机电一体化检测传感器及其接口电路优秀课件

动态特性：
传感器对输激励响应的特性。 一个动态特性好的传感器，其输出能再现输入的变 化规律，即具有相同的时间函数。
Actual curve Δmax
x
线性曲线 y
o
x
trs(上 升 时 间 )
tst(响 应 时 间 )
动态响应曲线
3.1 温度传感器
1.热电偶
➢ 康铜系热电偶，测量范围 –180~2800℃ ，最佳测量范围 630~1064℃； ➢ 钨铼系热电偶，在300~2000℃的范围内具有良好的特性； ➢ 镍铬-金铁热电偶，在 0~ -217℃范围内具有良好的特性。
以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截
面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改 变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少， 电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面 增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电 阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
4
7
1
+15v Rf2 20K
3 6
2
-15v Rf1 20K
Rf3 20K -15v
8
R6 100K
C1 0.1uF
J1(电源接口)
3 2
+15V -15V
1
4
J2(信号输出接口)
2
R9
6
1
C2
100K
0.1uF
2
R7 1K
Fra Baidu bibliotek
3 R8 1K
7
1
8
+15v
图3-9 热敏电阻信号处理电路
讨论题：
热敏电阻的阻值计算式 Rt=R0(1+ αt) t：当前温度；
Rt：当前温度下热敏电阻的阻值； R0：热敏电阻在零度时的阻值； α：热敏电阻的敏感系数。 αpt=0.003850 , Rpt0 =100.00Ω αcu=0.004280 , Rcu0 =100.00Ω
分别计算铂热电阻和铜热电阻在50℃时的电阻。并 设计一个铂热电阻变送电路,要求其在0℃和50℃时 输出电压分别为0V和5V电压值。
J1 (电源接口)
3 2
+15 V -1 5V
1
8
1
7
J2 (热电偶接口)
2 1
R2 1K
3
2 R1 1K
6
R3 1 00 K
C1 0 .1u F
4
-1 5V Rf 3 3K
图3-4 热热电电偶偶信号信处号理放电大路电路
J3 (信号输出接口)
1 2
机械系统的传感器信号一般是低频率信号； 干扰噪声一般是高频率段；使用低通滤波器可滤除高频率噪声。
优点： 1.体积小而灵敏高； 2. 频率响应范围宽、半导体集成化制造； 缺点： 灵敏系数随温度变化较大
3.3 位移测量传感器
位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称， 位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛。常用直线位 移测量传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、 光栅传感器等；常用角位移传感器有：电容传感器、光电 编码盘等。
3.半导体集成温度传感器AD590
AD590 是一种常用的半导体集成温度传感器。 测温范围 –55 ~ +150℃，
工作电压 +4 ~ +30V， 恒流源线性热敏系数为 ,
恒流源电流计算公式：
I I t 0
I0：温度为零度时的电流值。
I I t 0
AD590
AD590应用电路
3.2 力传感器
连接导线
Vo输出电压
测点
连接导线 参考点
合金热电极
图3-1 热电偶结构
热电偶输出的电压是毫伏级小信号，一般需放大 为伏级才能被利用，因此需要电压放大电路。由于集 成电路的大量应用，通常都采用运算放大器放大。
图3-2 铠装热电偶
图3-3 点式热电偶
Vo= (1+Rf/R1)*Vi=34*Vi
+15 V
图3-5 铂热敏电阻
图3-6 铜热敏电阻
热敏电阻的 电阻变化值首先 要经变送电路变 换为电压，并进 行必要的放大和 滤波处理输出伏 级电压值，才能 被后续电路利用。
图3-7 NTC半导体热敏电阻 图3-8 PTC半导体热敏电阻
+5V
R2
R3
10K 10K
R1
Rt
100
(100)
R5 1K R4 1K
图3-11 双臂工作的半桥接法 图3-12 四臂工作的全桥接法
R1=R2=R3=R3=R
U R0 R 4R
K U0
3.2.2 半导体应变式力传感器
• 某些固体材料受到外力的作用后，除了产生变形，其电阻 率也要发生变化，这种由于应力的作用而使材料电阻率发 生变化的现象称为“压阻效应”。利用压阻效应制成的传 感器称为压阻式传感器。
3. 测量电桥
由应变片作为桥臂而组成的电桥称为测量电桥。若测 量电桥的输入电压为U0，输出电压为∆U，各桥臂的电阻分 别为R1、R2、R3和R4，则
UU 0( R 1 R 2 R 3 R 4) 4 R 1 R 2 R 3 R 4
测量电桥灵敏度K
K U U 0 1( R 1 R 2 R 3 R 4 ) R /R4 R /RR 1 R 2 R 3 R 4
力学传感器的种类： ➢电阻应变片压力传感器、 ➢半导体应变片压力传感器、 ➢压阻式压力传感器、 ➢电感式压力传感器、 ➢电容式压力传感器、 ➢谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
压阻式压力传感器应用最为广泛，它具有极低的价 格和较高的精度以及较好的线性特性。
3.2.1 金属电阻应变片式力传感器
机电一体化检测传 感器及其接口电路
y
Theoretical line
传感器：
把非电量参数（位移、速度、力、温度、光、 磁、化学量等）转化为电量参数（电压、电流、 电阻等）的器件。
传感器输出量形式:
o
模拟信号、编码数字信号（光电）、数字信号。
传感器静态特性：
传感器的输入-输出特性是传感器的基本特性。 静态特性参数有线性度、灵敏度、迟滞性、重复性。
1. 金属电阻应变片的内部结构
图3-10 金属电阻应变片的内部结构
2. 电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体
材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，
俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式
表示：
R L
S
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）
2.热敏电阻 ➢热敏电阻是一种随温度变化其阻值变化的一种电阻； ➢测量范围为 –200~500℃。
➢铂电阻的精度高但价格高； ➢铜电阻精度稍差但价格低廉；
➢半导体热敏电阻的特性呈非线性，但体积小、响应快、 价格低廉。
铂热电阻 PT100（100欧姆）主要用于-200~650℃范围测温； Pt10（10欧姆）主要用于650℃以上范围的测温。