第四章 传感检测技术

第四章 传感检测技术 4.1 概述 4.2 检测系统设计 4.3 传感器组成与特性 4.4 常用传感器原理 4.5 信号处理电路第四章 传感检测技术4.1 概述VS图1 传感器的作用4.1 概述‹ 力 ‹ 温度 ‹ 距离 ‹ 位移 ‹ 速度 ‹ 加速度4.1 概述传感器：把各种非电量信号转换为电信号。

信号调理电路：对传感器输出的电信号进行加工。

图2 检测系统的组成第四章 传感检测技术4.2 检测系统设计在机电一体化研究、应用和产品开发中，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。

实验分析法，通过实验测试为理论分析提供依据，并对 所设计的检测系统进行修正。

4.2 检测系统设计设计任务分析 系统方案选择 系统构成框图设计 环节设计与制造总装调试及实验分析系统运行和考核第四章 传感检测技术4.3 传感器组成与特性一、传感器的组成敏感元件：直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量 。

转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换为电参量。

基本转换电路：将电参量转换成便于测量的电量。

图3 典型传感器组成4.3 传感器组成与特性 二、传感器的分类‹ 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 ‹ 按输出信号的性质分类4.3 传感器组成与特性图4 传感器按输出信号的性质分类4.3 传感器组成与特性基本转换电路：将电参量转换为电量。

调制：提高输出信号的抗干扰能力。

量程切换电路：适应不同测量范围。

图5 典型模拟式传感器检测系统4.3 传感器组成与特性图6 典型数字式传感器检测系统4.3 传感器组成与特性 三、传感器的特性 1、静态特性Δ max × 100% E=± YFS图7 传感器的线性度表示4.3 传感器组成与特性S n = Δy / Δx图8 传感器的灵敏度定义4.3 传感器组成与特性Δm Ey = ± × 100% YFS图9 传感器的重复性表示4.3 传感器组成与特性| yi − y d | Ey = × 100% YFS图10 传感器的迟滞现象4.3 传感器组成与特性 2、动态特性 动态特性是传感器对输入激励的输出响应特性。

图11 传感器的阶跃响应特性第四章 传感检测技术4.4 常用传感器原理一、位移、角度的测量l R=ρ S图12 电位计式电阻传感器4.4 常用传感器原理图13 接上负载的电位计图14 电位计的输出特性4.4 常用传感器原理图15 YHD型电位计式位移传感器4.4 常用传感器原理测量范围可达到 0.01-100mm图16 差动变压器的原理4.4 常用传感器原理图17 差动变压器的输出特性4.4 常用传感器原理图18 二极管相敏检波器4.4 常用传感器原理εAdC=改变平行板间距，测量灵敏 度高，可测量微米级的位移。

改变平行板面积，只适用于 测量厘米级的位移。

图20 平行板电容器4.4 常用传感器原理εA(1 +C1 = d0Δd ) d0Δd = C0 + C0 d0图19 变极距型电容式传感器4.4 常用传感器原理C0 =εAdθ εA(1 − ) θ π C1 = = C0 − C0 π d图20 电容式角位移传感器4.4 常用传感器原理增量式编码器图21 旋转编码器的基本原理4.4 常用传感器原理 绝对式编码器图22 绝对式编码器码盘4.4 常用传感器原理4.4 常用传感器原理 增量式编码器图24 增量式编码器4.4 常用传感器原理图25 增量式编码器鉴向原理4.4 常用传感器原理 增量式编码器测速原理 频率法n=N1/N*60/t (r/min)在给定的时间范围内对编码器所产生的脉冲进行计数。

周期法n=N2/N*60/T (r/min)测量给定数目的编码器脉冲所持续的时间。

4.4 常用传感器原理 二、距离的测量at L= 2a = 20.067 T图26 超声波传感器测距离4.4 常用传感器原理正向阈值电压 负向阈值电压 波形的上升沿明 显变缓，上升沿 和下降沿产生振 荡现象，出现附 加噪声。

