR时 ，O

46、R/输出为低电平,2020年1月29日,DS4DS1：分别是个、十、百、千位的选通脉冲输出线； Q3Q0：BCD码数据输出线，动态输出千位、百位、十位、个位值； DS1有效时，Q3Q0以BCD码输出百位值； DS2有效时，Q3Q0以BCD码输出百位值； DS3有效时，Q3Q0以BCD码输出十位值； DS4有效时，Q3Q0以BCD码输出个位值；,2020年1月29日,转换结果输出的时序波形,2020年1月29日,3.10 数字滤波,1、数字滤波的优点 （1）程序实现，不需要硬件，不存在阻抗匹配，可以多通道共用，节约成本，提高可靠性，稳定性 （2）可对频率很低的信号滤波，模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低,2020年1月29日,（3） 灵活性好，简单修改参数可实现不同频率的滤波 2、数字滤波的方法 算术平均值法 中值滤波法 惯性滤波法 程序判断滤波法,