机电一体化检测系统.
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（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。
图4-7 可变磁阻差动式传感器
图 4-8 可变磁阻面积型电感传感器
•
如图 4-9 所示 , 在可变磁阻螺管线 圈中插入一个活动衔铁 ,当活动衔铁在线 圈中运动时 , 磁阻将变化 , 导致自感 L 的变 化。
图4-9 可变磁阻螺管型传感器
• •
2. 涡流式传感器的变换原理,是金属导体在 交流磁场中的涡电流效应。如图 4-10所示, 金属板置于一只线圈的附近,它们之间相互 的间距为δ。 • （ 1 ）高频反射式涡流传感器。如图 410所示,高频(>1 MHz)激励电流 i0产生的高 频磁场作用于金属板的表面,由于集肤效应, 在金属板表面将形成涡电流。
•
图 4-1 非电量检测系统的结构形式
• • •
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 转换电路三部分组成,如图4-2
图4-2 传感器的组成框图
•
（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。
• • • • •
•
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。
•
（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。
第4章 机电一体化检测系统
• 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 传感器前级信号
• 4.6 传感器接口技术
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。
图4-10 高频反射式涡流传感器
•
（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。
图4-11低频透射式涡流传感器 （a） 原理图； （b） 曲线图
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。
•
图4-6 可变磁阻式电感传感器
•
当线圈通以激磁电流时 , 其自感 L 与磁路 的总磁阻Rm有关, • （4-5） W2
L
• • • • •
Rm
(4-2)
•
迟滞特性一般由实验方法确定 , 如图4-4所示。
图4-4 迟滞特性
•
（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, (4-4) 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4-5所示。
图4-5 重复特性
• •
（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。 • 3. • 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。
图4-3 传感器的线性度示意图
•
线性度可用下式计算：
Baidu Nhomakorabea
（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 ,
•
对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是 个常数。 • （3）迟滞。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 (4-3) • • 式中: ΔHm—— 输出值在正、反行程间的最大差值。
•
由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比 是很小的 , 因此计算时铁心的磁阻可以忽 略不计,故
• • •
2 R 0 A0
（ 4-7 ）
将式(4-7)代入式(4-5),
（4-8
•
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,此时传感器的
式中: W——线圈匝数； Rm——总磁阻。 如果空气隙δ较小,而且不考虑磁路的损失, 则总磁阻为
（4-6）
• • • •
式中: ; l——铁心导磁长度（m）； μ——铁心导磁率（H/m）； A——铁心导磁截面积（m2）,
• • •
A=a×b; δ——空气隙(m), δ=δ 0+Δδ; μ 0 — — 空 气 磁 导 率 （ H ／ m）,μ0=2π×10-7 ; • A 0 —— 空气隙导磁截面积（ m 2 ）。
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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。
图4-7 可变磁阻差动式传感器
图 4-8 可变磁阻面积型电感传感器
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如图 4-9 所示 , 在可变磁阻螺管线 圈中插入一个活动衔铁 ,当活动衔铁在线 圈中运动时 , 磁阻将变化 , 导致自感 L 的变 化。
图4-9 可变磁阻螺管型传感器
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2. 涡流式传感器的变换原理,是金属导体在 交流磁场中的涡电流效应。如图 4-10所示, 金属板置于一只线圈的附近,它们之间相互 的间距为δ。 • （ 1 ）高频反射式涡流传感器。如图 410所示,高频(>1 MHz)激励电流 i0产生的高 频磁场作用于金属板的表面,由于集肤效应, 在金属板表面将形成涡电流。
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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 转换电路三部分组成,如图4-2
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。 • （ 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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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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（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。
第4章 机电一体化检测系统
• 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 传感器前级信号
• 4.6 传感器接口技术
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。
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。
图4-11低频透射式涡流传感器 （a） 原理图； （b） 曲线图
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。
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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有关, • （4-5） W2
L
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Rm
(4-2)
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迟滞特性一般由实验方法确定 , 如图4-4所示。
图4-4 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4-5所示。 重复特性误差用满量程输出的百分数表示, (4-4) 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4-5所示。
图4-5 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。 • 3. • 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。
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：
Baidu Nhomakorabea
（4-1）
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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 ,
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对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是 个常数。 • （3）迟滞。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 (4-3) • • 式中: ΔHm—— 输出值在正、反行程间的最大差值。
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由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比 是很小的 , 因此计算时铁心的磁阻可以忽 略不计,故
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2 R 0 A0
（ 4-7 ）
将式(4-7)代入式(4-5),
（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,此时传感器的
式中: W——线圈匝数； Rm——总磁阻。 如果空气隙δ较小,而且不考虑磁路的损失, 则总磁阻为
（4-6）
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式中: ; l——铁心导磁长度（m）； μ——铁心导磁率（H/m）； A——铁心导磁截面积（m2）,
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A=a×b; δ——空气隙(m), δ=δ 0+Δδ; μ 0 — — 空 气 磁 导 率 （ H ／ m）,μ0=2π×10-7 ; • A 0 —— 空气隙导磁截面积（ m 2 ）。