图27 施密特触发器波形图4.4 常用传感器原理雷达式测距 调制式测距发射光强度cT L= 2I t (t ) = I 0 (1 + m sin ωt ) 接收光强度 I r (t ) = γI t (t − T ) = γI 0 [1 + m sin ω (t − T )] 相敏检波I r (t ) sin ωt = γI 0 {sin ωt +图28 激光传感器γI m m [cos ωT − cos(2ωt − ωT )]} = 0 cos ωT 2 24.4 常用传感器原理 三、速度、加速度的测量nC 0φ U= r0 1+ RL图29 测速发电机原理及电路4.4 常用传感器原理p T= mv cos θ pf v cos θ = m图30 空间滤波器原理4.4 常用传感器原理图31 基于相关法的速度检测原理4.4 常用传感器原理v f d = f r − f 0 = 2 f 0 cos θ ccf d v= 2 f 0 cos θ图32 多普勒测速原理4.4 常用传感器原理地震仪式拾振器 + c( x −x 1 ) + k ( x − x1 ) = 0 m x r + cx  r + kxr = −m 1 m x x2    x r + 2ξωn x r + ω n x r = −α 1ωn为固有频率 ξ 为阻尼比 α1为x1的加速度图33 加速度传感器原理4.4 常用传感器原理G( s) =−1 s + 2ξω n s + ω n2 2ω λ= ωn− (1 ω n ) 2 G ( jω ) = 1 − λ2 + j 2ξλ振动频率比−12ξλ Φ = − tan − 180° 图34 2 1− λ 2 (1 ω n ) xr G ( jω ) = = α1 (1 − λ2 ) 2 + (2ξλ ) 2加速度传感器的频率特性ξ = 0 .7λ << 14.4 常用传感器原理图35 加速度传感器的结构4.4 常用传感器原理 四、力、扭矩的测量ρlAR=ΔR Δρ Δl ΔA = + − R ρ l AK=ΔR Rε= 1 + 2v +Δρ ρε图36 电阻应变片4.4 常用传感器原理图37 重力传感器的原理4.4 常用传感器原理Q = δFC=εSdd F F = gd U =δ εS S图38 压电元件的原理第四章 传感检测技术4.5 信号处理电路一、运算放大器的理想模型开环电压放大倍数 Auo →∞ （实际可达104到107 ） 差模输入电阻 rid →∞ （实际可达几兆欧） 开环输出电阻 ro →0 （实际只有几十欧）图39 运算放大器的图形符号rid4.5 信号处理电路 当运算放大器工作在线性区时，u o = Auo (u + − u − ) 差模输入电阻 rid→∞ 开环电压放大倍数 Auo→∞ (18) 输入电流为零u+ = u−当运算放大器工作在饱和区时，⎧+ U o ( sat ) uo = ⎨ ⎩− U o ( sat ) u+ > u− u+ < u−(19)4.5 信号处理电路 二、信号运算电路1、反相放大电路ui uo =− R1 RF uo = − RF ui R1(20)(21)图40 反相放大电路4.5 信号处理电路2、同相放大电路ui ui − uo − = R1 RF RF u o = (1 + )u i R1(22)(23)图41 同相放大电路4.5 信号处理电路3、加法运算电路ui1 u i 2 u i 3 uo + + =− R11 R12 R13 RF(24)RF RF RF u o = −( u i1 + ui 2 + ui 3 ) R11 R12 R13(25)uo = −RF (u i1 + u i 2 + u i 3 ) = −(u i1 + u i 2 + u i 3 ) R1 (26)图42 反相加法电路4.5 信号处理电路4、减法运算电路 R3 R3 ui1 − ui 2 ui 2 − u o R2 + R3 R + R3 = 2 R1 RF (27)R3 RF RF u o = (1 + ) ui 2 − u i1 R1 R2 + R3 R1(28)图43 差分减法电路uo =RF (u i 2 − u i1 ) = ui 2 − ui1 R1(29)RF RF u o = (1 + )u i 2 − ui1 R1 R1(30)。