第4章 传感器检测及其接口电路

非电量检测系统的结构形式图
第3章 传感器检测及其接口电路
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。
第3章 传感器检测及其接口电路
传感器的构成 传感器一般由敏感元件、传感元件和转换电路三 部分组成,如图3-2所示。
U 2 U 2 U 2 KU cos KU sin A B
U" KU sin L 360o KU sin 2 B B W
式中 ： K——定尺与滑尺之间的耦合系数； θ ——定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）；
( L )360o 2L
W
W
W——节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节 距为2mm。 利用感应电压的变化可以求得位移L，从而进行位置检测。
图3-3 传感器的线性度示意图
第3章 传感器检测及其接口电路
线性度可用下式计算：
式中： ; γL——线性度(非线性误差)； Δmax——最大非线性绝对误差； yFS ——输出满度值。 （2） 灵敏度。传感器在静态标准条件下,输出变化对输 入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即
对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。
第3章 传感器检测及其接口电路
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
第3章 传感器检测及其接口电路
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线性的，规定在较小间隙变化范 围内工作。
将被测量转换为电感量变化的装置。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。
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) 互感型(差动变压器)
第3章 传感器检测及其接口电路
1、自感型 （一）可变磁阻式
W 2 W 2 0 A0 L Rm 2
第3章 传感器检测及其接口电路
影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的电阻率；磁 导率；线圈激磁源频率等。
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。
传感器的基本特性 静态特性： （1） 线性度。 传感器的静态特性是在静态标准条件下, 利用一定等级的标准设备,对传感器进行往复循环测试, 得到的输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这 个特性（曲线）为线性,这对标定和数据处理带来方便。 但实际的输出与输入特性只能接近线性,与理论直线有 偏差,如图3-3所示。
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(1)鉴相式工作法 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差 90o的两个电压，设
U A Um sin t
' " U2 U2 U2
U B Um cos t
KU m sin t cos KU m cost sin KU m sin(t )
第3章 传感器检测及其接口电路
在两个相对放置的板上刻有如图所示的 绕组，当在滑尺的两个绕组中分别加上激 励电压时，则在定尺绕组中就产生感应电 势，其幅值决定于绕组的相对位置。
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感应同步器的工作原理 设正弦绕组供电电压为UA，余弦绕组供电电压为UB，移动距离为L， 节距为W，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为 U'2 KU cos L 360o KU cos 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 A A W 由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上 总的感应电势为 ' "
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图3-5 重复特性
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（5）分辨力。 （6）漂移。由于传感器内部因素或在外界干扰的 情况下,传感器的输出发生的变化称为漂移。 （7）精度。精度表示测量结果和被测的“真值” 的靠近程度。
动态特性： 动态特性是指传感器测量动态信号时,输出对输入的响应 特性。 传递函数、时间响应函数、频率响应函数、脉冲响应函 数。
本章内容
传感器分类与基本要求 各类传感器的主要性能及优缺点 传感器的选用原则及注意事项检测 传感器的测量电路 检测传感器的微机接口
第3章 传感器检测及其接口电路
1.传感器分类与基本要求
传感器作用：是机电一体化系统的一个重要组成部分，将 机电一体化系统自身的、作业对象的、作业环境的工作状 态参数进行检测，并将检测到的状态参数从物理变化量变 为电信号，提供给信息处理及控制系统，以有效的控制机 电一体化系统执行机构的动作。 机电一体化一体化系统检测系统实质：
第3章 传感器检测及其接口电路
四、感应同步器
感应同步器是一种用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量 转换成电信号的一种检测元件，有直线式和圆盘式两种，分别用 作检测直线位移和转角。 直线感府同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺一般长为 250mm,上面均匀分布节距为2mm的绕组；滑尺长100mm，表 面布有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，如图3-12所示。当余 弦绕组与定子绕组相位相同时，正弦绕组与定子绕组错开l／4节 距。
第3章 传感器检测及其接口电路
（3）迟滞性。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称为迟滞,迟滞误差一 般以满量程输出yFS的百分数表示：
式中:

