机电一体化检测系统讲解

图4-4 迟滞特性
第4章 机电一体化检测系统
（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4-5所示。重 复特性误差用满量程输出的百分数表示,即
(4-4)
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4-5所示。
第4章 机电一体化检测系统 图4-25 晶体的压电原理
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2. 压电传感器的结构及特性 压电传感器一般由两片或多片压电晶体粘合而成,
由于压电晶片有电荷极性,因此接法上分成并联和串联 两种（如图4-26所示)。
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图4-26 (a) 并联； (b)
第4章 机电一体化检测系统 3. 压电传感器的应用 压电加速度测试传感器的结构如图4-27 所示。
第4章 机电一体化检测系统 图4-3 传感器的线性度示意图
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线性度可用下式计算：
（4-1）
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,
第4章 机电一体化检测系统 图4-17 光栅测量系统
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滑尺表面刻有两个绕组,即正弦绕组和余弦绕组,见 图4-18。
第4章 机电一体化检测系统 图4-18 感应同步器原理图
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圆盘式感应同步器如图4-19所示,其转子相当于直 线感应同步器的滑尺,定子相当于定尺,而且定子绕组中 的两个绕组也错开1/4节距。
第4章 机电一体化检测系统 图4-10 高频反射式涡流传感器
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（2） 低频透射式涡流传感器。 低频透射式涡流 传感器的工作原理如图4-11所示。
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图4-11低频透射式涡流传感器 （a） 原理图； （b） 曲线图
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3.互感型差动变压器式电感传感器 差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器,
第4章 机电一体化是很小的,因 此计算时铁心的磁阻可以忽略不计,故
R 2 0 A0
将式(4-7)代入式(4-5),
（4-7）
（4-8
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式（4-8）表明,自感L与空气隙δ的大小成反比,与 空气隙导磁截面积A0成正比。当A0固定不变而改变δ 时,L与δ成非线性关系,
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4.3
4.3.1 直流测速机速度检测 图4-21所示为永磁式测速机的原理图。
第4章 机电一体化检测系统 图4-21 永磁式测速机的原理图
第4章 机电一体化检测系统 直流测速机的输出特性曲线如图4-22所示。
图 4-22 直流测速机的输出特性
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第4章 机电一体化检测系统 图4-14是电感测微仪所用的螺旋差动型位移传感器
的结构图。
图4-14 螺旋差动型传感器的结构图
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4.2.2 数字式位移传感器 光栅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,其结构如图4-15所示。 ,如
图4-16所示。
第4章 机电一体化检测系统 图4-15 光栅测量原理
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4.1.3 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包
括： （1） 传感器输出信号形式,如是模拟信号还是数字信号,
是电压还是电流。 （2） 传感器输出电路形式,是单端输出还是差动输出。 （3） 传感器电路的输出能力,是电压还是功率,输出阻抗
的大小如何等。 （4） 传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。
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4.2 位移检测
4.2.1 模拟式位移传感器 1. 典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图4-6所示,
它主要由线圈、铁心和活动衔铁组成。
第4章 机电一体化检测系统 图4-6 可变磁阻式电感传感器
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当线圈通以激磁电流时,其自感L与磁路的总磁阻Rm有
应变式传感器加速度测试原理如图4-24所示,它通过 测试惯性力引起弹性敏感元件的变形换算出力的关系,相 关原理在后续内容中介绍。
第4章 机电一体化检测系统 图4-24 应变式加速度传感器
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1. 压电效应及压电材料 图4-25表示晶体切片在z轴和y轴方向受压力和拉力 时电荷产生方向的情况。
功能,传感器又称为一次仪表。 (2) 对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、
转换、记录、指示、显示等处理,这叫作电信号处理系统, 通常被称为二次仪表。
非电量检测系统的结构形式如图4-1所示。
第4章 机电一体化检测系统 图 4-1 非电量检测系统的结构形式
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4.1.2 传感器的概念及基本特性 1. 传感器一般由敏感元件、传感元件和转换电路三
（4-9）
图4-7为差动型磁阻式传感器,它由两个相同的线圈、 铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置（位 移为零）时,两线圈的自感L相等,输出为零。当衔铁有 位移Δδ时,两个线圈的间隙为δ0+Δδ, δ0-Δδ,这表明一个线 圈的自感增加,而另一个线圈的自感减小。
第4章 机电一体化检测系统 图4-7 可变磁阻差动式传感器
（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。
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（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4-3所示。
4.3.2 光电式转速传感器是一种角位移传感器,由装在被 测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光 源、光电器件和指示缝隙盘组成,如图4-23所示。
第4章 机电一体化检测系统 图 4-23 光电式转速传感器的结构原理图
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根据测量单位时间内的脉冲数N,
n 60N
部分组成,如图4-2
第4章 机电一体化检测系统 图4-2 传感器的组成框图
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（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。
=KUm sin (ωt-θ)
（4-14）
从上式可以看出,感应同步器把滑尺相对定尺的位移l的
变化转成感应电势相角θ的变化。因此,只要测得相角θ,就可
以知道滑尺的相对位移l：
（4-15）
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（2）鉴幅式。 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磁电压uA和uB。
（4-12）
第4章 机电一体化检测系统 同样,当仅对正弦绕组B施加交流激磁电压UB时,定尺绕组
e B=-Ku B sinθ
（4-13）
对滑尺上两个绕组同时加激磁电压,则定尺绕组上所感应
的总电势为
e =e A+eB=Ku A cosθ-KuBsinθ
=KUm sinωt cosω-KU m cosωtsinω
式中: ;
Zt
（4-19）
Z——圆盘上的缝隙数；
n——转速(r／min)；
t——测量时间(s)。
一般取Zt=60×10m(m＝0,1,2,…)。利用两组缝隙间距 W相同,位置相差（i／2+1／4 ）W（i＝0,1,2,…） 的指示缝 隙和两个光电器件,就可辨别出圆盘的旋转方向。
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第4章 机电一体化检测系统 图4-16 莫尔条纹示意
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光栅莫尔条纹的特点是起放大作用,用W表示条纹 宽度,P表示栅距,θ表示光栅条纹间的夹角,则有
(4-10) 若P＝0.01mm,把莫尔条纹的宽度调成10mm,则放 大倍数相当于1000倍,即利用光的干涉现象把光栅间距 放大1000倍,因而大大减轻了电子线路的负担。 光栅测量系统的基本构成如图4-17所示。
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4.1 概述 4.2 位移检测 4.3 速度、加速度检测 4.4 力、扭矩和流体压强检测 4.5 4.6 传感器接口技术 4.7 传感器非线性补偿处理 思考题
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4.1 概述
4.1.1 (1) 把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的
第4章 机电一体化检测系统 图4-20 滑尺绕组位置与定尺感应电势幅值的变化关系
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滑尺在定尺上每滑动一个节距,定尺绕组感应电势就变 化了一个周期,
eA=Ku –Acosθ 式中: ;
（4-11）
K——滑尺和定尺的电磁耦合系数；
θ——滑尺和定尺相对位移的折算角。
若绕组的节距为W,相对位移为l,
uA=Umsinθ-1sinωt
（4-16）
uB=Umcosθ -1 sinωt （4-17）
式中: θ1——指令位移角。
设此时滑尺绕组与定尺绕组的相对位移角为θ,则定尺
绕组上的感应电势为
e =KuA cosθ-KuB sinθ=KUm (sinθ -1 cosθ-cosθ1sinθ)sinωt=KUm sin (θ1-θ) sinωt （4-18）