机电一体化系统设计--第三章传感检测及其接口电路
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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。
3、光栅的莫尔条纹有如下特点：
（1）起放大作用。 （2）莫尔条纹的移动与栅距成正比。
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。
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。
3．变介质型电容传感器
原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距不变， 相对介电常数不同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。
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。
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。
四、传感器选用原则
快速、准确、可靠、经济的获取信号 1）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高 3）精度适当、稳定性高 4）反应速度快、工作可靠 5）适用性和适应性强 6）使用经济
第二节 位移测量传感器
一、电容传感器 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δ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。Δδ/ δ0≤0.1
eA=KUAcosθ eB=－KUBsinθ
e=eA+eB=KUAcos θ－KUBsin θ = KUMsinωt sinθ1 cos θ－K UMsinωt
cosθ1sin θ = KUMsinωtsin (θ1 － θ)
位移与感应电动势幅值KUMsin (θ1 － θ) 联系起来
第三节 速度、加速度传感器
（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。
影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的 电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。
第三章 传感检测及其接口电路
第一节 传感器 一、传感器定义及分类
1、定义：
传感器是将力、温度、位移、速度等量 转换成电信号的元件。
2、分类： 按输出信号分：
Baidu Nhomakorabea
二、机电一体化对检测系统的基本要求
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。
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。
三、光栅
光栅是一种新型的位移检测元件，它的特 点是测量精确度高、响应速度快和量程范围 大等。 1、光栅的构造：
2、工作原理：
三、传感器特性：
静态特性：1、线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线 之间的偏差 2、灵敏度：输出变化对输入变化的比值 3、迟滞性：在正反行程期间输入—输出特性曲线不 重合程度 4、重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性 曲线的不重合程度
动态特性：传递函数、时间响应函数、频率响应函数、 脉冲响应函数。
eA=KUAcosθ eB=－KUBsinθ
e=eA+eB=KUAcos θ－KUBsin θ = KUMsinωt cos θ－K UMcosωt sin θ = KUMsin(ωt－ θ)
θ：滑尺、定尺相对位移的折算角
θ=(L/ W)360
L= (θ/360) W
W—绕组的节距。
2．鉴幅式
根据感应电动势的振幅变化来鉴别位移量。 在滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别输入相同 频率和相位，振幅不同的交流电压，即 UA=UMsinθ1sinωt UB=UMcosθ1sinωt
一、直流测速机: 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是—台
微型的直流发电机。直流测速机的持点是输出斜率大、 线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复 杂，摩擦转矩较大。
测速机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为 永磁式测速机原理电路图。
恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中 旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势， 经换向器和电刷转换成与转子速度成正比 的直流电势。
二、电感式传感器 将被测量转换为电感量变化的装置。 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)与互感型(差动变压器）。
1、自感型 （一）可变磁阻式
W2 L
W20A0
Rm
2
1—线圈 2—铁心 3—衔铁
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。
四、感应同步器
1.感应同步器结构
定尺
节距2τ （2mm）
节距τ （0.5mm） sin
l 4
cos
滑尺
测量方法
二、感应同步器
根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输 出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式 有鉴相式和鉴幅式两种工作法。
(1) 鉴相式
根据感应电动势的相位来检测位移量， 在滑尺的正弦绕组上分别输入频率、振 幅相同但相位差90。的励磁电压。 UA=UMsinωt UB=UMcosωt
3、光栅的莫尔条纹有如下特点：
（1）起放大作用。 （2）莫尔条纹的移动与栅距成正比。
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。
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。
3．变介质型电容传感器
原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距不变， 相对介电常数不同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。
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。
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。
四、传感器选用原则
快速、准确、可靠、经济的获取信号 1）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高 3）精度适当、稳定性高 4）反应速度快、工作可靠 5）适用性和适应性强 6）使用经济
第二节 位移测量传感器
一、电容传感器 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δ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。Δδ/ δ0≤0.1
eA=KUAcosθ eB=－KUBsinθ
e=eA+eB=KUAcos θ－KUBsin θ = KUMsinωt sinθ1 cos θ－K UMsinωt
cosθ1sin θ = KUMsinωtsin (θ1 － θ)
位移与感应电动势幅值KUMsin (θ1 － θ) 联系起来
第三节 速度、加速度传感器
（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。
影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的 电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。
第三章 传感检测及其接口电路
第一节 传感器 一、传感器定义及分类
1、定义：
传感器是将力、温度、位移、速度等量 转换成电信号的元件。
2、分类： 按输出信号分：
Baidu Nhomakorabea
二、机电一体化对检测系统的基本要求
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。
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。
三、光栅
光栅是一种新型的位移检测元件，它的特 点是测量精确度高、响应速度快和量程范围 大等。 1、光栅的构造：
2、工作原理：
三、传感器特性：
静态特性：1、线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线 之间的偏差 2、灵敏度：输出变化对输入变化的比值 3、迟滞性：在正反行程期间输入—输出特性曲线不 重合程度 4、重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性 曲线的不重合程度
动态特性：传递函数、时间响应函数、频率响应函数、 脉冲响应函数。
eA=KUAcosθ eB=－KUBsinθ
e=eA+eB=KUAcos θ－KUBsin θ = KUMsinωt cos θ－K UMcosωt sin θ = KUMsin(ωt－ θ)
θ：滑尺、定尺相对位移的折算角
θ=(L/ W)360
L= (θ/360) W
W—绕组的节距。
2．鉴幅式
根据感应电动势的振幅变化来鉴别位移量。 在滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别输入相同 频率和相位，振幅不同的交流电压，即 UA=UMsinθ1sinωt UB=UMcosθ1sinωt
一、直流测速机: 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是—台
微型的直流发电机。直流测速机的持点是输出斜率大、 线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复 杂，摩擦转矩较大。
测速机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为 永磁式测速机原理电路图。
恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中 旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势， 经换向器和电刷转换成与转子速度成正比 的直流电势。
二、电感式传感器 将被测量转换为电感量变化的装置。 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)与互感型(差动变压器）。
1、自感型 （一）可变磁阻式
W2 L
W20A0
Rm
2
1—线圈 2—铁心 3—衔铁
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。
四、感应同步器
1.感应同步器结构
定尺
节距2τ （2mm）
节距τ （0.5mm） sin
l 4
cos
滑尺
测量方法
二、感应同步器
根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输 出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式 有鉴相式和鉴幅式两种工作法。
(1) 鉴相式
根据感应电动势的相位来检测位移量， 在滑尺的正弦绕组上分别输入频率、振 幅相同但相位差90。的励磁电压。 UA=UMsinωt UB=UMcosωt