ΔHm——输出值在正、反行程间的最大差值。
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迟滞特性一般由实验方法确定,如图3-4所示。
图3-4 迟滞特性
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（4） 重复特性。 传感器在同一条件下,被测输入 量按同一方向作全量程连续多次重复测量时,所得的输 出/输入曲线不一致的程度,称为重复特性,如图3-5所示。 重复特性误差用满量程输出的百分数表示,即
式中: ΔRm——最大重复性误差。
重复特性也由实验方法确定,常用绝对误差表示,如 图3-5所示。
第四章 微机控制系统 及接口设计
第3章 传感器检测及其接口电路
学习目的与要求
掌握传感器的分类、性能和选用原则 了解常用的位移测量传感器及其原理 了解速度及加速度传感器及其原理 了解位置传感器及其原理 理解传感器前期信号处理方法 了解传感器接口技术

教学重点与难点
各种传感器及信号处理
第3章 传感器检测及其接口电路
第3章 传感器检测及其接口电路
2.各类传感器的主要性能及优缺点
传感器的分类 1）传感器的作用主要分为：内部信息传感器和外部信息传 感器。 内部信息传感器 —— 检测机电一体化系统内部状态。主 要包括：检测位置、速度、力/力矩、温度以及异常变化等 的传感器。 外部信息传感器 —— 检测作业对象的状态和外部环境状 态。主要包括：接触式和非接触式传感器，如：温度/湿度 传感器、气压传感器、电涡流传感器、无线电接收机、红外 测温仪，激光测距机等。
原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距为δ 0，相对 介电常数为ε r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。
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二、电感式传感器
图3-2 传感器的组成框图
第3章 传感器检测及其接口电路
（1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量的 物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系 （最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输 出。 （2）传感元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电 信号（如电阻、电感、电容等）形式。 （3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量, 如电压、电流、频率等。
第3章 传感器检测及其接口电路
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高、 响应速度快和量程范围大等。
第3章 传感器检测及其接口电路
第3章 传感器检测及其接口电路
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，称为莫尔条绞。它们是 沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，如图3-18所示。
信号处理电路的作用：将传感器输出的电量变成具有一定功率的电压、 电流或频率信号，以推动后级的显示电路、数据处理电路等；电信号处 理系统通常被称为二次仪表。
数据处理装置：用来对测量结果处理、计算、分析，数据处理信号通常 送到执行机构或显示器中去，以控制被控对象及显示处理的各种数据。
第3章 传感器检测及其接口电路
第3章 传感器检测及其接口电路
指示光栅 标尺光栅 d f d f d
W
θ
W/2
d f d f d
d
W/2
B
d
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。
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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。
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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。
源自文库3章 传感器检测及其接口电路
3．变介质型电容传感器
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。
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（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。这种涡流将产生交变磁通1，根据楞次 定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由 于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗发生变化，变化 程度与距离有关。
第3章 传感器检测及其接口电路
位移测量传感器
直线位移测量传感器 电感传感器 电容传感器 感应同步器 光栅传感器 电容传感器 光电编码盘
角位移传感器
第3章 传感器检测及其接口电路
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.
第3章 传感器检测及其接口电路
2）按输出信号的性质可分为：开关型、模拟型和数字型传 感器（计数型和代码型）。 3）按传感器的用途分为：位移、位置、速度、加速度、力 /力矩、温度、湿度、压力等传感器。 4）按传感器的原理分为：电阻式、电感式、电磁式、电容 式、光电式。
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非电量 电量
显示
第3章 传感器检测及其接口电路
检测系统组成原理如下图：
非电量 电量 信号处 U0(I0 ,f) 理电路
显示器 数据处 理装置 执行 机构
传感器
传感器的作用：用于检测各种物理量（如位移、速度、角度、力、力矩 压力、温度等），并转化为电量信号（如电压、电流、电容、电感）输 出；传感器又称为一次仪表。